新型復(fù)合鉆頭在雙分支水平井的應(yīng)用分析

張智旋 董悅

摘 要：行之有效的大位移雙分支水平井設(shè)計(jì)及各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用，使得儲(chǔ)層鉆遇率大大提高，單井產(chǎn)量得以保障。**氣田主力儲(chǔ)層發(fā)育致密石英砂巖，以高研磨性著稱，鉆頭極易磨損選型難度大。經(jīng)過不斷摸索，先后使用了PDC鉆頭、牙輪鉆頭，使用效果均不理想。隨著對巖性認(rèn)識(shí)的日益成熟，引進(jìn)了“復(fù)合”鉆頭，作為牙輪鉆頭與金剛石鉆頭的結(jié)合體，該鉆頭與儲(chǔ)層高研磨性、泥砂互層特點(diǎn)完美匹配，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。由于其在機(jī)械鉆速和進(jìn)尺方面的優(yōu)勢，助力了水平井大提速，成為降本增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：高研磨性;復(fù)合鉆頭;大提速;降本增效

1 復(fù)合鉆頭介紹

1.1 復(fù)合鉆頭的簡介

復(fù)合鉆頭出現(xiàn)于1930年，復(fù)合鉆頭作為牙輪鉆頭和PDC刀翼鉆頭的結(jié)合體，它兼顧兩種不同類型的鉆頭特點(diǎn)，通過合理的設(shè)計(jì)同時(shí)發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)。該鉆頭的工作原理是：牙輪先接觸地層，破碎巖層后，PDC切削齒開始工作，對巖層進(jìn)行切削，兩者配合下破巖切削效率大幅提高。從不同鉆頭井底所造形狀圖可清楚看到，復(fù)合鉆頭結(jié)合了兩種不同的切削方式。

1.2 復(fù)合鉆頭的優(yōu)勢

從其鉆頭構(gòu)造原理上來講，該類型鉆頭與普通的牙輪和金剛石鉆頭相比有明顯的優(yōu)勢，它既具有PDC鉆頭的強(qiáng)攻擊性，又具有牙輪鉆頭類似的低扭矩的特征。復(fù)合鉆頭的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①從鉆頭設(shè)計(jì)的角度上看：與普通PDC 鉆頭相比，扭矩輸出更小，穩(wěn)定性更強(qiáng)，在夾層中耐磨性更強(qiáng)，具有較好的動(dòng)力和導(dǎo)向控制;與普通牙輪鉆頭相比，潛在的機(jī)械鉆速較高，軸向振動(dòng)（跳鉆）的風(fēng)險(xiǎn)較低，鉆頭底部泥包幾率較低;②從應(yīng)用情況上看：能夠保證鉆頭在大尺寸井眼中平滑旋轉(zhuǎn)，提高機(jī)械鉆速及進(jìn)尺;擁有牙輪鉆頭穩(wěn)定的工具面及造斜率，不受井型的限制;能夠降低硬地層、泥砂混層等地質(zhì)巖性對機(jī)械鉆速的影響;降低粘滑振動(dòng)對鉆頭的影響，提高復(fù)雜地層的可鉆性。

1.3 早期復(fù)合鉆頭在**水平井應(yīng)用情況

復(fù)合鉆頭于2014年開始應(yīng)用在**區(qū)塊，經(jīng)過5井次30多趟鉆的使用，二代復(fù)合鉆頭取得了優(yōu)異的成績，機(jī)械鉆速和單鉆頭進(jìn)尺相比三牙輪鉆頭有較大的提高，其中一只鉆頭進(jìn)尺達(dá)到600m，創(chuàng)造當(dāng)時(shí)鉆頭紀(jì)錄。單井水平段鉆頭使用數(shù)量和純鉆時(shí)間相比三牙輪鉆頭均少，同時(shí)減少5趟起下鉆時(shí)間，復(fù)合鉆頭單井可以節(jié)約21天鉆井周期。

通過對出井鉆頭狀態(tài)和磨損狀況進(jìn)行對照，其磨損、失效狀況主要表現(xiàn)在：保徑齒磨損嚴(yán)重，掉齒、斷齒現(xiàn)象普遍，存在不同程度的縮徑現(xiàn)象，牙輪密封失效，甚至發(fā)生過牙輪落井事故。

