勝利油田東營北帶砂礫巖體PDC鉆頭個性化設計與應用

劉天科 劉成貴 劉湘華 李文明 路 峰 李延偉（勝利石油管理局黃河鉆井總公司，山東東營 257064）

引用格式： 劉天科，劉成貴，劉湘華，等.勝利油田東營北帶砂礫巖體PDC鉆頭個性化設計與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：63-67.

勝利油田東營北帶砂礫巖體PDC鉆頭個性化設計與應用

劉天科 劉成貴 劉湘華 李文明 路 峰 李延偉
（勝利石油管理局黃河鉆井總公司，山東東營 257064）

引用格式： 劉天科，劉成貴，劉湘華，等.勝利油田東營北帶砂礫巖體PDC鉆頭個性化設計與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：63-67.

摘要：針對勝利油田東營北帶豐深1與鹽227區(qū)塊沙四下砂礫巖體地層巖石研磨性強、可鉆性差、機械鉆速低、鉆頭壽命短的技術難題，開展了旋流PDC鉆頭個性化設計與應用研究。通過室內(nèi)實驗，優(yōu)選出了適合該地層特點的PDC切削齒類型；通過電腦模擬，優(yōu)化了鉆頭的冠部輪廓、切削結構和切削齒后傾角設計；研制出旋轉射流噴嘴，設計并試制了水力與機械聯(lián)合破巖的新型PDC鉆頭。在豐深1-平1井的砂礫巖體地層中進行了鉆井試驗，與其他類型PDC鉆頭相比，機械鉆速提高了46.8%，單只鉆頭進尺提高了69.6%；與牙輪鉆頭相比，機械鉆速提高了48.1%，單只鉆頭進尺提高了156.5%。在鹽227井工廠砂礫巖體井段推廣應用也取得了明顯的提速效果，機械鉆速提高26%，平均單只鉆頭進尺提高102 m。研究成果對PDC鉆頭個性化設計具有一定的借鑒意義，對硬的強研磨性地層鉆井提速具有推廣應用價值。

關鍵詞：砂礫巖體；PDC鉆頭；個性化設計；旋轉射流；切削齒

有效動用豐深1區(qū)塊和鹽227區(qū)塊砂四下砂礫巖體的致密氣藏是勝利油田2012年、2013年非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重點工作內(nèi)容之一。豐深1和鹽227區(qū)塊砂四下砂礫巖體地層同屬東營北帶砂礫巖體，地層可鉆性基本一致。根據(jù)豐深1井取心資料和巖屑錄井資料分析，砂礫巖體為中–厚層、中–細礫巖、礫狀砂巖、中–細砂巖為主的砂礫巖體組合。由于埋藏深，巖石結構致密，鈣質(zhì)膠結強度高，因此硬度大，巖石可鉆性差，研磨性強，機械鉆速低，鉆頭壽命短，鉆井難度大。據(jù)豐深1井統(tǒng)計，在該層段，HJT537G牙輪鉆頭平均進尺25.22 m，平均機械鉆速0.57 m/h。PDC鉆頭的平均進尺20.39 m，平均機械鉆速0.25 m/h。由此可見，如何提高豐深1區(qū)塊砂礫巖體地層的鉆井速度，提高鉆頭壽命，是亟待解決的技術難題。

在定量分析豐深1砂礫巖體地層的抗鉆特性的基礎上，開展了高效破巖PDC鉆頭的個性化設計研究，研制出水力與機械聯(lián)合破巖的新型PDC鉆頭，在豐深1-平1井和鹽227井工廠的砂礫巖地層取得了較好的使用效果。

1　豐深1區(qū)塊砂礫巖體地層特性分析

通過收集豐深1井的測井資料，利用“地層可鉆性分析與鉆頭選型數(shù)據(jù)庫軟件”對豐深1砂礫巖地層的抗壓強度、巖石可鉆性和研磨性進行了計算分析，得出豐深1區(qū)塊的砂礫巖地層的平均巖石可鉆性級值為6.56，最高達7.5；平均抗壓強度為179.9 MPa，最高達275 MPa；平均巖石研磨性指數(shù)為7.23，最高達9.5；平均巖石內(nèi)摩擦角為44.27°，最高達55°。巖石抗壓強度高，可鉆性差，研磨性強，屬于典型的難鉆地層。

2　 適應該區(qū)塊地層特點的PDC鉆頭個性化設計

PDC鉆頭是一種高效的剪切破巖鉆頭，在軟到中硬的地層中，相比牙輪鉆頭，鉆進速度快，單只鉆頭進尺高。但在硬的、強研磨性和沖擊性較強的砂礫巖地層中，PDC鉆頭使用壽命短，平均機械鉆速低，使用效果差。PDC鉆頭在這種地層中損壞的主要形式為沖擊損壞和研磨損壞，具體為鉆頭肩部和靠近保徑部位的切削齒先受到?jīng)_擊崩損，金剛石層脫落，在后續(xù)的鉆進中由于沒有了耐磨的金剛石層，鉆頭會很快磨損，提前報廢，而且經(jīng)常發(fā)生鉆頭基體磨損嚴重的現(xiàn)象，如圖1所示。

