PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在南堡油田大斜度井的應(yīng)用

朱寬亮， 周 巖， 胡中志

(中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063004)

冀東油田南堡灘海油區(qū)主要采用海油陸探陸采方式進行勘探與開發(fā)，井型主要為大斜度井，隨著勘探開發(fā)的不斷深入，水平位移大于2 000.00 m的大斜度井不斷增多[1-2]。為了控制井眼軌跡需要進行滑動鉆進，但因大斜度定向井段摩阻扭矩大，采用常規(guī)PDC鉆頭進行滑動鉆進時，存在托壓嚴重、鉆壓傳遞不平穩(wěn)、工具面難以控制等問題[3-10]；如采用牙輪鉆頭鉆進，因使用“螺桿+轉(zhuǎn)盤”鉆進轉(zhuǎn)速高，實施井段短，且易發(fā)生掉牙輪事故，制約了大斜度井的鉆井速度；采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可以解決上述問題，但成本高。通過調(diào)研和相關(guān)實踐發(fā)現(xiàn)，在目前經(jīng)濟技術(shù)條件下，PDC-牙輪復(fù)合鉆頭可有效解決大斜度井定向井段托壓嚴重、定向工具面不穩(wěn)等問題。該類鉆頭融合了PDC鉆頭與牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)和破巖方式，使之具備了兩者的優(yōu)點，有效釋放了地層破碎應(yīng)力，減少了鉆頭的粘滑，提高了方向控制能力，減小了鉆頭的橫向振動幅度，有利于滑動鉆進與提速[11-13]。因此，南堡油田根據(jù)實鉆地層的特性和大斜度井的鉆井工藝要求，對PDC-牙輪復(fù)合鉆頭進行了個性化設(shè)計，設(shè)計了“2牙輪+2 PDC固定刀翼”和“4 PDC固定刀翼+2牙輪”2種切削結(jié)構(gòu)的PDC-牙輪復(fù)合鉆頭。“2牙輪+2 PDC固定刀翼”和“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭分別在NP2-33井和NP5-28井進行了現(xiàn)場試驗，均未出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，工具面穩(wěn)定，機械鉆速和單只鉆頭進尺相比鄰井均提高1倍以上，返出巖屑的粒徑同牙輪鉆頭破碎地層產(chǎn)生巖屑的粒徑相當(dāng)，有利于判別巖性和錄井。

1 大斜度井鉆井技術(shù)難點

1) 摩阻扭矩大，定向鉆進效率低。南堡油田大斜度井的井斜角主要集中在45°～60°，且位移較大。而大斜度井鉆井過程中易在定向井段形成巖屑床[14]，造成摩阻扭矩大。采用PDC鉆頭鉆進大斜度井定向井段，托壓嚴重，鉆壓難以有效傳至鉆頭，且定向工具面不穩(wěn)[15-16]。南堡油田以往在采用PDC鉆頭鉆大斜度井時，需要多次起下鉆調(diào)整定向工具面，擺放一次定向工具面需耗時30 min左右，嚴重影響了鉆井速度。而采用牙輪鉆頭鉆進大斜度井定向井段，牙輪鉆頭的使用壽命短，進尺短，單只牙輪鉆頭的平均壽命只有40～50 h，平均進尺不足100.00 m，需頻繁起下鉆更換鉆頭，需要用4只牙輪鉆頭才能完成1口大斜度井定向井段的鉆進。

2)深層巖性復(fù)雜，機械鉆速低。南堡油田油氣藏埋藏相對較深，東營組和沙河街組地層巖性復(fù)雜，非均質(zhì)性強，軟硬交錯，地層巖石可鉆性級值為3～7，最高強度達1 061 MPa。鉆遇軟硬夾層時鉆頭需要承受較大的沖擊載荷，易導(dǎo)致鉆頭先期損壞[17]，且硬地層鉆頭吃入難，加之滑動鉆進時托壓嚴重，鉆壓不能完全施加到鉆頭，平均機械鉆速不足2.0 m/h，平均單只PDC鉆頭進尺不足200.00 m。

