庫車深部復(fù)雜礫巖地層PDC鉆頭優(yōu)化與應(yīng)用研究

郭學(xué)良，熊明勇，孫本法，聶榮國

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500；2.川慶鉆探公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000；3.西南石油大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，四川南充637001）

·石油與鉆掘工程·

庫車深部復(fù)雜礫巖地層PDC鉆頭優(yōu)化與應(yīng)用研究

郭學(xué)良*1，熊明勇2，孫本法2，聶榮國3

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500；2.川慶鉆探公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000；3.西南石油大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，四川南充637001）

庫車山前克拉蘇構(gòu)造帶地質(zhì)情況復(fù)雜，康村組下部—蘇維依組地層含大段礫石層，可鉆性差，常規(guī)PDC鉆頭不適應(yīng)該含礫地層。為此，在深入分析了區(qū)塊含礫地層物性和區(qū)塊含礫地層PDC鉆頭失效方式的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了適合于礫石層的PDC鉆頭。通過采用耐磨性和抗沖擊性較好的?16mm切削齒，中等布齒密度、肩部和鼻部雙排齒設(shè)計(jì)，冠部形狀采用淺錐和中等拋面長度設(shè)計(jì)，保證鉆頭具有較好的攻擊性和抗沖擊性。優(yōu)化設(shè)計(jì)出的?333.4mmPDC鉆頭在KS和DB區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，直接鉆穿吉迪克組含礫地層，與鄰井同層段鉆井?dāng)?shù)據(jù)相比，KS區(qū)塊鉆頭單只進(jìn)尺和機(jī)械鉆速分別提高194.02%和182.25%，DB區(qū)塊鉆頭單只進(jìn)尺和機(jī)械鉆速分別提高329.5%和216%。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的PDC鉆頭在該區(qū)塊礫石層中使用效果良好，適合于該地層。

PDC鉆頭；礫石；庫車山前；鉆頭設(shè)計(jì)；抗沖擊性

1 概述

庫車山前克拉蘇構(gòu)造帶地質(zhì)情況復(fù)雜，康村組下部—蘇維依井段含大段礫石層，研磨性強(qiáng)可鉆性差?，F(xiàn)有PDC鉆頭，主要通過采用肩部雙排齒設(shè)計(jì)和增加減震齒等方法[1,6]，來應(yīng)對(duì)礫石層對(duì)鉆頭的損害。但此類鉆頭在該區(qū)塊應(yīng)用效果差，鉆頭機(jī)械鉆速低，鼻部易損壞、磨損嚴(yán)重，單只進(jìn)尺短等問題。因此在該區(qū)塊鉆井過程中，不得不更換牙輪鉆頭鉆穿礫石層，再使用PDC鉆頭鉆進(jìn)，這樣不僅浪費(fèi)了大量的時(shí)間，同時(shí)也增加了鉆井成本。針對(duì)這一問題，在分析了該地層礫石層物性和PDC鉆頭損壞形式的基礎(chǔ)上，對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了適合該地層的PDC鉆頭，并在DB和KS區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

2 礫石層物性及巖石力學(xué)特征分析

克拉蘇構(gòu)造帶位于塔里木盆地庫車坳陷，該區(qū)域康村組以中厚—厚層狀褐色泥巖、灰褐色泥巖與淺灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖、褐灰色粉砂巖呈不等厚—略等厚互層，局部夾中厚層雜色砂礫巖、含礫砂巖。該層礫石成分以變質(zhì)巖為主，其次為火成巖塊，偶見石英礫、呈棱角狀；吉迪克組為薄—巨厚層狀褐灰、淺灰色灰質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、含礫粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與薄—巨厚層狀褐色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖、褐灰色含礫細(xì)砂巖呈略等厚互層。該層礫石成分以變質(zhì)巖、火成巖塊為主，偶見石英礫、呈次棱角狀。礫巖顆粒間膠結(jié)致密，有少量微裂縫，不存在粘土型礦物，呈鈣質(zhì)膠接，膠接強(qiáng)度高[2]。

根據(jù)測井解釋及實(shí)驗(yàn)室測定分析，該區(qū)域康村組下部及吉迪克組抗壓強(qiáng)度最高達(dá)32000psi，平均15000psi；內(nèi)摩擦角最大為46°，平均為39.5°；PDC鉆頭可鉆性級(jí)值在3.06～6.28。地層軟硬互層，可鉆性差，同時(shí)礫石中含石英顆粒，研磨性強(qiáng)，破碎難度較大，易導(dǎo)致鉆壓波動(dòng)和跳鉆現(xiàn)象的發(fā)生。另外該區(qū)塊地層傾角大平均40°，地層自然造斜能力強(qiáng)，井斜控制難度大。