2 新型復(fù)合鉆頭使用情況

2.1 新型復(fù)合鉆頭的改進(jìn)思路

由于早期復(fù)合鉆頭的使用過程中，鉆頭出井后存在較嚴(yán)重的磨損，鉆頭縮徑現(xiàn)象明顯。鉆頭縮徑會(huì)帶來多種危害，下鉆遇阻、定向脫壓現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。鉆頭巴掌處磨損嚴(yán)重，潛在牙輪密封失效，最終可能導(dǎo)致牙輪脫落。因此，針對**地層巖性特點(diǎn)，優(yōu)化PDC布齒、優(yōu)化刀翼和牙輪設(shè)計(jì)、優(yōu)化碳化鎢級(jí)別、選擇更加穩(wěn)定的復(fù)合片、水力優(yōu)化設(shè)計(jì)等，通過一系列的實(shí)驗(yàn)室整體切削結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出新型的復(fù)合鉆頭。

2.2 新型復(fù)合鉆頭使用情況分析

新型復(fù)合鉆頭于2016年研發(fā)成功，作為XXX鉆頭公司第三代復(fù)合鉆頭系列，其型號(hào)XX1、XX2應(yīng)用于XX井，與第二代復(fù)合鉆頭相比作業(yè)表現(xiàn)有大幅提高。其中新型號(hào)鉆頭XX1單鉆進(jìn)尺660m，打破**區(qū)塊水平段進(jìn)尺紀(jì)錄，但是鉆頭磨損嚴(yán)重，無法再次使用;新型鉆頭XX2平均進(jìn)尺和機(jī)械鉆速均最高，鉆頭出井狀態(tài)良好。

XX1鉆頭的設(shè)計(jì)優(yōu)勢表現(xiàn)在：更強(qiáng)的攻擊性（沖擊力）;牙輪居中布置，加強(qiáng)鉆頭中部強(qiáng)度，以預(yù)防鉆頭反取心。

XX2鉆頭的設(shè)計(jì)優(yōu)勢是：肩部布置16mm最新金剛石齒，提高肩部耐磨性能，采用保徑設(shè)計(jì)，降低縮徑風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 XX1鉆頭使用情況分析

從起出來的鉆頭狀態(tài)來看，鉆頭縮徑嚴(yán)重，后期打出小井眼，導(dǎo)致新鉆頭下入困難，不得不帶泵下鉆，影響工作效率。具體分析失效原因有：該類型鉆頭保徑設(shè)計(jì)較弱，鉆頭肩部和鼻部抗研磨性較差;由于巴掌磨損嚴(yán)重，牙輪軸承密封暴露，致使失效;井下振動(dòng)問題導(dǎo)致鉆頭崩齒、掉齒等;彎角螺桿鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)致鉆頭偏心，加劇鉆頭磨損等。

2.2.2 XX2鉆頭使用情況分析

從目前已經(jīng)使用的3只XX2鉆頭來看，其平均進(jìn)尺481m，機(jī)械鉆速7.6m/h，均為最佳表現(xiàn);其中最后一趟鉆鉆頭進(jìn)尺582m，由于鉆遇大段泥巖，被迫提前起鉆。由于該型號(hào)鉆頭額外有保徑設(shè)計(jì)，其耐磨性更強(qiáng)，鉆頭壽命更長。XX2起出后整體狀態(tài)良好，整體磨損縮徑不明顯，掉齒、崩齒程度較輕;但是巴掌上耐磨層磨平，其中一只牙輪間隙變大，牙輪密封失效，存在牙輪脫落風(fēng)險(xiǎn)。

3 新型復(fù)合鉆頭進(jìn)一步優(yōu)化及使用方案

3.1 新型復(fù)合鉆頭進(jìn)一步優(yōu)化方案

根據(jù)第三代復(fù)合鉆頭在各個(gè)油田的實(shí)際使用情況，通過大量案例統(tǒng)計(jì)，分析了鉆頭的磨損狀況和破壞機(jī)理，為鉆頭進(jìn)一步優(yōu)化提出了方向。

①加強(qiáng)鉆頭肩部可靠性：增加鉆頭肩部金剛石的總量，包括增加保徑齒質(zhì)量、增加刀翼數(shù)量等措施;②由于復(fù)合鉆頭的工作原理，牙輪部分首先對地層進(jìn)行擠壓破壞，以保護(hù)PDC切削齒，因此通過增加牙輪接觸地層面積，減少PDC的負(fù)荷，從而降低反取心風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)械鉆速;③增加心部金剛石布齒體積，提高心部的耐磨性;④牙輪巴掌處加強(qiáng)耐磨層強(qiáng)度，提高耐磨性;刀翼上增加劃眼齒，以修復(fù)井壁，延遲鉆頭壽命。

