適合強研磨性硬地層的新型混合鉆頭設(shè)計及現(xiàn)場應(yīng)用*

于金平， 鄒德永， 劉笑傲

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

PDC切削齒磨損速度快，導(dǎo)致鉆頭使用壽命短，鉆井效率低。PDC鉆頭是石油鉆探中的關(guān)鍵工具，在鉆遇火成巖、變質(zhì)巖等強研磨性硬地層時，嚴(yán)重制約了致密油氣藏鉆井的鉆井速度和勘探開發(fā)效率[1-4]。

國內(nèi)外專家研究了各種方法用于提高PDC鉆頭的鉆進性能[5-10]。王濱等[11]研究表明：PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭能夠高效破碎強研磨性硬地層，降低鉆井成本。基于已有研究成果，針對晉古17井地層特性，設(shè)計了2只混合鉆頭并進行現(xiàn)場試驗，以高效破碎強研磨性硬地層。

1 新型混合鉆頭破巖機理

PDC鉆頭是一種高效的切削型鉆頭[12-13]，在軟-中硬地層中鉆速快、進尺高，但在強研磨性硬地層中，其切削齒磨損速度快，導(dǎo)致機械鉆速低，使用壽命短。孕鑲金剛石鉆頭是一種研磨型鉆頭[14-16]，耐磨性好，在強研磨性硬地層中的使用壽命長。但因金剛石顆粒較小，出露高度低，限制了每轉(zhuǎn)切削的深度，機械鉆速較低。而PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭既利用金剛石孕鑲塊的高耐磨性解決了PDC鉆頭在強研磨性硬地層中磨損速度快的問題，又發(fā)揮了PDC切削齒破巖效率高的優(yōu)點。

PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭采用前后雙排齒布齒方式：前排布置PDC切削齒作為主切削齒提高破巖效率；后排布置金剛石孕鑲塊作為副切削齒降低磨損率。2種切削齒同軌布置在同一刀翼上，PDC切削齒與金剛石孕鑲塊之間具有一定的出露高差。 其破巖機理如圖 1 所示。

(a)鉆頭工作初期Initial stage of bit work(b)鉆頭工作中后期Middle and later stage of bit work圖1 PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭破巖機理Fig. 1 Rock breaking mechanism of PDC-diamondimpregnated hybrid drill bit

在混合鉆頭工作初期，前排PDC切削齒刃部鋒銳，可有效吃入地層，充分發(fā)揮其破巖效率高的優(yōu)勢，后排金剛石孕鑲塊起到限制PDC切削齒吃深的保護作用；金剛石孕鑲塊因井底巖石的摩擦作用，金剛石顆粒開始出露(如圖1a)；當(dāng)PDC切削齒磨損到一定程度后，吃入巖石難度變大，金剛石孕鑲塊開始承受部分鉆壓，出露的金剛石顆粒很容易吃入巖石，在井底形成犁溝，可有效提高磨損PDC切削齒的破巖效率(如圖1b)。

2 石英巖地層新型混合鉆頭設(shè)計

晉古17井是在冀中某斷層上升盤晉古19潛山圈閉上的一口預(yù)探井，設(shè)計井深2 500 m。鉆探目的是了解冀中探區(qū)變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕儲蓋組合情況和雷家莊變質(zhì)巖內(nèi)部的含油氣情況，兼探上第三系含油氣情況。目標(biāo)地層主要巖性為石英巖，并伴有混合巖、片巖、大理巖等夾層，可鉆性級值為6.9左右。目標(biāo)地層硬度大，研磨性強，為提高晉古17井變質(zhì)巖潛山地層的鉆井速度，縮短鉆井周期，開展了PDC-金剛石孕鑲塊新型混合鉆頭的個性化設(shè)計與試驗研究。

