PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在南海東部西江區(qū)塊深部地層應(yīng)用

游 堯，姜 韡，田 崢，艾 飛

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心，廣東深圳 518067；2.中石化海洋石油工程有限公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

關(guān)鍵字：古近系地層；PDC鉆頭；旋轉(zhuǎn)齒；鉆井效率；南海東部

近年來，在南海東部海域古近系地層已陸續(xù)取得油氣發(fā)現(xiàn)，本著深化古近系富洼找油的策略，進(jìn)一步細(xì)化西江區(qū)塊含油構(gòu)造的評(píng)價(jià)，擴(kuò)大中深層珠海組、恩平組及文昌組經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能油藏儲(chǔ)層規(guī)模。然而，在深部古近系地層鉆井過程中因地層可鉆性較差、機(jī)械鉆速（ROP）較低、單只鉆頭進(jìn)尺普遍較短，造成本區(qū)塊探井的鉆井周期普遍較長、作業(yè)成本高[1-2]；為提高深部地層鉆井作業(yè)效率，提出了能夠提高耐磨性的PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)，提高PDC切削齒的利用效率，增強(qiáng)PDC鉆頭抗研磨性，提升鉆頭使用壽命，并在西江區(qū)塊取得了良好的應(yīng)用效果。

1 西江區(qū)塊深層鉆井難點(diǎn)

統(tǒng)計(jì)近年來西江區(qū)塊古近系地層（珠海組、恩平組、文昌組、前古近系）鉆井情況（圖1），7口鉆入古近系地層的探井機(jī)械鉆速7 ～ 14 m/h，平均機(jī)械鉆速11.4 m/h，消耗鉆頭數(shù)1 ～ 4只/井，每口井平均消耗2.6只鉆頭，頻繁起鉆更換鉆頭嚴(yán)重影響整體鉆井效率。

圖1 西江區(qū)塊古近系地層鉆井情況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)對出井巖屑描述情況分析，西江區(qū)塊深部古近系地層主要表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：

（1）地層巖性主要以砂泥巖互層、硬質(zhì)泥巖為主，其中泥巖含量35% ～ 47%，砂巖含量較高，為 42% ～ 63%。

（2） 地 層 埋 深 較 深（2 980 ～ 5 048 m）， 壓實(shí)作用強(qiáng)，地層整體抗壓強(qiáng)度高，平均在55 ～ 137 MPa， 內(nèi)摩擦角為 35° ～ 40°，局部發(fā)育有石灰?guī)r、灰質(zhì)粉砂巖、褐灰色泥巖、灰質(zhì)細(xì)砂巖等硬質(zhì)夾層，強(qiáng)度高達(dá)200 MPa。

（3）根據(jù)作業(yè)統(tǒng)計(jì)，西江區(qū)塊作業(yè)井出井IADC磨損評(píng)級(jí)內(nèi)排齒為1 ～ 4，外排齒為2 ～ 8，使用常規(guī)PDC鉆頭磨損主要表現(xiàn)為肩部外排齒磨損嚴(yán)重，部分井中磨出環(huán)形槽。

（4）由于地層抗壓強(qiáng)度較高、研磨性強(qiáng)，且軟硬夾層交錯(cuò)，常規(guī)PDC鉆頭持續(xù)與地層接觸研磨，導(dǎo)致切削片在高溫與疲勞的惡劣環(huán)境下磨損加快、穩(wěn)定性不足，鉆頭切削效率降低，影響機(jī)械鉆速及鉆頭使用壽命[3-5]。

因此，如何提升鉆頭抗研磨性和抗沖擊性成為了西江區(qū)塊深層古近系地層高效鉆井發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

2 PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)

常規(guī)PDC鉆頭是通過焊接技術(shù)使得PDC切削齒與齒穴結(jié)合牢固，此種技術(shù)將會(huì)帶來以下兩方面的問題[4-7]：

（1）切削片利用率低。常規(guī)PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中，僅有相對較小部分的PDC切削片參與切削地層，影響切削片作用比例的因素包括切削片尺寸、側(cè)傾角以及吃入地層深度。然而，在大多數(shù)情況下，僅有10% ～ 40%的切削片被用于實(shí)際的切削，剩余的60% ～ 90%被鎖定在鉆頭體中，切削過程中未被使用 （圖2）。

圖2 常規(guī)PDC切削齒利用率

（2）摩擦熱聚集加快切削齒磨損。PDC切削齒在與地層接觸切削過程中，磨損平面會(huì)產(chǎn)生高的摩擦熱，從而破壞金剛石共價(jià)鍵，因此，溫度升高會(huì)加速切削片的磨損，并導(dǎo)致更多的磨損。采用有限元分析（FEA）軟件系統(tǒng)，研究了剪切過程中產(chǎn)生的摩擦熱對切削片的影響，清楚地表明在切割片邊緣集中熱積累（圖3）。

圖3 切削齒產(chǎn)生摩擦熱的分布情況

以上兩點(diǎn)問題在西江區(qū)塊深部地層表現(xiàn)尤為顯著。為提高鉆頭切削齒的利用率，降低鉆頭切削齒持續(xù)研磨高溫導(dǎo)致的磨損失效，筆者分析研究后，認(rèn)為PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)能夠有效解決該問題。

2.1 旋轉(zhuǎn)齒工作機(jī)理

旋轉(zhuǎn)齒鉆頭組成部件包括碳化鎢套筒、PDC切削片以及連接軸承（圖4）。PDC切削片通過軸承與套筒密封相連，焊接在鉆頭本體上，其中，切削片與套筒間存在一定間隙以保證切削片可以自由旋轉(zhuǎn)。

