TUZ區塊個性化高效破巖鉆頭優選和應用

張海忠，呂曉平，李 軍，李清磊，宋宏偉

1中國石油西部鉆探國際工程公司2中國石油大學（北京）石油工程學院

0 引言

油氣鉆探中，鉆頭是鉆進地層的破巖工具，其性能優良對鉆井機械鉆速的提高起著決定性的作用，隨著鉆頭技術的飛速發展，鉆井速度也不斷提高［1］。特別是近年來，鉆頭的設計理念由過去的地層適應鉆頭轉變為鉆頭適應地層，各鉆頭生產商根據實際鉆井需要，推出滿足不同地區、不同地層的個性化鉆頭，其中個性化高效破巖PDC鉆頭在攻擊性、抗沖擊、抗研磨性及導向性等方面具有顯著優勢，對于提高機械鉆速、縮短作業周期發揮著無可比擬的優勢［2］。在東海平湖油氣田大位移定向井采用定制設計的兩只PDC鉆頭后，同比鄰井機械鉆速提高了27.29%和65.97%，同時減少了井下復雜情況發生率［3］。

但礫巖地層是PDC鉆頭的破巖禁區，目前絕大部分地區依然選擇牙輪鉆頭進行破巖。而個性化切削齒、破巖齒的出現，使PDC鉆頭在礫巖地層鉆進破巖成為了可能［4-5］。針對不同區塊的礫巖地層，眾多研究人員開展針對性的研究，研制了與地層相匹配的個性化PDC鉆頭，大港油田采用新型PDC鉆頭順利鉆穿30～120 m的礫巖層，實現了多套地層單只鉆頭“一趟鉆”工藝［6］；針對塔里木油田庫車山前致密砂巖油氣藏巨厚礫石層，個性化PDC鉆頭設計采用創新研發的多棱齒，顯著提高了抗沖擊性能，與同井段同巖性鄰井相比，單只鉆頭進尺提高150%，平均機械鉆速提高1倍［7］。因此，有針對性設計的個性化PDC鉆頭實現了礫巖破巖和一趟鉆技術，大大節約鉆井周期和降低鉆井成本。

在TUZ區塊下部地層自1 000 m持續至完井井深發育有厚度不均的砂礫巖，對常規鉆頭的使用提出嚴峻的挑戰。在以往的鉆井實踐中，常規鉆頭極易因礫石正向沖擊而造成切削齒先期損傷，進而導致機械鉆速低、鉆頭進尺少、鉆頭消耗多。鑒于此，從降低施工扭矩和鉆壓、增加巖屑導流面積、強化穩定切削和延長鉆頭工作壽命等方面考慮，開展了個性化高效破巖鉆頭優選，優選出個性化高效破巖鉆頭序列，形成了適用于TUZ區塊的高效破巖模式，為該油田區塊的后期高效勘探開發提供了一個選擇方向，具有較好的現場施工指導作用。

1 TUZ區塊特點及面臨挑戰

1.1 TUZ區塊特點

TUZ區塊下部地層礫巖、泥巖發育，砂礫巖自1 000 m持續至完井井深，厚度不均，主要以石英質和硅質泥巖、泥板巖和煤層居多，實鉆中主要以48%以上直徑大于3 mm的顆粒碎屑組成的巖石。

通過調研TUZ區塊前期已鉆井資料、地層巖性特征，對地層巖石的抗剪強度、抗壓強度、內摩擦角等巖石力學參數進行計算分析，得到了該區塊的地層巖石可鉆性分級。在該區塊下部層段（2 650 m以下）砂礫巖地層，巖石硬度在2 000～2 500 MPa之間，巖石可鉆性范圍8～10級，屬于硬-堅硬地層。

1.2 TUZ區塊前期施工難點

TUZ區塊鉆井前期所用鉆頭以牙輪鉆頭為主，但因機速低、壽命短，平均連續工作時間僅69 h，且頻繁起下鉆作業打斷鉆井作業連續性，延長了施工周期，作業成本高。特別在下部地層存在泥巖、純煤層和砂礫巖互層交替，進一步增加了地層的復雜性，地層可鉆性差，導致機械鉆速低（見表1）。已施工井下部井段平均機械鉆速低至1.8 m/h，且地層含煤豐富，坍塌風險極高，施工中容易發生井壁失穩和坍塌埋鉆惡性事故。