因此要使PDC鉆頭能夠在砂礫巖地層中取得較好的使用效果，必須針對這種地層特點進行PDC鉆頭的優(yōu)化設計。包括鉆頭的冠部輪廓結構設計、切削齒選擇、切削結構設計和力平衡設計等方面。

圖1　 普通PDC鉆頭損壞形式

2.1 冠部輪廓結構設計

根據(jù)研究經(jīng)驗，PDC鉆頭的冠部輪廓可以劃分為淺錐、雙錐和拋物線形3種形式，但是各種不同的冠部輪廓結構究竟適合于什么樣的地層中鉆進能夠取得最好的使用效果，目前并沒有統(tǒng)一的認識，再加上由于鉆頭在鉆進中需要鉆穿多套不同的地層巖性，因此對于鉆頭的冠部輪廓的選擇基本都是依靠鉆頭設計者的經(jīng)驗和實驗室數(shù)據(jù)。本研究是針對東營北帶沙四下的砂礫巖體進行的PDC鉆頭設計，其冠部輪廓結構主要考慮的是提高PDC鉆頭在該類型地層中的穩(wěn)定性，通過計算機模擬對PDC鉆頭的冠部輪廓進行優(yōu)化設計，最終確定鉆頭的冠部輪廓結構為淺內(nèi)錐—中短外錐的形式，因為這種冠部輪廓結構可以使得鉆頭在鉆遇硬夾層地層時具有更高的穩(wěn)定性。

2.2 切削齒尺寸和后傾角優(yōu)選

實驗研究與鉆井實踐表明［1-4］，PDC切削齒的尺寸和后傾角對PDC鉆頭的破巖效率有著重要的影響。為確定適合砂礫巖體地層的PDC切削齒的尺寸和后傾角，在可鉆性級值為7.1、抗壓強度為262 MPa的硅質(zhì)膠結的石英砂巖上進行了單齒切削試驗。試驗結果如圖2、圖3所示。

圖2　 切削齒尺寸對每轉切削深度的影響規(guī)律

圖3　 切削齒后傾角對每轉切削深度的影響規(guī)律

由圖2、圖3可以看出，直徑為16.10 mm的PDC切削齒，后傾角為10°時，破巖效率最高。因此，選用16 mm的 PDC切削齒，鉆頭內(nèi)錐及冠頂部位的切削齒后傾角設計為10°，鉆頭外錐部分切削齒后傾角設計為15°，以提高鉆頭的穩(wěn)定性。

2.3 切削齒類型

切削齒的抗沖擊性和抗研磨性是評價PDC切削齒性能的兩大技術指標，為了優(yōu)選PDC切削齒，通過調(diào)研和鉆頭使用的統(tǒng)計分析，篩選出目前抗沖擊性和耐磨性較好的5種PDC切削齒，并在實驗室內(nèi)對5種切削齒的抗沖擊性和耐磨性進行了測試，實驗結果如圖4所示。由圖4可以看出，CV -6型PDC切削齒的耐磨性最高，抗沖擊性能次之；Z3型切削齒的抗沖擊性能最好，耐磨性次之。綜合考慮，選用CV-6型PDC切削齒作為鉆頭的主切削齒。

圖4　 五種PDC齒的耐磨性和抗沖擊性實驗結果

2.4 切削結構設計

由于砂礫巖地層對鉆頭具有較強的沖擊性、容易造成PDC切削齒脫層，同時還具有較強的研磨性，雖然對鉆頭的穩(wěn)定性進行了優(yōu)化設計，對PDC切削齒進行了優(yōu)選，但是沖擊和研磨損壞在所難免，因此對鉆頭最容易損壞的肩部和靠近保徑部位的切削齒進行加密設計，提高這些部位的金剛石量對于提高鉆頭的壽命和進尺是較為重要的。因此在這些部位采用雙排甚至是3排切削齒的加密布置，如圖5所示，提高PDC鉆頭的金剛石量，增加PDC鉆頭的耐磨損性能。同時通過調(diào)整后排切削齒與前排切削齒出露高度差，可以增加鉆頭鉆進時的穩(wěn)定性，能夠減少鉆頭在上述地層鉆進時位于鉆頭肩部和規(guī)徑部位的PDC切削齒發(fā)生先期損壞，達到延長鉆頭壽命，增加鉆頭進尺的目的。而且多排切削齒PDC鉆頭鉆進時的穩(wěn)定性更好，表現(xiàn)為扭矩平穩(wěn)，定向時工具面穩(wěn)定，波動小，因此適合在定向井、大斜度井和水平井中應用。