為了保證鉆頭抗研磨性和抗沖擊性，以部分360°旋轉(zhuǎn)切削齒取代常規(guī)PDC鉆頭鼻、肩部高磨損區(qū)域。當(dāng)切削齒剪切地層時(shí)，在切削片邊緣會(huì)由于側(cè)傾角而產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向切力，而使得切削齒能夠完全旋轉(zhuǎn)[6-9]，切削齒具備更長的切削邊緣，增加切削齒的利用率，避免出現(xiàn)局部嚴(yán)重磨損而降低鉆頭切削效率。因此，適當(dāng)?shù)膫?cè)傾角及分布位置是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和提高切削效率的關(guān)鍵[10-12]。

圖4 旋轉(zhuǎn)齒的組成

2.2 旋轉(zhuǎn)齒布齒設(shè)計(jì)

針對西江深部古近系目標(biāo)地層抗壓強(qiáng)度高、軟硬夾層多的特點(diǎn)，為綜合提升鉆頭整體抗研磨性、抗沖擊性及攻擊性，筆者考慮在磨損嚴(yán)重的鼻、肩部排布旋轉(zhuǎn)齒，具體布齒數(shù)量如下：

（1）27顆固定切削齒（16 mm）；

（2）14顆360°旋轉(zhuǎn)齒（16 mm），均分布于鼻、肩部高研磨區(qū)域，在各刀翼上分布數(shù)量依次為2、2、2、2、3、3（見圖5標(biāo)黃部分）；

（3）24 顆后排齒（16 mm），與主切削齒等高設(shè)計(jì)，加強(qiáng)鉆頭肩部抗研磨性，防止主切削齒磨損失效而加速鉆頭磨損。

圖5 PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒的布齒情況

根據(jù)對215.9 mm鉆頭模擬計(jì)算，對比旋轉(zhuǎn)齒與常規(guī)6刀翼、7刀翼、8刀翼鉆頭齒載荷及鉆頭齒功率對比：在不增加刀翼數(shù)量的情況下，優(yōu)化了鉆頭切削齒載荷及齒功率的分布，保證鉆頭攻擊性（圖6、圖7），其中橫坐標(biāo)表示切削齒距鉆頭圓心距離。

圖6 PDC鉆頭齒載荷分布對比圖

圖7 PDC鉆頭齒功率分布對比圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果

PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在南海東部西江區(qū)塊XJ-3井內(nèi)使用，整體表現(xiàn)優(yōu)異。與同一區(qū)塊兩口鄰井作業(yè)表現(xiàn)對比，在地層層位、巖性、研磨性等均相似的情況下，鉆頭表現(xiàn)見表1。

表1 西江區(qū)塊三口井鉆頭表現(xiàn)對比

根據(jù)上表，從單只鉆頭進(jìn)尺、機(jī)械鉆速以及鉆頭磨損情況分析可知：

（1）XJ-1、XJ-2井分別用了3只和4只鉆頭，平均單只鉆頭進(jìn)尺為443 m，XJ-3井旋轉(zhuǎn)齒鉆頭僅用一趟鉆完成1 421 m進(jìn)尺，單只鉆頭井尺提升219.8%；

（2）機(jī)械鉆速方面，旋轉(zhuǎn)齒鉆頭平均機(jī)械鉆速為12.73 m/hr，較兩口鄰井平均機(jī)械鉆速提升31.46%；同時(shí)，XJ-3井旋轉(zhuǎn)齒鉆頭行程鉆速達(dá)8.91 m/hr，相比鄰井提高89.57%；

（3）旋轉(zhuǎn)齒鉆頭出井情況良好（圖8），評(píng)級(jí)為1-2-WT-A-X-1/16-NO-TD，內(nèi)排齒幾乎無磨損，外排齒輕微磨損；旋轉(zhuǎn)齒的正面及側(cè)面均有磨損，表明旋轉(zhuǎn)齒在井下發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，發(fā)揮了分散磨損量分布的作用。

圖8 XJ-3井旋轉(zhuǎn)齒鉆頭出井情況

PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在西江區(qū)塊深層古近系地層的成功應(yīng)用，反映了該項(xiàng)技術(shù)能使得PDC鉆頭兼具攻擊性和抗研磨性，大大提高了鉆頭的壽命，針對性地解決了西江深層鉆井機(jī)械鉆速低、單只鉆頭井尺不足的問題，大大提高了深層古近系地層鉆井效率。

4 結(jié)論

（1）西江區(qū)塊深層古近系埋深深、地層抗壓強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)，且軟硬夾層較為發(fā)育，可鉆性差，導(dǎo)致常規(guī)PDC鉆頭在本區(qū)塊表現(xiàn)為機(jī)械鉆速低，單只鉆頭進(jìn)尺不足，出井鉆頭鼻、肩部磨損嚴(yán)重等特點(diǎn)。

（2）PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)通過在鉆頭高磨損區(qū)域增加旋轉(zhuǎn)齒的方法，不僅能增加鉆頭切削齒的利用率，更能分散摩擦熱，增加鉆頭的耐用性，提高鉆頭壽命，有效解決了常規(guī)PDC鉆頭在深部地層作業(yè)的不足。

（3）PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)齒技術(shù)在西江區(qū)塊深層古近系地層一趟鉆成功地完成一個(gè)井段，大大提高了鉆井效率，節(jié)省了鉆井作業(yè)成本，建議后續(xù)考慮提高旋轉(zhuǎn)齒在不同地層的適用性，進(jìn)一步提高鉆頭攻擊性，在南海東部各區(qū)塊深層古近系地層具有較好的推廣前景。