3) 油氣卡層、巖屑錄井要求高。南堡油田大斜度井鉆井過程中地層油氣顯示弱，錄井熒光大部分小于7級，而采用PDC鉆頭鉆進，由于其破巖方式是剪切破巖，且鉆速高，產(chǎn)生巖屑粒徑小，難以區(qū)分砂泥地層，不利于巖性判別和卡層，易漏失油氣層，并且不利于巖屑錄井;而采用牙輪鉆頭鉆速低，嚴重影響勘探開發(fā)進程。

2 PDC-牙輪復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

PDC-牙輪復(fù)合鉆頭兼具PDC鉆頭和牙輪鉆頭的特色和優(yōu)勢，能同時實現(xiàn)剪切破巖和沖擊壓碎破巖，用其進行定向鉆進能顯著降低扭矩、鉆頭的橫向振動和粘滑趨勢，提高其破巖能力和導(dǎo)向鉆進能力。由于PDC-牙輪復(fù)合鉆頭對地層及使用條件的變化十分敏感，鉆頭復(fù)合切削結(jié)構(gòu)與地層適應(yīng)性、鉆頭的定向能力與切削結(jié)構(gòu)的復(fù)合方式均具有十分密切的聯(lián)系[18-25]。因此，針對南堡油田大斜度井鉆遇地層巖性復(fù)雜的特點，優(yōu)化設(shè)計了2種切削結(jié)構(gòu)的PDC-牙輪復(fù)合鉆頭。

2.1 鉆頭整體結(jié)構(gòu)

第1種切削結(jié)構(gòu)的PDC-牙輪復(fù)合鉆頭的切削結(jié)構(gòu)為2 PDC固定刀翼和2牙輪相間布置的結(jié)構(gòu)(見圖1)。該鉆頭的2牙輪采用φ11.0 mm楔形齒、高密度布齒方式，以降低沖擊造成的鉆頭振動；2 PDC固定刀翼采用獨立保徑設(shè)計，以增強鉆頭工作時的平穩(wěn)性。

圖1 “2牙輪+2 PDC固定刀翼”復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hybrid bit with“2 rollers+2 fixed PDC cutters”

第2種PDC-牙輪復(fù)合鉆頭的切削結(jié)構(gòu)為4 PDC固定刀翼和2牙輪相間布置的結(jié)構(gòu)(見圖2)。該鉆頭的2牙輪采用φ14.0 mm的楔形齒、中高密度布齒方式，以提高鉆頭的抗沖擊能力；4 PDC固定刀翼成X形分布，并采用對稱式固定保徑設(shè)計，以增強鉆頭工作時的穩(wěn)定性。

圖2 “4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of hybrid bit with“4 fixed PDC cutters+2 roller”

2.2 冠部形狀設(shè)計

2種PDC-牙輪復(fù)合鉆頭均采用直線-圓弧冠部、淺內(nèi)錐、短外錐和短圓弧半徑設(shè)計。該設(shè)計可以滿足大斜度井定向鉆進需要，保證鉆頭的攻擊性，提高機械鉆速。淺內(nèi)錐、短外錐冠部設(shè)計有利于降低鉆頭的切向力，更有利于定向鉆進過程中工具面的控制，降低鉆頭扭矩，定向鉆進過程中可有效減少擺工具面的時間，提高定向鉆進能力，同時可以提高牙輪的破巖效率。牙輪徑向采用全覆蓋設(shè)計，增強了PDC-牙輪復(fù)合鉆頭的破巖效率，特別是增強了復(fù)合鉆進時復(fù)雜運動條件下牙輪輔助破巖的作用，并且這種設(shè)計滿足了牙輪布齒與PDC固定刀翼布齒的匹配關(guān)系。

