PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)在蘇北油區(qū)的應(yīng)用

孟　鵬，邵冬冬，2，嚴(yán)　沾，蔣　濤，華祝春

(1.江蘇石油工程有限公司 鉆井處，江蘇 揚(yáng)州 225261；2.中國石化集團(tuán) 江蘇油田博士后科研工作站，江蘇 揚(yáng)州 225009)①

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PDC鉆頭復(fù)合鉆井技術(shù)在蘇北油區(qū)的應(yīng)用

孟鵬1，邵冬冬1，2，嚴(yán)沾1，蔣濤1，華祝春1

(1.江蘇石油工程有限公司 鉆井處，江蘇 揚(yáng)州 225261；2.中國石化集團(tuán) 江蘇油田博士后科研工作站，江蘇 揚(yáng)州 225009)①

摘要：為了提高蘇北油區(qū)鉆井機(jī)械鉆速，采用了PDC鉆頭多種復(fù)合鉆進(jìn)的鉆具組合方法。其中水力脈沖接頭配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井是將常規(guī)復(fù)合鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速破巖與脈沖接頭、脈沖噴嘴進(jìn)行組合，把機(jī)械能與水利能有效結(jié)合的清巖模式；在復(fù)合鉆井的高效破巖效果下，加上水力脈沖技術(shù)，可充分體現(xiàn)多重鉆井的提速作用。分析了PDC鉆頭、螺桿鉆具、脈沖接頭以及脈沖噴嘴不同的結(jié)合方式在蘇北油區(qū)的應(yīng)用，結(jié)果表明復(fù)合鉆井技術(shù)不同組合方式比常規(guī)復(fù)合鉆井平均機(jī)械鉆速提高24.44%～123.9%，取得了良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；復(fù)合鉆井；螺桿鉆具；脈沖工具

目前，蘇北油區(qū)開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入緩慢期，大量開發(fā)后形成了多斷層、構(gòu)造破碎、復(fù)雜小斷塊油藏，增加了開采難度，如何快速提高鉆進(jìn)速度成為首要任務(wù)[1-2]。PDC鉆頭配合螺桿鉆具復(fù)合鉆井技術(shù)已成為鉆進(jìn)過程的主流鉆井技術(shù)，高效的應(yīng)用效果得到了普遍認(rèn)可。在復(fù)合鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上，增加脈沖接頭與噴嘴的組合方式，是另一種高效復(fù)合鉆井技術(shù)。

脈沖射流復(fù)合鉆井技術(shù)是基于PDC鉆頭在“螺桿鉆具+轉(zhuǎn)盤鉆動(dòng)”的機(jī)械破巖與井底脈沖射流更好地?cái)y帶巖屑的水力能量相結(jié)合的一種提高機(jī)械鉆速的方法。采用多種鉆具的不同組合方法在蘇北油區(qū)的應(yīng)用是一種新的嘗試，旨在尋找更好的組合配置，提高鉆井機(jī)械鉆速。

1PDC破巖機(jī)理

PDC鉆頭主要依靠冠部來進(jìn)行巖石切削，不同于牙輪鉆頭的壓入地層，依靠牙齒縱向壓裂力破壞巖石的抗壓強(qiáng)度的破巖機(jī)理。PDC鉆頭主要是以金剛石顆粒沿著剪切面進(jìn)行切削，圖1為切屑過程示意[3-4]。破巖時(shí)主要克服巖石的抗剪強(qiáng)度，而克服巖石的抗剪強(qiáng)度比克服巖石的抗壓強(qiáng)度的破巖方式要易于進(jìn)行。

圖1　切屑過程示意

在塑脆性巖石中，在W和T的同時(shí)作用下，垂直壓力在比巖石硬度小得多的條件下，切屑刃就可以沿θ角切入巖石，使其產(chǎn)生體積破碎。巖石破碎分為3個(gè)過程：首先刃前巖石沿剪切面破碎后，T力減小，切削刃向前推進(jìn)，碰撞刃前巖石；其次在扭力T作用下壓碎前方的巖石，使其產(chǎn)生小剪切破碎，扭力T增大；最后刀翼或切削齒繼續(xù)壓擠前方的巖石(部分被壓成粉狀)，當(dāng)扭力T增大到極限值時(shí)，巖石沿剪切面破碎，然后扭力突然變小。碰撞、壓碎及小剪切、大剪切這3個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，形成破碎塑脆性巖石的全過程。

