混合鉆頭技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

王天宇

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

1 混合鉆頭簡介

1.1 混合鉆頭的技術(shù)特點(diǎn)及類型

混合鉆頭由牙輪和PDC刀翼組成，充分結(jié)合了2種鉆頭的優(yōu)勢，PDC切削齒部分能在較低鉆壓下提供較快的機(jī)械鉆速，牙輪部分能減輕鉆柱振動，從而利于鉆穿夾層中的硬巖層段[1]。具有連續(xù)的低扭矩特點(diǎn)，能提高夾層地層的耐用性，在硬夾地層和硬地層中更快、更平穩(wěn)。同時(shí)能夠配合多種鉆具使用，應(yīng)對井下復(fù)雜能力較PDC鉆頭更強(qiáng)，這在噴漏同層復(fù)雜層中不能使用動力工具情況下顯現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

混合鉆頭的類型包括2種，即兩牙輪兩刀翼的較小直徑鉆頭及三牙輪三刀翼的較大直徑鉆頭。

這2種鉆頭分別基于可靠的四刀翼和六刀翼PDC鉆頭設(shè)計(jì)，用截錐牙輪代替了輔助刀翼。因此，井眼中心部位僅由主刀翼上的PDC切削齒切削，而更難鉆的井眼外部則由牙輪和固定刀翼上的PDC切削齒共同破碎。牙輪向刀翼的后側(cè)偏置，以便在刀翼的前面留出排屑通道和鑲裝噴嘴所需要的空間[2]。

1.2 混合鉆頭的優(yōu)點(diǎn)

（1）混合鉆頭同時(shí)包含牙輪和刀翼，將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，牙輪切屑齒形成不連續(xù)的齒坑，對巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，PDC切屑齒通過切屑，將牙輪切屑齒形成的不連續(xù)的齒坑聯(lián)通，從而形成完整的破碎環(huán)帶，使得混合鉆頭在硬塑性地層中具有較高的機(jī)械鉆速。

（2）在不均勻和軟硬交錯(cuò)的地層，混合鉆頭上的牙輪切削齒對巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，降低了PDC切削齒的切削載荷，牙輪切削齒限制了PDC切削齒的吃入深度，相對于PDC鉆頭，混合鉆頭PDC切削齒發(fā)生崩片的幾率下降，因而混合鉆頭的使用壽命更長。

（3）滾動牙輪上的切削齒通過減少扭轉(zhuǎn)振動可以改善鉆頭的動態(tài)平衡，而起刮削作用的PDC切削齒則可鉆出平滑的井底，從而可以減小鉆頭回彈現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的PDC鉆頭相比，混合鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動減小了50%，粘滑現(xiàn)象只在較低轉(zhuǎn)速情況下發(fā)生，而在高轉(zhuǎn)速情況下的鉆頭回旋也大幅減小，從而使鉆頭工作更加平穩(wěn)，避免鉆頭發(fā)生早期破壞[3]。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

在馬深1井現(xiàn)場應(yīng)用了混合鉆頭，取得了良好的效果。下面介紹其在馬深1井的實(shí)際應(yīng)用情況。

馬深1井位于四川省通江縣新場鄉(xiāng)，構(gòu)造位置為四川盆地川東北通南巴構(gòu)造帶馬路背構(gòu)造高部位。本井實(shí)際完鉆井深8418m，完鉆層位燈影組。本井于2014年6月開鉆，2016年1月完鉆，鉆井周期593d，全井平均機(jī)械鉆速1.84m/h。

本井是一口預(yù)探井，陸相地層巖石致密、硬度大，特別是須家河組發(fā)育大段砂泥巖互層，地層可鉆性差。茅口組地層發(fā)育大段硅質(zhì)灰?guī)r地層，吳家坪組和燈影組地層硅質(zhì)含量高，可選用鉆頭少。對于下部小尺寸井眼，由于鉆具長、剛性低，鉆壓無法有效傳遞到鉆頭上，造成機(jī)械鉆速低[4]。

鄰井在自流井組進(jìn)尺243m，消耗4只牙輪鉆頭，平均機(jī)械鉆速為1.76m/h，鉆頭磨損嚴(yán)重。因此，需優(yōu)選抗沖擊和抗研磨性更好的鉆頭。為了探索新的提速手段，本井在二開、三開、五開中使用混合鉆頭鉆井技術(shù)。

2.1 二開?444.5mm井眼貝克休斯混合鉆頭的應(yīng)用效果分析

如表1所示，馬深1井二開在千佛崖至自流井組井段，優(yōu)選了3只貝克休斯KM633型混合鉆頭，進(jìn)尺532.97m，平均機(jī)械鉆速為2m/h。

入井鉆具組合為：?444.5mm KM633鉆頭+浮閥+減震器+731×830接頭+?279.4mm鉆鋌×3根+831×730接頭+437mm扶正器+?241.3mm鉆鋌×3根+731×630接頭+?203.2mm鉆鋌×7根+曲性長軸+隨鉆震擊器+631×520接頭+旁通閥+?139.7mm加重鉆桿×12根+521×ZY540接頭+?139.7mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓160～240kN，轉(zhuǎn)速75r/min，排量57L/s，立壓23～24MPa。