表1 區塊已用鉆頭情況統計

隨著鉆井深度的不斷增加，在深層區域鉆進過程中，井周巖石需要承受更大的壓力，這就讓巖石的自然裂縫以及井周整體的巖石結構出現不確定的變化，最終導致其出現形變。常規規律可知隨鉆井深度的增加，巖石的密度、硬度以及各類巖石強度都會數倍增長，導致巖石可鉆性迅速變差［8］，常規PDC鉆頭鉆進切削齒的崩損嚴重（見圖1）。

圖1 常規PDC鉆頭出井后復合片崩損嚴重

2 復合片強化和個性化PDC鉆頭優選

2.1 常規PDC鉆頭復合片失效分析

常規PDC鉆頭在礫石層鉆井過程中，因該區塊侏羅系巖石的高抗壓強度、高硬度和非均質性，對鉆頭的復合片有極強破壞性。通常表現為機械鉆速低、進尺少、起下鉆頻繁、施工成本高等［9-10］。

PDC鉆頭復合片以高硬度難熔金屬的碳化物微米級粉末為主要成分，因使用材料熱膨脹系數相差較大，導致復合片層內產生極高的殘余應力［11-12］。研究表明，鉆頭工作中因地層的各向異性和非周期性高強度沖擊作用，從而失去原始的切屑刃，該類破壞情況和復合片層內殘余應力相疊加，加快了復合片的損傷速度，影響機械鉆速。

在TUZ區塊前期使用的PDC鉆頭采用中拋物面冠部設計，鼻部、外錐到肩部采用平均密度布齒，由于最前端的切削齒（鼻部齒）在半無限體狀態下破碎巖石，所受單位面積的切削力最大，而后序切削齒由于自由面形成，所受的單位面積的切削力逐次降低，低密度布齒不能有效緩解鼻部齒單位損傷壓力，造成鉆頭先期破壞，影響機械鉆速和鉆頭進尺。

針對TUZ區塊含礫石層井段鉆進時常規PDC鉆頭金剛石復合片抗沖擊能力較差、易發生崩齒等損壞問題。結合個性化PDC鉆頭在礫石層鉆進的優勢，開展了個性化PDC鉆頭優選，針對不同井段地層巖性特征，選用了梯度硬質合金齒和個性化非平面復合片，為TMG油田TUZ區塊油氣資源高效勘探開發提供了一種新思路。

2.2 梯度硬質合金齒技術

通過控制鈷含量在硬質合金中的梯度分布，實現內韌外堅的特性，能在保持齒心部韌性不降低的前提下，提高合金齒的表層硬度。金剛石層和硬質合金基體結合界面經過特殊工藝處理，降低兩者之間的殘余應力；粉料粒度級配方設計，增強金剛石晶粒間的鍵合致密度，提升復合片抗微裂紋擴展、崩齒和碎裂的能力。梯度合金齒技術與抗沖擊性復合片技術的結合，實現了PDC鉆頭切削材料性能的匹配，延長了PDC鉆頭的使用壽命。根據不同復合片要求改變鈷含量，將硬度由普通硬質合金齒的1 290 Hv提高到梯度硬質合金齒的1 500 Hv，并且增加梯度層厚度至1 500～2 000μm，以達到梯度硬質合金齒高硬度、高耐磨性、高抗沖擊韌性及高熱穩定性的“四高”復合片特性。