根據(jù)PDC鉆頭的破巖機(jī)理可以看出：在W鉆壓較小，在旋轉(zhuǎn)力為定量的情況下，鉆頭旋轉(zhuǎn)的速度與切削效率成正比關(guān)系，復(fù)合鉆進(jìn)中螺桿鉆具加上轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)的復(fù)合鉆井技術(shù)能增加切削巖石的速度，達(dá)到提高鉆進(jìn)速度的目的。

PDC鉆頭目前還是存在一定的局限性。適合在軟至中硬地層中使用，對(duì)于地層中存在的夾層與類似玄武巖和輝綠巖等硬度較大的地層不適合使用，會(huì)加大鉆頭金剛石顆粒的快速崩落、損壞。

金剛石顆粒單次切削破巖后，在切削表面巖石周圍具有殘余應(yīng)力，形成了巖石破碎帶，巖石產(chǎn)生裂紋從而受到了損傷。下次切削破巖時(shí)巖石的抗剪強(qiáng)度大幅降低，增加了鉆頭的使用壽命。

2PDC復(fù)合鉆井技術(shù)

PDC復(fù)合鉆井技術(shù)是以提高鉆井機(jī)械鉆速，快速鉆進(jìn)為目的。在蘇北區(qū)塊復(fù)合鉆進(jìn)方式已經(jīng)得到廣泛使用，而PDC鉆頭+螺桿的鉆具組合，配合脈沖接頭與噴嘴的鉆井技術(shù)正在完善中，在應(yīng)用中起到了良好的提速效果[5-6]。

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力的井下動(dòng)力工具，鉆井泵泵出的鉆井液流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口處形成一定壓差推動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭，達(dá)到高轉(zhuǎn)速破巖的目的。

復(fù)合鉆井技術(shù)是利用螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)鉆頭高速旋轉(zhuǎn)來提高破巖效率的一項(xiàng)技術(shù)。主要利用鉆頭高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能產(chǎn)生橫向力來剪切、磨蝕地層，其主要破巖特征在于對(duì)地層的磨蝕。

由于PDC鉆頭切削特性，形成了損傷巖石，且PDC鉆頭切削的巖屑相對(duì)體積較小，容易形成沉積以及泥包，造成鉆頭的反復(fù)切削，損傷鉆頭壽命。隨著鉆井液密度和井深的增加，液柱壓力對(duì)井底破碎出來的巖屑產(chǎn)生壓持作用，鉆頭切削出來的巖屑在壓差作用下不易離開井底，結(jié)果是在井底形成墊層。

脈沖工具配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井，能加大巖石的沖蝕，減小鉆頭切削的抗剪強(qiáng)度，利于鉆頭切割，有效地減緩鉆頭磨損[7-8]。脈沖接頭和噴嘴形成的脈沖射流能增加對(duì)巖屑的沖擊，形成脈沖渦流打散巖屑，帶動(dòng)巖屑容易返出，減少鉆頭重復(fù)切削。脈沖工具提高了射流的瞬時(shí)打擊力、有效噴射距離和射流到達(dá)井底時(shí)的水利能量，配合PDC復(fù)合鉆進(jìn)方式大幅提高了鉆井速度。

3復(fù)合鉆井技術(shù)的應(yīng)用

復(fù)合鉆井技術(shù)在蘇北油區(qū)主要應(yīng)用在軟至中硬地層。

3.1PDC+螺桿的復(fù)合鉆井方法在安豐28井應(yīng)用

安豐28井在2 146.55～2 455.00 m井段使用PDC鉆頭+螺桿(1.25°)進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)，鉆頭為M164G2D型PDC鉆頭，進(jìn)尺308.45 m，純鉆時(shí)間34.75 h，機(jī)械鉆速8.88 m/h。