3.2 復(fù)合鉆頭的使用方案優(yōu)化

鉆頭作為鉆井提速的最重要的因素之一，要充分發(fā)揮其作用，但又不能過分或者不恰當(dāng)?shù)氖褂?。過分使用超出其技術(shù)極限，鉆頭破壞落井產(chǎn)生落魚，造成井下復(fù)雜，從而影響整個(gè)鉆井周期;不恰當(dāng)使用，致使鉆頭過早失效，達(dá)不到設(shè)計(jì)效果，降低鉆井效率。通過與鉆頭供應(yīng)商溝通，制定鉆頭使用指南是非常關(guān)鍵的，良好的鉆頭使用方案包括：根據(jù)地層可鉆性選擇合理的水力參數(shù)（噴嘴面積、流道設(shè)計(jì)等）;新鉆頭下鉆到底充分磨合，逐漸適應(yīng)井底環(huán)境;鉆頭破巖過程中，根據(jù)作業(yè)工況、地層壓實(shí)強(qiáng)度選擇不同的鉆井參數(shù)，發(fā)揮最大效力;充分利用底部振動(dòng)檢測工具，根據(jù)振動(dòng)級(jí)別調(diào)整鉆井參數(shù)，延長鉆頭壽命。

復(fù)合鉆頭入井后，要密切關(guān)注鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩、泵壓等鉆井參數(shù)，特別是鉆頭壽命的中后期，要根據(jù)井下具體情況，做好及時(shí)起鉆的準(zhǔn)備。

復(fù)合鉆頭首先存在有牙輪活動(dòng)部件，因此在實(shí)際操作過程中要嚴(yán)格遵守廠家推薦的鉆頭總轉(zhuǎn)數(shù)，超出總轉(zhuǎn)數(shù)就有牙輪密封失效、落井風(fēng)險(xiǎn)。因此，是否起鉆首先看鉆頭總轉(zhuǎn)數(shù)是否已經(jīng)到了推薦總轉(zhuǎn)數(shù)，其次參照機(jī)械能（MSE）、底部馬達(dá)壓差、鉆井扭矩三個(gè)方面（如表1）。

根據(jù)鉆頭使用情況及鉆頭起出后的磨損狀況，分析鉆頭失效的原因，進(jìn)一步優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)，增加保徑，提高金剛石齒數(shù)量和密度，增加倒劃眼齒等。優(yōu)化鉆頭使用方案，利用井下振動(dòng)檢測工具，優(yōu)化鉆井參數(shù)，合理使用鉆頭，密切關(guān)注鉆頭工作狀況，制定行之有效的鉆頭起出策略，以防止鉆頭破壞、落井。

表1 ? ?不同時(shí)期復(fù)合鉆頭的對比

監(jiān)測因素 具體表現(xiàn) 結(jié)論

機(jī)械比能（MSE）：單位時(shí)間破碎單位體積巖石所需的機(jī)械能 對于相同地層，相同機(jī)械鉆速下，機(jī)械比能升高到1.5-2倍 起鉆

底部馬達(dá)壓差 對于相同地層，相同機(jī)械鉆速下，馬達(dá)壓差升高到1.5-2倍 起鉆

鉆井扭矩 對于相同地層，相同機(jī)械鉆速下，鉆井扭矩持續(xù)升高到1.35-2倍 起鉆

4 結(jié)論

①從新型復(fù)合鉆頭的現(xiàn)場應(yīng)用來看，平均鉆頭進(jìn)尺470m，其中一只鉆頭660m創(chuàng)下紀(jì)錄，為高效快速鉆井提供有力支持;②XX2鉆頭平均進(jìn)尺和機(jī)械鉆速均為最高，由于其設(shè)計(jì)有保徑齒，鉆頭出井狀況良好;③由于復(fù)合仍有牙輪活動(dòng)部件，牙輪軸承仍舊是薄弱環(huán)節(jié)，仍存在牙輪脫落的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要進(jìn)一步對軸承使用的可靠性、持久性等方面進(jìn)行攻關(guān)，加強(qiáng)鉆頭保徑和耐磨層強(qiáng)度等;④利用摩阻監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控井底扭矩、振動(dòng)情況，采取各種有效的大位移、長水平段降摩減阻手段，降低扭矩摩阻對鉆頭的破壞，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高鉆頭機(jī)械鉆速，增加鉆頭使用壽命的目的。