2.1 1#新型混合鉆頭設(shè)計

針對石英巖地層的特點，設(shè)計了1#混合鉆頭(如圖2、圖3)：①鉆頭剖面形狀設(shè)計特點為內(nèi)錐較淺，冠部比較平緩，切削齒受力較均勻，有利于提高鉆頭壽命，且冠部較短，鉆頭攻擊性較強；②1#混合鉆頭采用中等密度雙排齒布齒方式，同一刀翼上前排布置φ16 mm PDC切削齒，后排布置φ16 mm金剛石孕鑲塊，PDC切削齒與金剛石孕鑲塊之間具有1 mm的出露高差；③鉆頭采用5刀翼切削結(jié)構(gòu)設(shè)計；④鉆頭采用強

(a)1#鉆頭布齒設(shè)計Cutter design of 1# bit(b)1#鉆頭井底覆蓋圖Bottom hole coverage of 1# bit圖2 1#混合鉆頭布齒設(shè)計Fig. 2 Cutter design of 1# hybrid drill bit

(a)1#鉆頭水利結(jié)構(gòu)設(shè)計Hydraulic structuredesign of 1# bit(b)1#鉆頭保徑設(shè)計Diameter maintenancedesign of 1# bit圖3 1#混合鉆頭水利結(jié)構(gòu)和保徑設(shè)計Fig. 3 Hydraulic structure and diameter maintenancedesign of 1# hybrid drill bit

化型水利結(jié)構(gòu)設(shè)計，在鉆頭冠部布置了3個φ13 mm和3個φ11 mm的噴嘴；⑤為防止鉆頭直徑磨損出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，在鉆頭肩部設(shè)計了主動保徑齒，在保徑塊上設(shè)計了PDC加強齒。1#混合鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 1#混合鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 2#新型混合鉆頭設(shè)計

基于PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭破巖機理(如圖1)，為進一步提高鉆頭的機械鉆速和鉆頭進尺的能力，優(yōu)化混合鉆頭，設(shè)計了適于石英巖地層巖性的2#混合鉆頭(如圖4、圖5)：①鉆頭剖面采用了雙圓弧淺

(a)2#鉆頭布齒設(shè)計Cutter design of 2# bit(b)2#鉆頭井底覆蓋圖Bottom hole coverage of 2# bit圖4 2#混合鉆頭布齒設(shè)計Fig. 4 Cutter design of 2# hybrid drill bit

(a)2#鉆頭水利結(jié)構(gòu)設(shè)計Hydraulic structuredesign of 2# bit(b)2#鉆頭保徑設(shè)計Diameter maintenancedesign of 2# bit圖5 2#混合鉆頭水利結(jié)構(gòu)和保徑設(shè)計Fig. 5 Hydraulic structure and diameter maintenancedesign of 2# hybrid drill bit

內(nèi)錐設(shè)計，冠部較短，鉆頭攻擊性較強，有利于提高鉆進效率；②混合鉆頭采用雙排齒布齒方式，同一刀翼上前排布置φ13 mm PDC切削齒，后排布置φ13 mm金剛石孕鑲塊，PDC切削齒與金剛石孕鑲塊之間具有1 mm的出露高差；③布齒設(shè)計采用中等密度布齒方案，以盡可能提高鉆進速度，增強鉆頭攻擊性；④在鉆頭冠部布置7個噴嘴，用以冷卻鉆頭，防止鉆頭因為熱磨損而失效過快；⑤在鉆頭肩部設(shè)計主動保徑齒，保徑塊上設(shè)計PDC加強齒，以防止鉆頭直徑磨損。2#混合鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 2#混合鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 新型混合鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用

晉古17井三開鉆進下入1#混合鉆頭，入井深度1 475.83 m。鉆具組合：φ152.4 mm PDC+φ120 mm直螺桿+浮閥+托盤+φ121 mm無磁鉆鋌×1根+φ121 mm鉆鋌×15根+φ88.9 mm鉆桿。鉆進參數(shù)：鉆壓40～60 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min，泵壓17 MPa，排量17～18 L/s。鉆至1 510.20 m，鉆速較慢，起鉆查看鉆頭。