2.3 切削結(jié)構(gòu)與保徑設(shè)計

為提高破巖效率，“2牙輪+2 PDC固定刀翼”復(fù)合鉆頭PDC固定刀翼的主切削齒采用φ16.0 mm PDC復(fù)合片，后傾角設(shè)計為20°～30°。為增強刀翼本體的耐磨性，保護刀翼本體，防止鉆頭環(huán)切和掏心磨損，PDC固定刀翼心部的冠頂面設(shè)置了平鑲PDC齒(見圖1)。牙輪切削齒直徑為11.0 mm，采用高密度布齒方式(見圖3)，牙輪的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計覆蓋至外肩部，以減小因牙輪切削齒沖擊帶來的鉆頭振動，增強鉆頭的穩(wěn)定性。牙輪外排主切削齒圈參與保徑，以提高鉆頭的穩(wěn)定性和造斜能力、減小鉆頭反扭矩、增強工具面的可控性。采用短保徑、強主動保徑+被動保徑，可以在保證鉆頭側(cè)切能力和造斜性能的同時，確保鉆頭的保徑能力。

圖3 “2牙輪+2 PDC固定刀翼”復(fù)合鉆頭切削輪廓曲線及徑向布齒Fig.3 Cutting profiles and arrangement of radial teeth of hybrid bit with“2 rollers+2 fixed PDC cutters”

“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭PDC固定刀翼的主切削齒同樣采用φ16.0 mmPDC復(fù)合片，后傾角設(shè)計為20°～30°。4 PDC固定刀翼成X形分布，可以增加復(fù)合鉆頭固定保徑結(jié)構(gòu)空間，增強鉆頭工作時的穩(wěn)定性。牙輪切削齒設(shè)計為φ14.0 mm的楔形齒，采用中高密度布齒方式(見圖2)，以提高鉆頭的破巖效率。該鉆頭冠頂面設(shè)置了減震齒(見圖4)，以提高鉆頭的穩(wěn)定性，減小沖擊載荷對鉆頭的振動。牙輪與PDC齒復(fù)合覆蓋區(qū)至外肩部，有利于延長PDC固定切削齒的使用壽命。4 PDC固定刀翼采用主動保徑加被動保徑方式，以提高鉆頭的穩(wěn)定性和保徑能力。

圖4 “4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭切削輪廓曲線及徑向布齒Fig.4 Cutting profiles and arrangement of radial teeth of hybrid bit with“4 fixed PDC cutters+2 rollers”

2.4 水力結(jié)構(gòu)設(shè)計

“2牙輪+2 PDC固定刀翼”復(fù)合鉆頭設(shè)置了4個噴嘴，心部為2個φ13.0 mm噴嘴，外部為2個φ16.0 mm噴嘴(見圖1)，以提高清洗效果、防止發(fā)生泥包鉆頭?！? PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭設(shè)置了6噴嘴，心部為2個φ13.0 mm噴嘴、外部為2個φ13.0 mm噴嘴，2 PDC固定刀翼間有1個φ13.0 mm噴嘴(見圖2)，以提高清洗和冷卻效果。

3 現(xiàn)場試驗

“2牙輪+2 PDC固定刀翼”和“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭分別在南堡油田NP2-33井和NP5-28井進行了試驗。NP2-33井采用“2牙輪+2 PDC固定刀翼”復(fù)合鉆頭鉆進定向井段，進尺315.00 m，平均機械鉆速11.00 m/h，與采用牙輪鉆頭的鄰井相比，平均機械鉆速提高了75 %，進尺提高了87.5 %。NP5-28井采用“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭鉆進定向井段，進尺328.00 m，平均機械鉆速10.9 m/h，與采用牙輪鉆頭的鄰井相比，進尺與機械鉆速均提高3倍以上，與采用PDC鉆頭的鄰井相比，機械鉆速提高了33%。這說明2種不同切削結(jié)構(gòu)的復(fù)合鉆頭在大斜度井定向井段均具有良好的適應(yīng)性。上述2口井試驗過程中，未出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，扭矩與采用牙輪鉆頭時相近，工具面穩(wěn)定,且循環(huán)出的巖屑的粒徑與采用牙輪鉆頭時相當(dāng)，達到了地質(zhì)卡層與巖屑錄井的要求。下面以NP5-28井為例介紹PDC-牙輪復(fù)合鉆頭的具體試驗情況。