3 礫地層PDC鉆頭優(yōu)化研究

3.1 礫石地層中PDC鉆頭主要失效形式

含礫地層中由于礫石顆粒的存在，使得地層非均質(zhì)性強(qiáng)。鉆井過程中容易發(fā)生憋跳現(xiàn)象，從而導(dǎo)致切削齒受到較大的沖擊載荷，造成PDC鉆頭刀翼鼻部和肩部的齒蹦齒或復(fù)合片的剝落[4-5]。由于切削齒的蹦齒和復(fù)合片的剝落，使鉆頭失去部分或全部的切削能力，導(dǎo)致鉆頭過早的失效。圖1是KS2-2-5吉迪克組PDC鉆頭出井照片。

圖1 PDC鉆頭磨損情況

由圖1可以清晰地看出該鉆頭出現(xiàn)了嚴(yán)重的沖擊破壞，切削齒蹦齒嚴(yán)重，復(fù)合片大塊剝落；切削齒的基底碳化鎢部分也迅速磨損斷裂，且基底碳化鎢磨損面平整，說明地層有較強(qiáng)的研磨性。因此，PDC鉆頭在庫車山前含礫地層的失效形式主要是復(fù)合片受到較大的沖擊載荷，導(dǎo)致切削齒蹦齒或者切削齒上的金剛石復(fù)合片掉落，造成鉆頭的先期損壞。使得鉆頭在該研磨性地層中快速磨損，機(jī)械鉆速迅速降低，鉆頭進(jìn)尺短。

3.2 PDC鉆頭優(yōu)化結(jié)果

該區(qū)塊含礫地層埋深在3000m以上，地層壓實(shí)作用強(qiáng)、膠結(jié)強(qiáng)度高，可鉆性差，地層傾角大，因此在優(yōu)化PDC鉆頭時(shí)，要兼顧提速、抗沖擊性以及鉆頭的穩(wěn)定性等方面的因素，以保證鉆頭安全平穩(wěn)的在礫石層中快速鉆進(jìn)。因此，進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)：（1）采用?16mm高抗研磨性和抗沖擊性強(qiáng)的復(fù)合片，選擇中等布齒密度，保證低鉆壓下切削齒單齒比鉆壓適中，從而保證攻擊性的同時(shí)保護(hù)切削齒[1,3]。（2）在鼻部和肩部主切削齒后面增加后排齒[6-7]，主切削齒高度略高于輔助齒12mm，輔助齒在鉆遇礫石產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，可以有效地限制主切削齒吃入深度，同時(shí)承擔(dān)部分沖擊載荷，平衡軸向鉆壓，減少鉆頭的振動(dòng)，降低PDC鉆頭主切削齒金剛石層蹦裂幾率，有效地保護(hù)主切削齒，使主切削齒可以保持長時(shí)間的鋒利，以保證機(jī)械鉆速。另外，當(dāng)主切削齒磨損1～2mm后，輔助切削齒開始切削巖石，有利于提高鉆頭的壽命。（3）采用3主3副刀翼設(shè)計(jì)，保證鉆頭的平穩(wěn)工作。（4）冠部形狀采用淺錐和中等拋面長度設(shè)計(jì)，淺錐使鉆頭兼具一定的穩(wěn)定性和攻擊性；而中等拋面長度保證了鉆頭的側(cè)向切削能力，有助于防斜，同時(shí)增加了鼻部和肩部布齒數(shù)量，有利于延長鉆頭在研磨性地層的使用壽命[8]。

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)優(yōu)化方式設(shè)計(jì)的鉆頭，在大北克深區(qū)塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在各區(qū)塊均取得了比較理想的效果。

KS區(qū)塊吉迪克組含3套礫巖，可鉆性極差，對(duì)鉆頭的沖擊破壞特別明顯，鄰井該層位耗費(fèi)鉆頭的數(shù)目在3～5只，嚴(yán)重制約著整體鉆進(jìn)效率，針對(duì)這一難題，根據(jù)鉆頭設(shè)計(jì)思路，在KS2-2-5井吉迪克組深部礫石層實(shí)驗(yàn)鉆頭FX65D，該鉆頭采用XJDBS的優(yōu)質(zhì)切削齒，具有極好的抗沖擊性，并配合雙排齒設(shè)計(jì)，鉆頭耐磨性高，獲進(jìn)尺305.30m，機(jī)速3.50m/h。圖2是同區(qū)塊該地層平均使用鉆頭個(gè)數(shù)、平均機(jī)械鉆速、平均使用時(shí)間和平均進(jìn)尺與該井對(duì)比情況。

從圖2可以看出該井?dāng)?shù)據(jù)與同區(qū)塊同地層數(shù)據(jù)相比，鉆頭使用數(shù)量大大減少，機(jī)械鉆速同比提高182.25%，該層段耗時(shí)比平均用時(shí)減少70.08%，鉆頭單只進(jìn)尺增加194.02%。通過對(duì)比分析可知，該實(shí)驗(yàn)鉆頭在吉迪克組成功應(yīng)用，成功解決了該地層鉆速慢、機(jī)械鉆速低的問題。

考慮到DB區(qū)塊吉迪克組含礫地層，可鉆性差，在DB208井自康村組頂部—蘇維依組底部試驗(yàn)3只MM65、Msi616、FX65DX鉆頭,表1是3只鉆頭的使用情況。