隨后下入2#混合鉆頭，下鉆井深1 646.00 m。鉆具組合：φ152.4 mm混合鉆頭+φ120 mm×1根雙扶螺桿+浮閥+托盤+φ121 mm無磁鉆鋌×1根+φ121mm鉆鋌×18根+φ88.9 mm鉆桿。用鉆壓10～20 kN、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速30 r/min、排量16 L/s，劃眼31 m到井底，鉆進1 m完成井底造型。然后以鉆壓40～90 kN、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min、排量17～18 L/s、泵壓16～17 MPa，正常鉆進。鉆至1 683.00 m，巖性發(fā)生變化，由石英巖變?yōu)槠瑤r，接錄井通知起鉆取心，起鉆井深1 683.00 m。

4 新型混合鉆頭應(yīng)用效果分析

1 388.72 m至1 510.20 m的石英巖井段的鉆頭使用情況見表3。在晉古17井石英巖地層中，1#混合鉆頭從1 475.83 m鉆至1 510.20 m，鉆頭進尺34.37 m，純鉆進時間26.0 h，機械鉆速1.32 m/h。在同井段中使用的牙輪鉆頭的平均機械鉆速為0.87 m/h，平均單只鉆頭進尺為17.42 m。1#混合鉆頭與牙輪鉆頭的平均機械鉆速相比，鉆速提高了52.30%；與其平均鉆頭進尺相比，進尺提高了97.30%。而且鉆頭除了冠頂外側(cè)的切削齒磨損較多，其余切削齒基本沒有磨損，鉆頭整體新度約80%，仍然具有繼續(xù)鉆井的能力。

1 510.20 m至1 683.00 m的石英巖井段的鉆頭使用情況見表4。2#混合鉆頭鉆進井段為1 646.00～1 683.00 m，鉆頭進尺37.00 m，純鉆進時間30.0 h，機械鉆速1.23 m/h。在同井段中使用的牙輪鉆頭的平均機械鉆速為0.94 m/h,平均單只鉆頭進尺為21.70 m；M1375D PDC鉆頭的機械鉆速為0.93 m/h,單只鉆頭進尺為25.10 m。與牙輪鉆頭的平均值相比，平均機械鉆速提高了30.85%，平均單只鉆頭進尺提高了70.50%；與M1375D PDC鉆頭相比，平均機械鉆速提高了32.30%，平均單只鉆頭進尺提高了47.40%。

表3 石英巖地層中1#混合鉆頭及牙輪鉆頭的使用效果

表4 石英巖地層2#混合鉆頭、PDC鉆頭及牙輪鉆頭使用效果

5 結(jié)論

(1)PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭，既具有PDC鉆頭切削破巖效率高的特點，又具有孕鑲金剛石鉆頭使用壽命長的優(yōu)點，是適合強研磨性硬地層的一種高效破巖工具；金剛石孕鑲塊性能直接影響混合鉆頭的鉆進性能。因此，提高金剛石孕鑲塊的性能是優(yōu)化PDC-孕鑲塊混合鉆頭的關(guān)鍵技術(shù)。

(2)2只PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭在現(xiàn)場應(yīng)用中均取得了良好的試驗效果。在晉古17井石英巖地層中，1#混合鉆頭的使用情況與同井段使用過的牙輪鉆頭的平均值相比，平均機械鉆速提高了52.30%，平均單只鉆頭進尺提高了97.30%，而且鉆頭整體新度約80%，仍然具有繼續(xù)鉆井的能力。2#混合鉆頭與牙輪鉆頭的平均值相比，平均機械鉆速提高了30.85%，平均單只鉆頭進尺提高了70.50%；與M1375D PDC鉆頭相比，平均機械鉆速提高了32.30%，單只鉆頭進尺提高了47.40%。

綜合分析現(xiàn)場效果，結(jié)合PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭設(shè)計的工作機理，PDC-金剛石孕鑲塊混合鉆頭機械鉆速高，使用壽命長，可明顯降低鉆井成本。