表1 馬深1井二開?444.5mm井眼KM633混合鉆頭使用統(tǒng)計(jì)

通過表1可以看出：KM633型混合鉆頭機(jī)械鉆速比千佛崖組（1.38m/h）平均機(jī)械鉆速提高1.45倍，整體表現(xiàn)很好，適應(yīng)自流井組段地層。

2.2 三開?311.2mm井眼國產(chǎn)混合鉆頭的應(yīng)用效果分析

馬深1井三開?311.2mm井眼使用江漢產(chǎn)KPM1633DRT型混合鉆頭1只，鉆進(jìn)地層為吳家坪組，巖性為灰色硅質(zhì)灰?guī)r和灰色泥質(zhì)灰?guī)r，巖性膠結(jié)致密，可鉆性較差，進(jìn)尺10.05m，機(jī)械鉆速0.89m/h。

入井鉆具組合為：?311.2mmKPM1633DRT混合鉆頭+浮閥+631×730接頭+減震器+?228.6mm鉆鋌×2根+731×630接頭+?308mm扶正器+?203.2mm鉆鋌×11根+曲性長軸+隨鉆震擊器+631×520接頭+?179mm旁通閥+?139.7mm加重鉆桿×12根+521×ZY540接頭+?139.7mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓180kN，轉(zhuǎn)速60r/min，排量43L/s，立壓21MPa。

如表2所示，由于地層硅質(zhì)含量較高，巖性較硬交錯(cuò)，導(dǎo)致鉆頭復(fù)合片受力不均，復(fù)合片先期損壞，鉆時(shí)逐漸變慢，進(jìn)尺較少，和牙輪鉆頭進(jìn)尺相當(dāng)，機(jī)械鉆速略有提高。分析為國產(chǎn)混合鉆頭復(fù)合片抗研磨及抗沖擊能力不夠，復(fù)合片先期損壞，后PDC刀翼形成支撐，影響牙輪吃入地層，使得鉆頭機(jī)械鉆速隨刀翼磨損增大而降低，最后導(dǎo)致混合鉆頭進(jìn)尺較少。

表2 三開?311.2mm井眼同層位混合鉆頭與常規(guī)鉆頭對比表

2.3 五開?165.1mm井眼貝克休斯混合鉆頭的應(yīng)用效果分析

馬深1井五開?165.1mm井眼使用貝克休斯KM322型混合鉆頭，鉆進(jìn)地層為燈影組，巖性為灰色白云巖、灰色硅質(zhì)白云巖互層，巖性軟硬變化。由于地層巖性影響，該鉆頭進(jìn)尺較少，鉆進(jìn)井段8057.97～8104.55m，進(jìn)尺46.58m，機(jī)械鉆速0.94m/h。

入井鉆具組合為：?165.1mmKM322混合鉆頭+浮閥+?120.6mm鉆鋌×1根+?160mm扶正器+?120.6mm鉆鋌×8根+旁通閥+?88.9mm加重鉆桿×17根+311×ZY390接頭+?101.6mm鉆桿×473根+ZY391×ZY540接頭+?139.7mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓80kN，轉(zhuǎn)速60r/min，排量16.5L/s，立壓16MPa。

表3 五開?165.1mm井眼同層位混合鉆頭與常規(guī)鉆頭對比表

如表3所示，混合鉆頭與牙輪鉆頭、PDC單趟進(jìn)尺相當(dāng)，但機(jī)械鉆速并不理想。

3 結(jié)論與建議

（1）牙輪+PDC混合鉆頭采用混合切削方式，牙輪鉆頭通過沖擊對地層進(jìn)行預(yù)破碎，然后PDC刀翼進(jìn)行切削，有效地對PDC復(fù)合片進(jìn)行保護(hù)。比常規(guī)PDC鉆頭工作穩(wěn)定，在鉆軟硬交錯(cuò)地層時(shí)都能夠獲得較高的機(jī)械鉆速。

（2）混合鉆頭兼具牙輪和PDC鉆頭的優(yōu)勢，能夠適應(yīng)千佛崖組、自流井組砂泥巖互層地層的使用要求，機(jī)械鉆速是普通牙輪鉆頭的2倍以上；但對研磨性較強(qiáng)的細(xì)砂巖、含礫砂巖地層還不能完全適應(yīng)，PDC復(fù)合片抗研磨性還需進(jìn)一步攻關(guān)。

（3）混合鉆頭在吳家坪組、燈影組含燧石、含硅質(zhì)比較硬的地層，PDC復(fù)合片容易先期損壞，進(jìn)尺少，機(jī)械鉆速下降比較明顯。

[1]鄒德永，于鵬，楊光.硬地層破巖工具最新進(jìn)展[J].石油機(jī)械，2013，41（6）：1-5.

[2]王福修.PDC鉆頭新技術(shù)[J].石油工程技術(shù)，2011，9（1）：42-46.

[3]胡大梁，嚴(yán)焱誠，李群生，郭忠志.混合鉆頭在元壩須家河組高研磨性地層的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2013，36（6）：8-12.

[4]陳明，等.馬深1井鉆井工程設(shè)計(jì)與施工[J].石油鉆探技術(shù)，2017，45（4）：15-20.