圖5　 新型PDC鉆頭切削結構

2.5 水力結構優(yōu)化設計

為提高水力的輔助破巖作用，強化井底的水力清洗和冷卻效果，研制了葉片導流式旋轉射流噴嘴，如圖6所示。通過在鉆頭上適當部位使用旋流噴嘴代替普通噴嘴對鉆頭的水力結構進行優(yōu)化設計，利用旋流噴嘴產(chǎn)生的旋轉射流提高清洗效率和鉆進效率。旋轉射流是指鉆井液通過特殊結構的噴嘴產(chǎn)生的射流質(zhì)點沿螺旋線軌跡運動、具有三維（軸向、徑向和切向）流動速度的水射流。室內(nèi)旋轉射流鉆孔實驗表明，在軸向和橫向載荷的聯(lián)合作用下，破巖門限壓力僅為普通圓直射流的50%［5］。而且，旋轉射流沖擊面積大，波及范圍寬，切向和徑向流動速度快，與普通射流相比，具有較強的清洗和冷卻作用。在直徑為149.2 mm PDC鉆頭中，采用了2個旋轉射流噴嘴加5個普通噴嘴的噴嘴組合設計。

圖6　 旋轉射流噴嘴結構示意圖

3　現(xiàn)場試驗及使用效果分析

根據(jù)實驗分析和個性化設計方案，主要設計加工了?149.2 mm和?215.9 mm 2種尺寸的適用于強研磨性地層的旋流PDC鉆頭。根據(jù)砂礫巖體井段的井眼結構，在豐深1-平1井主要試驗應用了?149.2 mm的新型PDC鉆頭，在鹽227井工廠（鹽227-2HF、鹽227-5HF、鹽227-6HF）推廣應用了?215.9 mm的新型PDC鉆頭?，F(xiàn)場應用結果統(tǒng)計分析表明，這2種鉆頭能夠很好地適用于勝利深層致密砂巖油氣藏，對于提高機械鉆速和有效進尺發(fā)揮了重要作用，提高了鉆井效率，進一步縮短了鉆井周期。

豐深1-平1井是勝利油田民豐區(qū)塊豐深1砂礫巖構造上的一口氣藏評價井。該井從4 732 m進入主要目的層——沙四下砂礫巖體，井眼直徑為149.2 mm，井斜角77°，完鉆井深5 196 m，井斜降至69.5°。在該井共試驗了2只?149.2 mm的新型PDC鉆頭。第1只鉆頭入井深度4 958 m，起鉆深度為5 027 m，進尺69 m，純鉆時間88.5 h，機械鉆速0.78 m/h。第2只鉆頭入井深度5 027 m，起鉆深度5 095 m，進尺68 m，純鉆時間82.5 h，機械鉆速0.82 m/h。鉆具組合：?149 mmPDC鉆頭 +?127 mm（1.25°）單彎+回壓閥 +坐鍵接頭+?120 mm無磁鉆鋌+?89 mm無磁承壓鉆桿+311ST39母 +?101.6 mm鉆桿+410ST39公+?127 mm鉆桿。鉆進參數(shù)：鉆壓40 kN，轉盤轉速60 r/min，排量15 L/s，泵壓19 MPa。試驗鉆頭出井照片如圖7所示，鉆頭磨損均勻，為正常研磨性磨損。

圖7　 本研究PK6235SJ-149.2鉆頭

試驗鉆頭與同井段的其他鉆頭的使用效果對比見表1，新型PDC鉆頭與其他類型PDC鉆頭相比，平均單只鉆頭進尺提高了62.3%，平均機械鉆速提高了29%。與牙輪鉆頭相比，機械鉆速提高了17.6%，單只鉆頭進尺提高了356.7%。與鄰井（豐深1~豐深4井）牙輪鉆頭和PDC鉆頭的使用效果對比見表2。新型PDC鉆頭與牙輪鉆頭相比，平均機械鉆速提高了48.1%，平均單只鉆頭進尺提高了156.5%；與其他類型PDC鉆頭相比，機械鉆速提高了46.8%，單只鉆頭進尺提高了69.6%。

