非平面齒PDC鉆頭在福山油田砂礫巖地層的應用

張濤，董宏偉，趙峰，馬杰，孫麟

1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司 第一鉆井工程分公司（天津300280）

2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司 第三鉆井工程分公司（天津300280）

福山油田位于海南省北部，主要勘探區(qū)塊福山凹陷屬于北部灣盆地的一個新生代含油氣凹陷，位于北部灣盆地南斜坡東緣，為一個近NEE向展布的中生代凹陷，總面積2 880 km2，其中陸地面積約2 100 km2。自1958年開展普查至今，福山油田已經建成了年產40×104t油氣當量的油氣生產基地。但福山油田的勘探開發(fā)仍然存在許多技術難題，其中機械鉆速過慢就是各大鉆井公司亟待解決的第一大難題，導致機械鉆速慢的主要原因是福山凹陷地層普遍含礫，進入潿洲組以后泥巖開始增多，可鉆性逐漸變差。雖然砂礫巖的膠結程度較差，可鉆性好，但是礫巖的研磨性非常強，當PDC鉆頭在砂礫巖井段鉆進時由于礫巖的強研磨性會導致切削齒快速磨損，當受到磨損的PDC鉆頭鉆遇可鉆性差的泥巖后，鉆時會明顯變慢，必須起鉆更換新的鉆頭，從而造成單只鉆頭進尺少，機械鉆速低。通過分析福山油田地層巖性特點，針對性優(yōu)選新型高效PDC鉆頭，解決了普通PDC鉆頭抗研磨性差、進尺少鉆速慢的問題，提速效果顯著。

1 福山油田地質分層及巖性描述

福山凹陷地層依次為第四系，上第三系望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組，下第三系潿洲組、流沙港組、長流組。從巖性特征可以看出，福山凹陷地層從上到下普遍含礫，隨著井深的不斷增加，深部地層巖石承受的上覆壓力逐漸增大，巖石的孔隙和骨架結構發(fā)生變化，其巖石硬度、抗壓抗剪強度、研磨性成倍增加，從而使巖石膠結更致密、研磨性增強、可鉆性變差，導致PDC鉆頭嚴重磨損，機械鉆速明顯變慢[1-2]。

2 福山油田鉆頭應用現(xiàn)狀

在福山油田開發(fā)早期，主要使用牙輪鉆頭，每年完成井的平均機械鉆速在6 m/h左右，自2010年開始推廣PDC+螺桿的復合鉆井方式，機械鉆速得到大幅提升，至2018年完成井平均機械鉆速已達到14.52 m/h，較早期速度提高了1倍以上。常規(guī)PDC鉆頭均為平面聚晶金剛石復合片，采用以圓形弧面進行破巖的方式，鉆頭在高速切削狀態(tài)下撞上分布不均的礫石產生正面沖擊損傷，造成鉆頭外錐齒崩斷及復合片損傷，同時在砂礫巖的磨損下，復合片逐漸失效，最終喪失切削能力。據調研，2018年福山油田共完成42口井，平均完鉆井深3 416.98 m，平均每口井使用PDC鉆頭4.33只，單只鉆頭平均進尺544.05 m，可以看出，仍然存在PDC鉆頭壽命短、進尺少的問題，導致鉆井周期較長，鉆井成本較高。為了進一步提高鉆井速度、降低成本，借鑒其他油田施工經驗，針對性地優(yōu)選了非平面齒PDC鉆頭用以解決以上難題[3-8]。

3 非平面齒PDC鉆頭介紹

3.1 非平面齒PDC鉆頭的結構設計

非平面齒PDC鉆頭前排齒采用非平面切削齒，后排齒采用錐形齒，前排齒復合片采用凸脊型結構設計（圖1），三條凸脊夾角呈120°，表面進行脫鈷處理，能有效提高鉆頭的抗沖擊性和耐磨性；后排復合圓錐齒是一種圓錐形切削元件（圖2），參與地層破碎能有效分擔前排主切削齒的鉆進負荷，有利于保護前排切削齒，大幅度提高鉆頭使用壽命[9-11]。

