PDC鉆頭在北京地區(qū)勘探井中的應(yīng)用研究

張建良

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048）

PDC鉆頭在北京地區(qū)勘探井中的應(yīng)用研究

張建良*

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048）

PDC鉆頭常用在第三系地層中鉆進(jìn)，但在基巖地層中使用較少，主要研究北京勘探井中使用PDC鉆頭，不改變現(xiàn)有設(shè)備條件，分別采用牙輪鉆頭和PDC鉆頭，進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了PDC鉆頭的試驗(yàn)效果，為今后PDC鉆頭在北京勘探井中的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

PDC鉆頭；鉆進(jìn)效率；存在的問(wèn)題

目前常規(guī)的施工工藝一般采用牙輪鉆頭施工，鉆進(jìn)效率低、周期長(zhǎng)，如何提高鉆進(jìn)效率，是我們必須面對(duì)的主要問(wèn)題。之所以在北京地區(qū)施工勘探井過(guò)程中試驗(yàn)PDC鉆頭，主要是因?yàn)椴桓淖儸F(xiàn)有的設(shè)備前提下，只需購(gòu)置PDC鉆頭，而不用增添其他新的器具，試驗(yàn)成本低，不影響生產(chǎn)，是比較快捷的一種試驗(yàn)方式，通過(guò)試驗(yàn)確定PDC鉆頭在北京適應(yīng)的地層，另外在同一地層鉆進(jìn)中，牙輪鉆頭和PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率是不同的，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，找出PDC鉆頭鉆進(jìn)效率特點(diǎn)。

1 PDC鉆頭國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

PDC鉆頭最早從國(guó)外引進(jìn)，英文：Polycrystalline Diamond Compact聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡(jiǎn)稱，PDC是大寫首字母的縮寫。是石油鉆井行業(yè)常用的一種鉆井工具。

在國(guó)內(nèi)牙輪鉆頭使用的比較普遍，PDC鉆頭在全國(guó)一些地區(qū)已經(jīng)使用了，取得了相當(dāng)不錯(cuò)的效果，在鉆進(jìn)參數(shù)的選擇、鉆頭型號(hào)的選擇方面，也有了較成熟的經(jīng)驗(yàn)。最初，PDC鉆頭只能被用于軟巖地層中，原因是硬的巖石夾層會(huì)損壞鉆頭。在過(guò)去的幾年間，由于新技術(shù)的出現(xiàn)以及結(jié)構(gòu)的變化，PDC切削齒的質(zhì)量和類型都發(fā)生了巨大的變化，特別是混合工藝與制造工藝的變化，使當(dāng)今的切削齒的質(zhì)量性能比原初期要好得多，如鉆頭的抗沖蝕以及抗沖擊能力都大為提高，因此目前根據(jù)資料介紹PDC鉆頭已能夠用于鉆硬夾層和長(zhǎng)段的硬巖地層了。PDC鉆頭正越來(lái)越多地為人們所選用，特別是隨著PDC切削齒質(zhì)量的不斷提高，這種情況越發(fā)凸顯。

2 PDC鉆頭的野外生產(chǎn)試驗(yàn)

在西山楓林勘探井進(jìn)行PDC鉆頭試驗(yàn)，該井位于北京市石景山區(qū)西山楓林東南，設(shè)計(jì)孔深1800m，取奧陶系灰?guī)r裂隙水。施工鉆機(jī)為ZJ-15型鉆機(jī)。

2.1 鉆孔設(shè)計(jì)

該井設(shè)計(jì)深度1800m，井身結(jié)構(gòu)分三徑，具體見表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)

2.2 ?216mm井段試驗(yàn)

試驗(yàn)在?216mm井段中進(jìn)行，從開孔170.01～472.11m，采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，共用了2只牙輪鉆頭，純鉆時(shí)間248h10min，進(jìn)尺302.1m，平均時(shí)效1.22m/h。