NP5-28井是部署在NP5號構(gòu)造的一口預(yù)探大斜度井，設(shè)計井深4 283.00 m，最大井斜角55.9 °，最大位移1 150.00 m，垂深3 776.00 m。造斜點在井深2 576.00 m處，設(shè)計造斜率2.1°/30m，造斜井段長798.00 m。定向井段上段為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和細砂巖地層，下段為泥巖、泥巖夾細砂巖和粉砂巖地層。該井定向井段鉆至井深3 060.00 m時，滑動定向鉆進托壓達到300 kN左右，無法實現(xiàn)有效定向鉆進，于是起鉆進行“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭鉆進試驗。

試驗所用鉆具組合為φ215.9 mmPDC-牙輪復(fù)合鉆頭+φ172.0 mm×1.25°螺桿+φ172.0 mm無磁鉆鋌1根+φ177.8 mm MWD+φ177.8 mm無磁鉆鋌1根+φ127.0 mm加重鉆桿15根+φ127.0 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓30～100 kN，轉(zhuǎn)速30 r/min，排量32 L/s，泵壓17～19 MPa。

試驗井段為3 060.00～3 388.53 m，井斜角由31.9 °增至54.9 °，方位角13.97 °。PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在試驗井段共進行了7次定向鉆進，前3次定向鉆進每復(fù)合鉆進20.00～25.00 m，滑動鉆進10.00 m，后4次定向鉆進每復(fù)合鉆進約10.00 m，滑動鉆進5.00 m。該鉆頭滑動鉆進總進尺55.00 m，純鉆時間11.7 h，平均機械鉆速為4.70 m/h；復(fù)合鉆進總進尺273.00 m，純鉆時間18.4 h，平均機速14.86 m/h。試驗過程中，扭矩波動不大，與采用牙輪鉆頭時接近。滑動鉆進時的造斜率達(8.5°～12.0°)/30m，復(fù)合鉆進時的自然增斜率為1.5°/30m，表明該復(fù)合鉆頭造斜率高，工具面易控制，方位相對穩(wěn)定。

PDC-牙輪復(fù)合鉆頭定向鉆進循環(huán)出巖屑的粒徑約為4.0～7.0 mm，與鄰井采用牙輪鉆頭鉆進循環(huán)出巖屑的粒徑(約2.0～4.0 mm)相當(dāng)，滿足巖屑錄井要求，并有利于判別地層的巖性。

試驗結(jié)束，起出“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復(fù)合鉆頭觀察發(fā)現(xiàn)：PDC固定刀翼的切削齒磨損輕微且磨損均勻，心部齒沒有明顯磨損，冠頂、外錐部前排齒有輕微磨損；牙輪齒有較小程度的磨損，磨損較為均勻，且磨損高度不超過0.5 mm；2個牙輪均能轉(zhuǎn)動，軸承密封未失效，軸承未出現(xiàn)曠動；鉆頭保徑較完好，鉆頭未縮徑，覆焊層無明顯沖蝕現(xiàn)象，噴嘴完好、通暢。

4 結(jié)論與建議

1) PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在大斜度井定向井段的滑動鉆進定向效果與牙輪鉆頭相當(dāng)，機械鉆速明顯高于牙輪鉆頭，能解決大斜度井定向井段摩阻扭矩大、托壓嚴重和工具面不穩(wěn)定的問題，并能夠提高大斜度井定向井段的鉆進速度。

2)PDC-牙輪復(fù)合鉆頭破碎巖石產(chǎn)生的巖屑粒徑比PDC鉆頭破碎巖石產(chǎn)生的巖屑粒徑大，與牙輪鉆頭破碎巖石產(chǎn)生的巖屑粒徑相當(dāng)，有利于巖屑錄井。

3) 2種切削結(jié)構(gòu)的PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在大斜度井定向井段均表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，取得了較好的效果，建議進一步探索PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在不同井深、層位、巖性條件下的鉆井效果。

4) 建議進一步加強PDC與牙輪鉆頭的匹配關(guān)系、冠部形狀、布齒密度、切削能量分配等方面的研究，以擴大PDC-牙輪鉆頭的應(yīng)用范圍。

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