側鉆井PDC 鉆頭與螺桿鉆具優化匹配

吳殿友，張俊虎，王 斌，張巨翼，任根利，高陶虎

（1.渤海裝備鉆井裝備公司，天津 300280；2.渤海鉆探第三鉆井分公司，天津 300280；3.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

目前小尺寸螺桿鉆具使用中存在動力不足、機械效率低、事故率高等問題。小規格側鉆鉆頭常規多使用單牙輪鉆頭、巴拉斯雙心鉆頭，但存在壽命短、機械鉆速慢等問題。隨著PDC（Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金剛石復合片鉆頭）的發展，目前也應用到開窗側鉆工況中，但常規通用PDC 鉆頭在這種工況下使用時也存在機速偏低、成本高等問題。

國內同時具備螺桿鉆具和PDC 鉆頭生產和研發能力的廠家較少，具備螺桿鉆具+PDC 鉆頭匹配性研究的更少。小尺寸螺桿鉆具+PDC 鉆頭生產加工較大規格的鉆具存在一定難度，一般廠家較少投入研發。

1 作業工況

內蒙古蘇里格地區開窗側鉆井水平段長度一般為600～800 m，目的層為盒8 下段，主要以砂巖為主，部分井段為泥質砂巖，大多數地層可鉆性比較好，部分地層石英含量可達70%以上，研磨性比較強，對鉆頭破壞性比較大。由于側鉆井井眼尺寸及井型特點及小規格側鉆PDC 鉆頭和螺桿鉆具自身特性，在這種工況下使用時鉆頭與螺桿鉆具參數容易不匹配，不能發揮各自的性能，影響鉆進效率。

2 側鉆井PDC 鉆頭及螺桿鉆具匹配使用

側鉆井經過開窗修窗作業后開始進行鉆進，根據地層特點及鉆具組合，選擇118SD3531H、118SD3432 型PDC 鉆頭和5LZ95X7Y-I、5LZ95X7Y-I 型螺桿鉆具進行配合使用。

2.1 鉆頭設計參數

（1）118SD3531H 鉆頭采用5 刀翼13 mm 復合片，攻擊性頭型，布齒1308 型復合片15 顆，采用5 個固定噴嘴單排齒設計。

（2）118SD3432 鉆頭采用4 刀翼13 mm 復合片，攻擊性頭型，布齒1308 型復合片13 顆，采用4 個固定噴嘴單排齒設計。

（3）5LZ95X7Y-I 螺桿鉆具為5～6 頭設計，3 級，鉆頭速度90～170 r/min，工作壓降2.4 MPa，最大扭矩1150 N·m。

（4）7LZ95X7Y-I 螺桿鉆具為7～8 頭設計，3 級，鉆頭速度60～145 r/min，工作壓降2.4 MPa，最大扭矩1240 N·m。

2.2 水平段鉆具組合

（1）鉆具組合：118SD3531H（118SD3432）PDC+5LZ95X7 Y-（I7LZ95X7Y-I）螺桿鉆具+扶正器+回壓凡爾+雙公接頭+無磁鉆鋌+接頭+加重鉆桿+鉆桿。

（2）鉆井參數：鉆壓3～5 t，轉速40+LZ r/min，排量4～8 L/s，泵壓18～22 MPa。

（3）泥漿性能：密度1.3 g/cm3，黏度65 s，失水2 ml。

各組合的使用數據見表1～表3。118SD3531H 鉆頭和7LZ95X7Y-I 螺桿鉆具配合使用，鉆頭進尺222～295 m，機械鉆速2.32～2.81 m/h，鉆頭出井新度90%～94%。鉆頭起出后切削齒無崩齒脫層現象，主要磨損特征為切削齒輕微磨損，磨損等級為1。機械鉆速較慢，主要由于7LZ95X7Y-I 螺桿鉆具的轉速最高只能到145 r/min 造成。更換轉速最高能達到170 r/min 的5LZ95X7Y-I 螺桿鉆具，機械鉆速提升到2.74～3.22 m/h，機速有所提升，鉆頭進尺在190～337 m，鉆頭出井新度90%左右。鉆頭起出后切削齒依然比較完整，磨損等級為1（圖1）。更換攻擊性更強的118SD3432 鉆頭與5LZ95X7Y-I 螺桿配合使用，機械鉆速進一步提升到2.9～3.33 m/h，鉆頭進尺都在200 m 以上，鉆頭出井新度83%～87%。鉆頭起出后切削齒比較完整，磨損有所增大，磨損等級為1～1.5（圖2）。

圖1 118SD3531H 鉆頭出井磨損情況

圖2 118SD3432 鉆頭出井磨損情況

表1 118SD3531H 鉆頭和7LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數據

表2 118SD3531H 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數據

表3 118SD3432 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數據

改用4 刀翼13 mm 復合片鉆頭鉆進水平段，提速比較明顯，鉆頭出井磨損有所增加，定向鉆進工具面依然穩定，造斜率達到設計要求。

3 側鉆井鉆頭和螺桿鉆具優化

根據側鉆井鉆頭的出井磨損情況和地層特點，通過調整冠部頭型、復合片尺寸、后傾角度、強化保徑、新型的布齒方式、水利優化等，提升鉆頭的穩定性、攻擊性及進尺能力（表4）。118SD6431 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數據見表5。

表4 改進前后參數對比

表5 118SD6431 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數據

118SD6431 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿鉆具配合使用，由于118SD6431 鉆頭的攻擊性和穩定的提升，進尺突破400 m，機械鉆速提升到3.96～4.49 m/h，但鉆進過程中出現憋跳情況，鉆頭出井后有個別復合片崩齒，鉆井參數、鉆井設備及地層巖性基本相同，初步推斷是鉆頭攻擊性太強，吃入地層較深，螺桿扭矩不夠造成的憋跳。

通過調整螺桿鉆具內部導程及線形等數據，采用7～8 頭設計，提升螺桿鉆具的轉速和扭矩（表6）。118SD6431 鉆頭和7LZ95×7Y-Ⅴ螺桿水平段實鉆數據見表7。

表6 改進前后參數對比

表7 118SD6431 鉆頭和7LZ95×7Y-Ⅴ螺桿水平段實鉆數據

118SD6431 鉆頭和7LZ95X7Y-V 螺桿鉆具配合使用，已經沒有憋跳的情況，鉆頭進尺435～514 m，機械鉆速提到5 m/h 以上，鉆頭出井新度為85%～91%，鉆頭起出后切削齒無崩齒脫層的現象，主要為切削齒輕微磨損，磨損等級小于1。改進后的鉆頭和螺桿鉆具配合使用，機械鉆速和進尺都有一定提升，兩趟鉆完成整個水平段的鉆進，該套鉆頭和螺桿鉆具組合能夠適用該區塊的鉆井需求。

4 結語

118SD6431 鉆頭和7LZ95X7Y-V 螺桿鉆具通過優化提升后，將二者的性能發揮到極致，避免由于單方面的因素影響鉆井效果。通過實鉆數據可以看出，兩者匹配使用取得了很好的效果，在進尺和機速方面有了很大提升，水平段可以兩趟鉆完成，達到提升鉆井效率的目的。

小井眼鉆井模式是未來的發展趨勢，通過不同PDC 鉆頭和螺桿鉆具進行組合，可以實現不同的效果，應對不同的工況，實現小井眼復雜工況的高效、安全、穩定鉆進，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，提高經濟效益，有利于老井側鉆及低滲油藏開采。科技研發項目：長慶油田套管側鉆破巖工具研制及應用（F-M00021K8）。