3.2 非平面齒PDC鉆頭的破巖機理

非平面齒PDC鉆頭（圖3）在破巖機理方面進行了改變，依靠前排齒切削地層和后排圓錐齒壓碎地層，利用壓碎和切削復合破巖方式，有效提高鉆頭破巖功率，大幅提高機械鉆速。

圖1 非平面切削齒

圖2 錐形齒

圖3 非平面齒PDC鉆頭

鉆頭工作時，先是前排非平面復合片凸起的楞邊接觸地層，預破碎巖石，其后復合片平面部分犁削，復合破碎地層巖石，該設計加大了金剛石復合片的抗擊能力，將主切削力由一個弧形平面轉變?yōu)榇蠼嵌惹邢?，所需切削力更低。由于具有更厚的金剛石層、專有的金剛石顆粒分布混合技術，也獲得了更好的正面抗沖擊能力，相較常規(guī)PDC復合片，破巖能力更強，耐磨性更好。同時后排錐形齒比常規(guī)圓柱形PDC復合片對地層施加更高的點載荷，以犁刮和剪切的聯(lián)合破巖機理更有效地破碎高抗壓強度地層。由于吃入地層的作用力通過其軸線，具有更平衡的橫向力，可以有效地降低鉆頭的橫向和縱向振動，延長了鉆頭壽命[12-15]。

4 非平面齒PDC鉆頭試驗分析

4.1 試驗鉆頭基本數(shù)據

為了進一步提高機械鉆速，2019開始在福山油田花場、朝陽區(qū)塊施工井試驗非平面齒PDC鉆頭。針對福山油田地層特性，優(yōu)選了5刀翼16 mm復合片鉆頭，既能保證鉆頭復合片耐磨性，又能保證機械鉆速。在花場和朝陽區(qū)塊8口井試驗了8只非平面齒PDC鉆頭（表1），鉆頭型號為 Φ215.9 mmCK505R，單只鉆頭最多進尺為2 714 m，最少為1 608 m，平均為1 920 m；最高機械鉆速為36.73 m/h，最低為17.62 m/h，平均為28.50 m/h。其中花121-18x井是一口二開四段制井，二開井段使用1只PDC鉆頭完鉆，一趟鉆完成了鉆塞、造斜、穩(wěn)斜、降斜，創(chuàng)造了該區(qū)塊單只鉆頭、單趟鉆進尺最多紀錄，機械鉆速、鉆井周期、完井周期、鉆機月速4項指標均刷新了區(qū)塊指標，是福山油田鉆井歷史上首次實現(xiàn)二開“一趟鉆”完鉆。

4.2 技術指標對比

將試驗鉆頭完成指標與同區(qū)塊井進行對比，為體現(xiàn)公平性，所對比的指標都是二開井第1只入井的PDC鉆頭完成的技術指標?；?21平臺較同平臺其他井平均機械鉆速提高10%，平均單只鉆頭進尺提高89%（表2），朝6平臺較同平臺其他井平均機械鉆速提高24%，平均單只鉆頭進尺提高75%（表3），機械鉆速提升幅度較小，但是單只鉆頭進尺有了大幅度提高，主要是由于潿洲組以上地層以砂礫巖為主，可鉆性好，鉆速快，而進入潿洲組后泥巖開始增多，鉆速相應降低，所以單只鉆頭進尺越多，機械鉆速指標會相應降低。

表1 試驗井數(shù)據

表2 花121平臺試驗井與鄰井數(shù)據對比

表3 朝6平臺試驗井與鄰井數(shù)據對比

5 結論與建議

1）非平面齒PDC鉆頭采用非平面復合片與錐形齒相結合的構造方式，以犁刮和剪切相結合的方式破巖，既增加了鉆頭的抗沖擊性和耐磨性，延長了鉆頭的使用壽命，又提高了機械鉆速和單只鉆頭進尺。試驗井采用的非平面齒PDC鉆頭較常規(guī)PDC鉆頭機械鉆速分別提高了10%和24%，單只鉆頭進尺分別提高了89%和75%。

2）試驗井除花121-18x井一趟鉆完成二開外，其他7口井中途起鉆均是由于進入降斜段需更換鉆具組合降斜鉆進，起鉆前導向鉆時均未明顯減慢，起出鉆頭磨損較輕可二次下井。說明了非平面齒PDC鉆頭在福山油田含礫地層鉆進的適應性，也反應出在單只鉆頭進尺方面仍有較大的提升空間。

3）花121-18x井二開“一趟鉆”技術的成功應用，證明了施工中若井身軌跡控制合理，使用非平面齒PDC鉆頭是能夠大幅度提高行程鉆速，減少鉆井周期，降低鉆頭成本。建議鉆具組合中加入水力振蕩器，用于緩解定向托壓，進入降斜段后可以避免起鉆更換鉆具組合，從而實現(xiàn)一趟鉆完鉆。