鹽227非常規(guī)井組水平段是砂礫巖，且井段長，地層研磨性極強，可挑選的鉆頭種類少，對于鉆頭、鉆具和工具磨損嚴重。個性化設計研制的高抗磨性六刀翼多排切削齒PDC鉆頭PK6156MJ在該井段較適用。在多口井試驗應用，機械鉆速較牙輪鉆頭高出26%，平均進尺提高102 m。試驗鉆頭與同井段的其他鉆頭的使用效果對比列于表3中。其中，鹽227-5HF井，該鉆頭單趟鉆進尺256 m，較同井同地層牙輪鉆頭提高80%，平均機速2.47 m/h，較同井同地層牙輪鉆頭相比提高28%；鹽227-6HF井使用2只PK6156MJ-215.9鉆頭，第1只使用井段為3 560~3 687 m，進尺127m，機械鉆速達到2.49 m/h，進尺較同井同地層牙輪鉆頭提高25%，機械鉆速較同井同地層牙輪鉆頭提高19%。第2只鉆頭，所鉆井段4 056~4 258 m，進尺202 m，機械鉆速達到3.81 m/h，進尺較同井同地層牙輪鉆頭提高138%，機械鉆速較同井同地層牙輪鉆頭提高44%。鹽227-2HF井三開第13趟鉆采用PK6156MJ鉆頭，配合使用208 mm扶正器，純鉆進時間112 h，進尺270 m，創(chuàng)造鹽227區(qū)塊砂礫巖體水平井單趟最高進尺紀錄，較牙輪鉆頭平均單只進尺110 m，進尺提高145%，機械鉆速提高21%。

綜上所述，鹽227砂礫巖體共使用旋流PDC鉆

表1　豐深1-平1井?149.2 mm井段砂礫巖體鉆頭使用情況對比

表2　 ?149.2 mmPDC旋流鉆頭與鄰井?149.2 mm鉆頭的使用效果對比

頭5只，平均單只鉆頭進尺213 m，平均單只鉆頭機械鉆速2.8 m/h，較同地層同井段其他鉆頭相比，平均單只鉆頭進尺增加102 m，平均單只鉆頭機械鉆速提高26%。

表3　?215.9 mmPDC旋流鉆頭的使用效果對比

4　結論

（1）豐深1和鹽227區(qū)塊沙四下砂礫巖體地層的平均巖石可鉆性級值為6.56，最高達7.5；平均抗壓強度為179.9 MPa，最高達275 MPa；平均巖石研磨性指數(shù)為7.23，最高達9.5，巖石強度高，可鉆性差，研磨性強。

（2）室內(nèi)研究表明16 mm尺寸的PDC切削齒能夠有效切削可鉆性為Ⅵ~Ⅶ級的砂巖地層，合理后傾角為15°左右，PDC鉆頭現(xiàn)場試驗對這一結論進行了驗證。

（3）對于抗壓強度高，沖擊性和研磨性都比較強的砂礫巖地層，對PDC鉆頭的冠部輪廓結構、切削結構優(yōu)化設計是PDC鉆頭在該地層中取得成功突破的關鍵。

（4）使用旋轉射流技術對PDC鉆頭水力設計進行優(yōu)化，可以有效降低破碎巖石的門限鉆壓，增強水力清洗與冷卻效果，達到提高機械鉆速和鉆頭壽命的目的。

參考文獻：

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（修改稿收到日期 2015-08-07）

〔編輯 薛改珍〕

Individual design and application of PDC bit
for glutenite in Shengli Oilfield in the northern zone of Dongying

LIU Tianke, LIU Chenggui, LIU Xianghua, LI Wenming, LU Feng, LI Yanwei
（Huanghe Drilling Corportion, Shengli Petroleum Administration, Dongying 257064, China）

Abstract:In view of the technical challenges like strong abrasiveness of rocks in lower glutenite formations of Shasi Section in Fengshen-1 Block and Yan-227 Block of Shengli Oilfield in the northern zone of Dongying, poor drillability, low ROP and short life of drilling bits, the individual design of rotational flow PDC bits and their application research were carried out. Through indoor experiment, the type of PDC cutting teeth suitable for such formations was selected. The design of the crown profile of the bit, its cutting structure and the caster angle of cutting teeth was optimized. A rotary jet nozzle was developed, and a new PDC bit was designed and trial-produced which breaks the rocks jointly by hydraulic and mechanical forces. A drilling experiment was conducted in glutenite formation in Ping 1-Well of Fengshen-1 Block. Compared with other types of PDC bits, its ROP is increased by 46.8%, and footage of single bit is up by 69.6%. Compared with roller bit, its ROP is increased by 48.1% and footage of single bit is up by 156.5%. Promotion and application of this bit in glutenite interval in Well Yan 227 also result in significant speeding effectiveness, for example, the ROP was up by 26% and the average footage of single bit was up by 102 m. The research findings are of some guiding significance to the individual design of PDC bits and are of promotion value for accelerating in formations with strong abrasiveness.

Key words:glutenite; PDC bit; individual design; rotary jet; cutting tooth

作者簡介：劉天科，1963年生。1988年畢業(yè)于石油大學鉆井工程專業(yè)，2000年獲中國石油大學油氣井工程碩士學位，主要從事鉆井技術管理和科研工作，教授級高級工程師，鉆井工程首席專家。電話：0546-8723652。E-mail：LTK2000@126.com。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.016

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0063 – 05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TE921+.1