新型專利PDC在南海東部海上油氣田的應用

秦世利，陶冶，宋吉明(.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 58067；.中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東 深圳 58064)

0 引言

伴隨著油氣田開發技術的不斷提高，國內外的鉆井工技術逐漸向高效、優質、快速的方向發展。PY34-1氣田位于中國南海北部海域珠江口盆地番禺33自營區塊，區域上位于中央隆起帶的中部番禺低隆起，南部緊鄰白云凹陷北緣[1]。地質層系自上而下分別為萬山組、粵海組、韓江組、珠江組和珠海組。上部地層以松軟的沙泥巖為主，少量含礫灰質夾層，抗壓強度從20.68～62.05 MPa不等，可鉆性較好，但頻繁的巖性變化和礫巖較強的研磨性導致轉差震動和切削齒磨損，嚴重影響鉆頭壽命。下部珠江組有大段的硬質灰質砂巖，抗壓強度137.90～275.79 MPa，且具有極強的研磨性，導致鉆頭機械鉆速低，鉆井經濟效益低下[2]。

1 鉆頭使用現狀

近年來，隨著常規PDC的廣泛應用，PDC鉆頭的型號和質量上都進行了較大的改進，已經在軟到硬的地層中逐漸使用，取得了較好的經濟效益。PDC 鉆頭就是聚晶金剛石復合片鉆頭，它以金剛石為原料加入粘合劑在高溫燒制而成。復合片為圓片狀，金剛石層厚度一般小于1慢慢，PDC鉆頭采用圓形弧面進行破巖，鉆遇礫巖鉆井參數稍有不當將造成高速切削狀態下礫石沖擊損傷，導致刀翼外椎體破損或切削齒崩齒，如長期處于該狀態將導致鉆頭損壞，降低了單趟鉆進尺，加大了作業的成本。

PY34-1氣田開發初期，12-1/4″井段主要使用常規PDC鉆頭和牙輪鉆頭，平均機械鉆從速15.2～21.9 m/h不等，一次作業通常需要3～5只鉆頭才能完成該井段作業，單趟進尺523 ～1 012 m，出井鉆頭崩齒的現象較為普遍，個別鉆頭縮徑現象嚴重。鄰井12-1/4″井段鉆頭數據如表1所示。

為了進一步提高機械鉆速，降低鉆頭磨損，提高鉆頭的經濟效益，技術人員借鑒國內外成功經驗，通過對該區塊地層特征和前期鉆頭使用情況深入分析的基礎上，優選斧形齒專利PDC鉆頭。

2 斧型齒鉆頭應用情況

2.1 斧型齒鉆頭的結構設計

為保證同時提供出色的切削效率(機械鉆速)和耐磨性(鉆頭進尺)。基于鄰井分析，采用了專利技術的剛性金剛石材料的5刀翼、16 mm切削齒、鋼體鉆頭設計。為了在各個巖性地層中取得出色的機械鉆速表現，新的鉆頭設計采用了攻擊性的冠部形狀(斧型)和切削齒后置角[3]。

表1 鄰井12-1/4″井段鉆頭數據

鉆頭設計導入4D有限元動態模擬系統與普通的PDC鉆頭進行模擬對比。對比使用了6組巖性，使用不同的鉆壓、轉速模擬了實際鉆進過程中可能出現的情況。結果顯示新的鉆頭設計在不同鉆進參數下，機械鉆速整體提高了8%～31%[4]。新鉆頭設計的電腦輔助設計模型如圖1所示。

圖1 新鉆頭設計的電腦輔助設計模型

2.2 斧型齒鉆頭破巖機理

斧型齒鉆頭改變了常規齒僅靠切削破巖的機理，利用壓碎和切削復合破巖，能有效提高鉆頭破巖效率，極大的提高了機械鉆速。這個鉆頭的作用原理為先通過切削齒凸起部斧型結構接觸地層，預壓碎巖石，再通過后部切削齒平面部分切削，同時斧型齒刀口兩側的傾角設計使切削力減少，更有利于切削地層減小鉆進扭矩[5]。

2.3 現場應用成果

PY34-1-A1H井在南海東部首次引用進口新型斧形齒PDC鉆頭，實現了2趟鉆完成12-1/4″井段作業，單只鉆頭進尺、ROP和鉆井日效率均有比較明顯的提高，其中鉆井日效率較A2和A5H井平均水平提高了31%，達到了該項目的預期目標。

后續連續應用4口井，該鉆頭均有不錯的表現，并且創造了該區塊單只鉆頭、單趟鉆進尺最多紀錄，機械鉆速、鉆井周期、鉆井日效率均屢創新高。其中番禺34-1-A6H井以鉆井周期43.77 d的驕人成績，打破了中國海油石油總公司6 000～6 500 m水平井鉆井周期紀錄。

通過同區塊常規齒和斧型齒鉆頭鉆頭使用情況對比分析，新型斧形齒PDC鉆頭較常規齒平均單趟進尺提高144.1%，單趟最大進尺提高44.3%，平均機械鉆速提高73.5%，鉆井日效率提高82.7%。新型斧形齒PDC鉆頭提速效果明顯[6]。

PY34-1氣田斧型齒鉆頭使用情況如表2所示。

PY34-1氣田12-1/4″井段鉆頭數據對比如表3所示。

表2 PY34-1氣田斧型齒鉆頭使用情況

表3 PY34-1氣田12-1/4″井段鉆頭數據對比

3 結語

斧型齒PDC鉆頭在保證了鉆頭良好的切削能力的同時也增加了鉆頭的抗研磨性，提高了鉆頭的機械效率和壽命。說明斧型齒PDC鉆頭對番禺34-1地層有較強適應性。

番禺34-1氣田下部高研磨性地層機械鉆速雖有提升仍然有待提高，可以考慮加入提速工具如超級馬達、水力振蕩器等工具，進一步增加硬地層鉆頭切削效率，減小鉆頭磨損實現一趟鉆完成12-1/4″井段。