2.3 梯度硬質合金齒實驗性能評估

通過室內車床模擬鉆進施工，對復合片進行耐磨性試驗和循環載荷試驗。

（1）通過耐磨性試驗分析對比含Co質量分數16%和10%的復合片工作狀態，梯度齒比普通齒耐磨性分別提高27%和34%（見圖2）。

圖2 梯度硬質合金齒耐磨性實驗對比圖

（2）通過循環載荷試驗分析對比，含Co質量分數16%和10%的復合片抗沖擊能力，梯度齒比普通齒分別提高14%和41%（見圖3）。

圖3 梯度硬質合金齒循環載荷對比圖

2.4 尖圓混合齒PDC鉆頭

尖圓混合齒PDC鉆頭采用尖形齒和圓形齒交替布齒（見圖4），該型鉆頭的尖齒在承載相同鉆壓下能快速高效吃入地層，有效突破2 221～2 462 m井段（J3Km層）和2 536～2 800 m井段（J2d層）中泥板巖地層鉆頭吃入困難。在相同壓力下，尖齒吃入地層能力更強，并利用鋒利的尖端刃口在較小的扭矩動能下就能將地層劃破。尖齒切削地層形成的“卸荷槽”同時又能有效釋放地層應力，更有利于相鄰的圓形齒快速切削和破碎地層，能有效提高鉆頭在泥板巖地層的機械鉆速。在泥巖地層鉆進時常規鉆壓下即可獲得更高的機械鉆速。

圖4 尖圓混合齒PDC鉆頭局部切削齒分布

該型PDC鉆頭的復合片采用小倒角刃口設計，小倒角復合片的刃口更加鋒利，在小鉆壓下就能迅速輕快地切削地層，施工中同鉆速對比，鉆壓可降低約45%；同鉆壓情況，扭矩降低約27%。較低的鉆頭扭矩和較小的扭矩波動，可保持井底工具運行相對平穩，同時提高鉆頭操控性，有助于工具面穩定和高效的鉆探作業。

2.5 錐形齒+三脊齒PDC鉆頭

錐形齒+三脊齒PDC鉆頭在微受損的狀態下，可替代牙輪鉆頭鉆穿含礫巖較多的3 370～4 000 m井段J1sz和J1bz層。該鉆頭特征為前排齒采用三脊齒設計，復合后排齒采用錐形齒設計，利用切削和壓碎復合破巖方式提高鉆頭破巖功率，提高機械鉆速。將主切削力由一個弧形平面轉變為大角度切削，且保持一個三脊切削線置于切削刃位置，作為鉆頭切削地層的工具線，工具線兩側增加巖屑導流面，該鉆頭集PDC的剪切破巖和牙輪的擠壓破巖功能于一身，降低切削力約30%，應對高抗強度的巖石，會起到很好的破巖效果。布齒密度選擇內錐采用低密度布齒，肩部到外錐采用高密度布齒，在不犧牲速度的同時減小單顆切削齒的切削量，提高鉆頭的抗研磨性。鉆頭冠型選擇短拋物線冠形，并讓鼻部和外肩部形成較大曲率半徑，減緩鼻部和外肩部每顆齒受力狀況，從而提高鉆頭抗沖擊能力。

這種個性化設計，由于有更厚的金剛石層、非平面設計和專有的金剛石顆粒分布混合技術，使得三脊齒也獲得了更強的抗正面沖擊能力。錐形齒相比常規圓柱形PDC復合片，可對地層施加更高的點載荷，以犁刮和剪切的復合破巖機理更高效地破碎高抗研磨性地層（見圖5）。

圖5 錐形齒及鉆頭布齒情況

錐形齒高效破巖特點是通過后排錐齒參與地層破碎，能有效分擔前排主復合片的鉆進載荷，有利于保護前排復合片，大幅度延長鉆頭使用壽命。錐形齒可使鉆頭能承受更高的鉆壓，配合井底動力鉆具，強化鉆進參數更有利于機械鉆速的提高。同時后排錐齒還分擔了前排主復合片的切削載荷，在頻繁的砂巖泥巖夾層中鉆進時，有效保護前排主復合片免受過強的沖擊載荷造成提前破壞失效。

由于錐形齒通過其中軸線施加更高的點作用力快速吃入地層，且具有良好的橫向平衡作用，鉆頭工作過程中橫向振動有效降低約53%，縱向振動有效降低約37%［13-14］，從而極大的保護和延長了鉆頭壽命，且減少了井內整套底部鉆具組合的疲勞損傷，同時降低了地層反復變化或鉆井參數調整過程中引起的扭矩差異性波動，具有更強的工具面控制能力。