（1）第一次PDC鉆頭試驗(yàn)。1月16日開始進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)井深472.11m，鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓3～5t，泵量23.5L/s，轉(zhuǎn)速64r/min。鉆進(jìn)時(shí)間134h50min，進(jìn)尺259.03m，平均效率1.92m/h。提鉆檢查鉆頭，發(fā)現(xiàn)除了掉一粒復(fù)合片外，其他復(fù)合片完整。但是金剛石復(fù)合片刃部銳角磨圓，感覺棱角不鋒利，不易吃入地層，故效率明顯降低。

（2）第二次PDC試驗(yàn)。這次下入8刀的二手PDC鉆頭，鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓4～5.5t，轉(zhuǎn)速64r/min，泵量15.5L/s。

因供電不足問(wèn)題，被迫將泥漿泵的缸套直徑由160mm變?yōu)?30mm，造成泵量降低。鉆進(jìn)深度731.14～849.22m，進(jìn)尺118.08m，純鉆時(shí)間127h50min，平均鉆進(jìn)效率0.92m/h。提鉆后發(fā)現(xiàn)PDC鉆頭部分金剛石復(fù)合片已經(jīng)磨損。

（3）第三次PDC鉆頭試驗(yàn)。將第一次使用的5刀PDC鉆頭送廠家進(jìn)行了第一次返修，然后繼續(xù)下入井內(nèi)。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓2.5～6t，轉(zhuǎn)速64r/min，泵量15.5L/s。鉆進(jìn)深度849.22～1012.78m，進(jìn)尺163.56m，純鉆時(shí)間128h，平均時(shí)效1.28m/h。提鉆檢查，發(fā)現(xiàn)PDC鉆頭部分金剛石復(fù)合片已經(jīng)磨損。

（4）第四次PDC鉆頭試驗(yàn)。由于PDC鉆頭送廠家返修需要時(shí)間，因此用牙輪鉆頭鉆進(jìn)至1172.46m，然后才使用第二次返修的PDC鉆頭。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓2～5.5t，轉(zhuǎn)速64r/min，泵量15.5L/s。井深1172.46～1386.24m，進(jìn)尺213.78m，純鉆時(shí)間122h，平均效率1.75m/h。提鉆檢查，發(fā)現(xiàn)PDC鉆頭部分金剛石復(fù)合片已經(jīng)磨損。

2.3 ?152mm井段試驗(yàn)

目的層鉆進(jìn)時(shí)，口徑為?152mm井段，使用了一只新的4刀PDC鉆頭。鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓2～3t，轉(zhuǎn)速64r/min，泵量11L/s。進(jìn)尺363.63m，純鉆時(shí)間144h50min，平均效率2.51m/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

終孔后對(duì)這次試驗(yàn)所使用的PDC鉆頭進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，情況見表2。

表2 PDC鉆頭使用情況統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，從472.11～1012.78m，1172～1386.24m，地層為砂巖，這兩段共計(jì)754.91m，用了4個(gè)PDC鉆頭，純鉆時(shí)間657.49h，鉆進(jìn)效率1.15m/h。在灰?guī)r地層，1個(gè)PDC鉆頭可鉆進(jìn)363.63m，鉆進(jìn)效率為2.51m/h。西山楓林勘探井從173.62～472.11m，施工口徑為?216mm，地層為砂巖，采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，共使用了2個(gè)牙輪鉆頭。我們把牙輪鉆頭和PDC鉆頭的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 ?216mm（8-1/2″）鉆頭效率對(duì)比統(tǒng)計(jì)

從表3中可以看出，2個(gè)牙輪鉆頭共鉆進(jìn)298.49m，而一個(gè)PDC鉆頭就鉆進(jìn)了259.03m，PDC鉆頭的平均時(shí)效也遠(yuǎn)大于牙輪鉆頭。

井斜問(wèn)題。由于是第一次試驗(yàn)PDC鉆頭，不知道是否容易造成井斜，因此在施工工程中專門進(jìn)行了物探測(cè)井，通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析，井斜在技術(shù)要求范圍內(nèi)，因此采用PDC鉆頭不會(huì)造成井斜。