鉆井參數(shù)：鉆壓40～80 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min，泵壓21 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.23 g/cm3，黏度48 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖和粉砂巖互層，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?215.9PDC鉆頭+?172單彎螺桿(1.25°)+?165浮閥+?214穩(wěn)定器+411×4A10接頭(定直)+?159無磁鉆鋌+?159螺旋鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿(斜臺(tái)階) +?127鉆桿。

安豐28井與鄰井安豐27井鉆時(shí)對(duì)比如圖2所示。安豐27井在2 337.88～2 440.00 m井段，與安豐28井巖性、鉆井參數(shù)基本相同，未使用螺桿配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井，機(jī)械鉆速為10.07 m/h；安豐28井在相同井段機(jī)械鉆速為11.58 m/h，同比機(jī)械鉆速提高了15%。

圖2　安豐28井與鄰井鉆時(shí)對(duì)比圖

3.2PDC+脈沖接頭+螺桿的復(fù)合鉆井方法在永43-3井應(yīng)用

永43-3井在2 000～2 610 m井段使用了PDC鉆頭+脈沖接頭+螺桿進(jìn)行定向鉆進(jìn)，鉆頭型號(hào)為M1640G1DT，使用1個(gè)水利脈沖空化射流接頭。進(jìn)尺610 m，純鉆時(shí)間37.03 h，機(jī)械鉆速16.47 m/h。

鉆井參數(shù)：鉆壓40～60 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速65 r/min，泵壓18 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.19 g/cm3，黏度51 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖、不等礫砂巖和細(xì)砂巖互層，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?216PDC+脈沖接頭+?172單彎螺桿(1.25°)+防濺接頭+411×4A10(定直)接頭+?159無磁鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+411×4A10接頭+?159隨鉆震擊器+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+?127鉆桿。

永43-3井與鄰井永43-6井鉆時(shí)對(duì)比如圖3所示。永43-6井在2 000～2 610 m井段，與永43-3井巖性、鉆井參數(shù)基本相同，未使用水利脈沖空化射流接頭配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井，機(jī)械鉆速為12.61 m/h；永43-3井在相同井段機(jī)械鉆速為16.47 m/h，同比機(jī)械鉆速提高了30.61%。

圖3　永43-3井與鄰井鉆時(shí)對(duì)比

3.3PDC+脈沖噴嘴+螺桿的復(fù)合鉆進(jìn)方法在陳2-60井應(yīng)用

陳2-60井在1 810～2260 m井段使用了PDC+脈沖噴嘴+螺桿進(jìn)行定向鉆進(jìn)，鉆頭型號(hào)為M194G2D，使用2個(gè)16 mm和2個(gè)13 mm脈沖噴嘴。進(jìn)尺450 m，純鉆時(shí)間14.85 h，機(jī)械鉆速30.98 m/h。

鉆井參數(shù)：鉆壓20～40 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速70 r/min，泵壓16 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.16 g/cm3，黏度52 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖和細(xì)砂巖互層，夾雜礫石，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?216PDC+?172單彎螺桿(1.25°)+?212穩(wěn)定器+?159浮閥+定向直接頭+?159無磁鉆鋌+?159螺旋鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿(斜臺(tái)階) +?127鉆桿。

陳2-60井與鄰井陳2-62井鉆時(shí)對(duì)比如圖4所示。在1 810～2 260 m井段，與陳2-60井巖性、鉆井參數(shù)基本相同，未使用脈沖噴嘴配合PDC鉆頭復(fù)合鉆井，機(jī)械鉆速為24.35 m/h。陳2-60井在相同井段機(jī)械鉆速為30.30 m/h，同比機(jī)械鉆速提高了24.44%。

圖4　陳2-60井與鄰井鉆時(shí)對(duì)比

3.4PDC+脈沖噴嘴+脈沖接頭+螺桿復(fù)合鉆井方法在永43-9井應(yīng)用

永43-9井在374～2 76 5m井段使用了PDC+脈沖噴嘴+脈沖接頭+螺桿進(jìn)行定向鉆進(jìn)，鉆頭為M165G1DT型，進(jìn)尺2 391 m，純鉆時(shí)間127 h，機(jī)械鉆速18.83 m/h。

鉆井參數(shù)：鉆壓40～60 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速60 r/min，泵壓17 MPa，排量32 L/s。鉆井液密度1.16～1.23 g/cm3，黏度48～61 Pa·s，含砂0.2%。地層為泥巖和砂巖互層，巖性為軟至中硬。