正常鉆進施工中，當地層各向異性增大，非均質性較強的巖石強度變化劇烈時，鉆壓相同情況下復合片吃入巖石地層深度明顯不同，導致鉆頭齒所受沖擊力變化幅度差異巨大。研究表明地層的反復軟硬交錯是鉆頭齒崩損的重要因素，因此保持每個破巖周期內鉆頭齒的吃入深度對提升鉆頭穩定性至關重要。錐形齒作為主齒后方布置“控深結構”單元［15］，實現鉆頭在不同巖性地層中的盡量“等深吃入”，從而最終達到在復雜地層中平穩鉆進目的，因錐形齒結構簡單、性能可靠，對于長井段硬巖地層具有較好使用效果。

3 現場應用情況

在從降低施工扭矩和鉆壓、增加巖屑導流面積、強化穩定切削和延長鉆頭工作壽命等方面優選出針對不同地層的個性化高效破巖鉆頭序列：①2 221～2 800 m井段J2Kr和J2d層段，采用尖圓混合齒PDC鉆頭；②3 370～4 000 m井段J1sz和J1bz層采用錐形齒+三脊齒PDC鉆頭。

采用上述個性化高效破巖鉆頭序列在TUZ區塊開展了現場試驗，結果表明所優選個性化PDC鉆頭抗沖擊性較常規PDC鉆頭提高數倍，能大幅提高鉆頭對地層的適應能力，降低鉆頭先期破壞，提高礫石層井段鉆井速度，能夠滿足TUZ區塊下部井段提速提效的需求。

3.1 應用實例

在KET-25井、SED-60井和TUZ-33井三口井中開展現場試驗，通過改進鉆頭復合片破巖方式，實現高效破巖，有效提高了機械鉆速，大幅延長鉆頭使用壽命，提高單只鉆頭進尺。表2列出了上述3口井三開?215.9 mm的應用情況，應用井段的平均機械鉆速達到了6.54 m/h，與應用前相比提高了263%，且所優選的鉆頭穩定性良好，結合防斜鉆具組合，確保了施工井井身質量均達到設計要求。

表2 施工井指標數據統計

3.2 使用效果分析

在硬泥巖地層中選用強攻型尖圓混合齒PDC鉆頭，提高鉆頭吃入和破碎地層能力，可以突破提速瓶頸，獲得良好提速效果，鉆頭起出新度達90%（見圖6）。

圖6 尖圓混合齒鉆頭入井前后對比

錐形齒+三脊齒PDC鉆頭大幅度提高了鉆頭的抗沖擊能力，在高抗研磨性和壓實性好的礫巖層鉆進中，有很強的自我保護和快速破巖能力，在礫巖破巖方面效果明顯，且起出鉆頭基本完好，可知該型鉆頭選型合理，滿足下部井段礫石層鉆井需求（見圖7）。

圖7 錐形齒+三脊齒結構鉆頭入井前后對比

4 結論

（1）在TUZ區塊下部地層自1 000 m持續至完井井深發育有厚度不均的砂礫巖，夾雜有石英質和硅質泥巖、泥板巖和煤層，采用常規PDC鉆頭金剛石復合片抗沖擊能力較差、易發生崩齒等損壞問題。

（2）在從降低施工扭矩和鉆壓、增加巖屑導流面積、強化穩定切削和延長鉆頭工作壽命等方面優選出針對不同地層的個性化高效破巖鉆頭序列：①2 221～2 800 m井段J2Kr和J2d層段，采用尖圓混合齒PDC鉆頭；②3 370～4 000 m井段J1sz和J1bz層采用錐形齒+三脊齒PDC鉆頭。

（3）在KET-25井、SED-60井和TUZ-33井三口井中開展現場試驗，所優選的個性化PDC鉆頭有效提高了機械鉆速，在應用井段的平均機械鉆速達到了6.54 m/h，與應用前相比提高了263%，且鉆頭起出新度達90%、基本完好，滿足TUZ區塊下部井段礫石層鉆井需求。