4 PDC鉆頭在使用中注意事項(xiàng)及存在的問(wèn)題

4.1 PDC鉆頭使用注意事項(xiàng)

4.1.1 地層

PDC鉆頭對(duì)地層巖性的變化是很敏感的。最優(yōu)的鉆井參數(shù)是隨鉆遇巖層的變化而變化的。

PDC鉆頭主要應(yīng)用于軟至中硬地層的鉆進(jìn)，最為高效安全，鉆頭鉆井過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的巖屑。當(dāng)PDC鉆頭鉆遇硬研磨性?shī)A層時(shí)，其切削齒的磨損將隨著轉(zhuǎn)速和鉆壓的增加而加劇。為延長(zhǎng)鉆頭壽命，這類地層推薦使用的小參數(shù)。

4.1.2 使用中注意事項(xiàng)

（1）當(dāng)鉆頭通過(guò)套管鞋以及尾管懸掛器時(shí)應(yīng)特別謹(jǐn)慎、緩慢，以避免對(duì)鉆頭造成損傷。

（2）在已出現(xiàn)縮徑的井段以及狗腿彎嚴(yán)重的井段應(yīng)謹(jǐn)慎、緩慢地通過(guò)。

（3）盡可能避免用PDC鉆頭劃眼。較短的井段需要?jiǎng)澭鄣膽?yīng)采用小鉆壓（約1～2t）、適中的轉(zhuǎn)速以及最大的排量。

（4）卸下的鉆頭應(yīng)放置在木板或其它軟的墊板上，不允許直接將鉆頭工作面向下立置在鋼質(zhì)的鉆臺(tái)上。鉆遇下列情況的時(shí)候，應(yīng)考慮提鉆進(jìn)行檢查：

（1）有連續(xù)憋鉆現(xiàn)象，且沒(méi)有進(jìn)尺或進(jìn)尺很慢。

（2）泵壓明顯上升，進(jìn)尺較慢。

（3）巖性變化不大，但機(jī)械鉆速和轉(zhuǎn)盤扭矩明顯降低。

4.2 PDC鉆頭存在的問(wèn)題

通過(guò)試驗(yàn)，PDC鉆頭存在以下問(wèn)題：

（1）PDC鉆頭工作過(guò)程中，相較于牙輪鉆頭扭矩大，易憋鉆，這就對(duì)鉆具的要求進(jìn)一步提高。

（2）鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑細(xì)，泥漿二級(jí)凈化系統(tǒng)不能很好地將巖屑清除，使泥漿中有害固相含量增加，泥漿比重增大，降低了缸套、活塞以及閥與閥座等泵件的使用壽命。

（3）PDC鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，中心齒相對(duì)線速度低，冷卻環(huán)境相對(duì)較差，容易損壞，減低了鉆頭的單次使用壽命。

（4）機(jī)臺(tái)配備的泥漿泵排量對(duì)PDC鉆頭來(lái)講偏小。

（5）PDC鉆頭的金剛石復(fù)合片或胎體如果崩落孔內(nèi)，對(duì)下一步鉆進(jìn)會(huì)有影響。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)PDC鉆頭試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）PDC鉆頭在井下工作時(shí)間長(zhǎng)，減少提下鉆次數(shù)，減少輔助時(shí)間，縮短成井周期，在適宜地層效率高于牙輪鉆頭。

（2）PDC鉆頭對(duì)地層比較敏感，具有適應(yīng)性，在石景山地區(qū)，砂巖、灰?guī)r中可以使用，其他地區(qū)需要進(jìn)一步試驗(yàn)。

（3）鉆進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，影響PDC鉆頭鉆進(jìn)效率。

（4）如果購(gòu)置螺桿鉆具，和PDC鉆頭匹配，效果會(huì)更好。

[1]張建良.PDC鉆頭專題研究報(bào)告[R].北京市地質(zhì)工程勘察院，2013.

P634.4

B

1004-5716(2015)05-0057-03

2014-04-25

張建良（1971-），男（漢族），河北高邑人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水文水井、地?zé)峋@探新工藝、新技術(shù)研發(fā)工作。