從表1可以看出，3只鉆頭均取得了較好的機(jī)械鉆速，在進(jìn)入吉迪克組中下部后，由于可鉆性變差，機(jī)械鉆速有一定的下降，但與鄰井相比始終保持較高的機(jī)械鉆速，圖3是該井與同區(qū)塊同層段井鉆頭平均進(jìn)尺、機(jī)械鉆速對(duì)比圖。

由圖3可知，該井平均單只進(jìn)尺相比DB204同層段提高499%，相比DB205同層段提高160%，平均提高329.5%；平均機(jī)械鉆速相比DB204同井段提高313%，相比DB205同井段提高119%，平均提高216%。說明根據(jù)優(yōu)化思路設(shè)計(jì)出來的鉆頭，在該區(qū)塊康村組—蘇維依組成功應(yīng)用，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

5 結(jié)論

（1）依據(jù)地層物性和鉆頭損壞特征，優(yōu)化設(shè)計(jì)出的鉆頭在山前深部含礫地層取得了較好的應(yīng)用效果，成功解決了康村組下部—蘇維依組地層機(jī)械鉆速慢、單只鉆頭進(jìn)尺短的問題。同時(shí)，由于機(jī)械鉆速的加快和起下鉆的減少，避免了裸眼井段長時(shí)間浸泡在鉆井液中，減少了井下復(fù)雜事故。

（2）設(shè)計(jì)的鉆頭在KS區(qū)塊應(yīng)用，與同區(qū)塊同層段數(shù)據(jù)相比，單只鉆頭機(jī)械鉆速提高182.25%，進(jìn)尺增加194.02%；同樣在DB區(qū)塊，實(shí)驗(yàn)鉆頭數(shù)據(jù)與同區(qū)塊同層段鉆頭數(shù)據(jù)相比，單只機(jī)械鉆速提高216%，進(jìn)尺增加329.5%，提速效果非常明顯。

圖2 KS2-2-5與區(qū)塊均值對(duì)比

表1 康村組—蘇維依組鉆頭使用情況

（3）觀察鉆頭出井情況，其主切削齒有輕微的磨損，屬于正常磨損的范圍，說明鼻部和肩部采用雙排齒設(shè)計(jì)以及使用優(yōu)質(zhì)切削齒，能夠有效防止PDC鉆頭在礫石層鉆進(jìn)過程中的蹦齒現(xiàn)象，保護(hù)了主切削齒的正常工作。

圖3 DB208與同區(qū)塊井對(duì)比圖

[1]蔣金寶.山前構(gòu)造礫石層大尺寸鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場試驗(yàn)[J].石油鉆探技術(shù),2013,41(4):69-72.

[2]王延民,梁紅軍,李皋，等.塔里木DB區(qū)塊礫石層特征及對(duì)優(yōu)快鉆井影響[J].新疆地質(zhì),2012,30(1):113-115.

[3]劉志鵬,曾恒,周學(xué)軍，等.適用于特定地層的PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)[J].天然氣工業(yè),2013,33(3):59-62.

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[8]楊慶理.復(fù)雜地層PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[D].山東東營:中國石油大學(xué)（華東）,2007.

PDC Bits Optimization andApplication in Depth of Kuqa Complex Conglomerate Formations

GUO Xue-liang1,XONG Ming-yong2, SUN Beng-fa2,NIE Rong-guo3

(1.Oil Engineering College,Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500,China;2.Tarim Engineering Company Chuanqin Drilling Corporation,Kurle Xinjiang 841000,China;3. Application Technology College,Southwest Petroleum University, Nanchong Sichuan 637001,China)

The Kelasu piedmont structure belt in front of the Kuqa Mountains have very complex geological environment,where contains thick gravel layers from the bottom of Kangcun to Suweiyi formation,is hard for drilling,so the conventional PDC bit is unsuitable for this gravel layer.Basis on analyzing physical nature of the gravel layer and the characteristics of invalid PDC bit in the gravel layer,the suitable PDC bit for the gravel layer has been designed.By using 16mm abrasion-proof and shock resistance cutters,mid density cogging distribution,double-row cogging on shoulder and nose,crown adopting shot crone and medium parabolic,ensure that the bit have well performance on attack and shock resistance.The designed 333.4mm PDC bits has been tested in KS and DB area.Compared with adjacent well,footage and penetration speed of single bit in KS area has rose by 194.02%and 182.25%,footage and penetration speed of single bit in DB area has rose by 329.5%and 216%.The test results show that the designed PDC bits are well used in the gravel layer block and suitable for the formation.

PDC bit；gravel；Kuqa piedmont；bit design；shock resistance

TE921

A

1004-5716(2015)03-0034-04

2014-08-25

郭學(xué)良（1989-），男（漢族），四川內(nèi)江人，西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：特殊工藝井鉆井技術(shù)與井壁穩(wěn)定性研究。