鉆具組合：?216PDC+脈沖接頭+?172單彎螺桿(1.25°)+?165浮閥+?212穩(wěn)定器+定向接頭+?159無磁鉆鋌+?159螺旋鉆鋌+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+411×4A10接頭+?172隨鉆震擊器+4A11×410接頭+?127加重鉆桿+?127鉆桿(斜臺(tái)階)。

永43-9井與永43-6井機(jī)械鉆速對(duì)比如表1所示。永43-9井在374～1 770 m、1 770～2 765 mm井段，與永43-6井在巖性、鉆井參數(shù)基本相同，在相同井段機(jī)械鉆速分別提高12.94%、92.58%，整體提高123.9%。

表1　永43-9井與永43-6井機(jī)械鉆速對(duì)比

在3個(gè)區(qū)塊4口井(安豐28井、永43-3井、陳2-60井和永43-9井)的應(yīng)用效果表明：PDC+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)方式比常規(guī)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高15%；PDC+脈沖接頭+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)方式比常規(guī)復(fù)合鉆井方式機(jī)械鉆速提高30.61%；PDC+脈沖噴嘴+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)方式比常規(guī)復(fù)合鉆井方式機(jī)械鉆速提高24.44%；PDC+脈沖噴嘴+脈沖接頭+螺桿復(fù)合鉆進(jìn)方式比常規(guī)復(fù)合鉆井方式機(jī)械鉆速提高123.9%。

4結(jié)論

1)“PDC+螺桿鉆具”鉆具組合配合轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)的復(fù)合鉆井技術(shù)能增加切削巖石的速度，從而提高了機(jī)械鉆速。

2)脈沖工具較好地利用了射流的瞬時(shí)打擊力、有效噴射距離和射流到達(dá)井底時(shí)的水利能量，配合PDC復(fù)合鉆進(jìn)方式提高了鉆井速度。

3)針對(duì)蘇北區(qū)塊地層不同情況，可調(diào)整復(fù)合鉆井中鉆具的組合方式，優(yōu)化配置。

4)4口井應(yīng)用證明脈沖工具復(fù)合鉆井相比常規(guī)復(fù)合鉆井的平均機(jī)械鉆速提高了24.44%～123.9%，達(dá)到較好的提速效果，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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PDC Drill Bit Compound Drilling Technology in the Oil Region of Northern Jiangsu

MENG Peng1，SHAO Dongdong1，2，YAN Zhan1，JIANG Tao1，HUA Zhuchun1

(1.DrillingCompany，SINOPECOilfieldServiceJiangsuCorporation，Yangzhou225261，China；2.PostdoctoralWorkstationofJiangsuOilExplorationCorporation，SINOPEC，Yangzhou225009，China)

Abstract：In order to improve oil well drilling in Northern ROP，using PDC bit more complex drilling BHA method has been applied.The hydraulic pulse joint compound drilling with PDC bits are the combination of conventional composite drilling rock breaking，high speed pulse joints，pulse nozzle，turning rock mode to mechanical energy and effective combination of water conservancy.Under the effect of compound drilling rock breaking efficiency，coupled with hydraulic pulse technology，the role of multi-speed drilling can be fully reflected.The PDC drill bits，screw drill，pulse and pulse nozzle joint approach in the application of different combinations Subei oil region are analyzed，the results show that different combinations of compound drilling 24.44%～123.9% increase on average than conventional composite drilling ROP，get good application effect，has the value of application.

Keywords：PDC bit；composite drilling；screw drill tool；pulse tool

中圖分類號(hào)：TE921.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.016

作者簡(jiǎn)介：孟鵬(1991-)，男，安徽六安人，現(xiàn)從事鉆井工藝技術(shù)和工程設(shè)計(jì)應(yīng)用研究，E-mail：mengpeng.jsyt@sinopec.com。

收稿日期：①2015-09-06 中石化江蘇石油工程有限公司項(xiàng)目“井底脈沖射流-不對(duì)稱流場(chǎng)噴射鉆井技術(shù)”(JS140702)；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃(1402088B)

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0070-04