博孜區(qū)塊新型表孕鑲金剛石全面鉆頭的研究與應(yīng)用

吳海霞，沈立娜，李 春，劉海龍

（北京探礦工程研究所，北京100083）

塔里木油田博孜區(qū)塊是鉆井提速的“硬骨頭”，其位于庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶西部，是塔里木油田“十四五”3500×104t 建設(shè)增儲上產(chǎn)工作的重點區(qū)塊［1］。該區(qū)塊的第四系、庫車組、康村組及吉迪克組頂部存在巨厚礫巖層，且不同井的礫石層巖性差異大，可鉆性差［2-3］，鉆頭的機械鉆速低且消耗多，鉆井周期長，大幅增加了鉆井成本，嚴重制約了勘探開發(fā)進度［4］。

1 博孜區(qū)塊巨厚礫巖層主要鉆進難點

根據(jù)博孜區(qū)塊已鉆探的深井超深井情況分析研究，巨厚礫巖層鉆進中主要存在以下技術(shù)難題：

（1）博孜區(qū)塊的巨厚礫石層厚度約2000～6000 m（埋深超過3000 m，平均厚度2900 m，最長達5830 m），可鉆性差，且同一區(qū)塊不同井礫石層之間的巖性差異大，鉆頭選型及提速技術(shù)優(yōu)選難度大［5-8］。

（2）常規(guī)牙輪鉆頭鉆進巨厚礫石層井段時，鉆頭機械鉆速低，壽命短，即使獅虎獸復(fù)合鉆頭等新型鉆頭也磨損嚴重。例如，博孜區(qū)塊某探井采用牙輪鉆頭鉆進礫石層時，機械鉆速＜0.90 m/h，共用時397 d 才鉆穿厚度5359 m 的礫石層，牙輪鉆頭的平均使用壽命＜72 h［9-10］。

（3）常規(guī)PDC 鉆頭鉆進巨厚礫石層井段時，經(jīng)常出現(xiàn)復(fù)合片崩齒、鉆頭掏心和鉆頭磨損嚴重等問題，導(dǎo)致鉆頭壽命低，嚴重影響鉆進效率。

針對博孜區(qū)塊巨厚礫巖層的主要鉆進難點，結(jié)合我國目前井底動力工具的發(fā)展現(xiàn)狀，研制了配套高速渦輪鉆具的全面孕鑲金剛石鉆頭。通過對孕鑲金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)、金剛石參數(shù)、制造工藝等方面開展研究，試制?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭配套高速渦輪鉆進在博孜區(qū)塊進行現(xiàn)場實驗應(yīng)用，鉆頭綜合指標與國外同類產(chǎn)品相當，但費用遠低于國外全面孕鑲金剛石鉆頭+高速渦輪鉆進方案，大大降低了鉆井成本，獲施工方高度認可，為該區(qū)高效勘探開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐，也為我國西部深層油氣田相似地層鉆井提供了一種高效的解決方案。

2 高速渦輪配套新型金剛石鉆頭的研制

2.1 研究內(nèi)容

根據(jù)博孜區(qū)塊巨厚礫石層巖性及高速渦輪鉆進的特點，結(jié)合以往在礫石層使用全面鉆頭+高速螺桿鉆具鉆進的研究基礎(chǔ)，從鉆頭的結(jié)構(gòu)、切削齒、金剛石參數(shù)、制造工藝等方面開展了以下研究。

2.1.1 鉆頭結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆頭輪廓設(shè)計特點并借鑒以往堅硬地層復(fù)合片鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭冠部曲線的設(shè)計理論［5-9，11-17］，選擇較大半徑的淺錐雙圓弧冠部輪廓，內(nèi)錐角α取120°～125°，保證鉆頭整體穩(wěn)定性，防止切削齒受力不均導(dǎo)致鉆頭先期磨損，延長鉆頭壽命；在高速渦輪的高轉(zhuǎn)速下，為了實現(xiàn)鉆頭的有效冷卻，采用了刀翼式鉆頭結(jié)構(gòu)，其將鉆頭的切削面積分割為若干較小的刀翼式切割單元［18-20］，并在刀翼上交錯布置切削齒，減小鉆頭工作層與井底的接觸面積，進而提高相同鉆壓下單位面積上的壓力，提高鉆頭的鉆進效率（參見圖1）。

2.1.2 切削齒

金剛石鉆頭鉆進堅硬巖石時，主要靠金剛石在壓力和水平回轉(zhuǎn)力的作用下在巖石表面研磨壓碎切削巖石，因此線速度越高的切削齒位置，其切削能力越強，但鉆頭的中心位置線速度為零［21］，會導(dǎo)致金剛石鉆頭中心死點先期磨損，從而提前結(jié)束鉆頭的壽命。為了解決中心死點問題，在鉆頭中心刀翼上圓周交錯布置高耐磨性的金剛石復(fù)合片。該金剛石復(fù)合片在深脫鈷情況下，濕法立車跟石材對磨，磨耗比能超過1000 萬；熱穩(wěn)定性也比較高，干法立車情況下，走刀數(shù)值經(jīng)常超過12 passes。

圖1 鉆頭的冠部形狀和結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Crown shape and structure of the bit

2.1.3 金剛石參數(shù)

切削齒采用表鑲大顆粒人造金剛石+孕鑲多級人造金剛石熱壓胎塊，其熱壓燒結(jié)溫度是800～850 ℃，可以大大降低人造金剛石的熱損傷；表鑲8～10 目大顆粒人造金剛石，孕鑲16～40 目金剛石的濃度為100%～150%，工作層高度為25～30 mm［22-26］。為了保證各個切削齒在刀翼上的布齒密度和一定鉆壓下鉆頭的有效切削，采用不等密度交錯布齒方式和不同切削齒形狀設(shè)計。

2.1.4 制造工藝

大直徑鉆頭在整體無壓燒結(jié)過程中，操作非常不便，且由于浸漬通道較長，容易出現(xiàn)燒結(jié)強度不足的問題。本次研制采用分體無壓燒結(jié)中心體結(jié)合外部鋼體二次鑲嵌熱壓的制造方式，以保證鉆頭的強度。

2.2 鉆頭現(xiàn)場使用情況

經(jīng)過上述各方面的研究后，試制了一個?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭（見圖2）。

該鉆頭在博孜區(qū)塊配合高速渦輪鉆具進行了鉆進試驗，鉆頭鉆進61 m 后進尺速度緩慢，提鉆出井后的鉆頭照片見圖3。由出井鉆頭可以分析出，鉆頭中心部位的復(fù)合片和表鑲大顆粒金剛石的磨損都很小，還有很高的工作壽命，其結(jié)構(gòu)和配方設(shè)計等可以滿足需求；但是外側(cè)二次鑲嵌切削齒，在高轉(zhuǎn)速的鉆進引起的高溫環(huán)境中，發(fā)生了焊接面的熔移和部分的掉塊，刀翼外部的不正常磨損，無法滿足渦輪鉆具鉆進的要求，需要改進設(shè)計。

圖2 ?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭Fig.2 ?333mm surface impregnated diamond bit

圖3 ?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭出井后照片F(xiàn)ig.3 Photo of ?333mm surface impregnated diamond bit after it is tripped out of the well

3 高速渦輪配套新型金剛石鉆頭的改進設(shè)計

根據(jù)第一次鉆頭的使用情況分析后，改進了鉆頭的制造工藝，采用鉆頭中心部分+外側(cè)部分分體無壓燒結(jié)后再組合在一起（見圖4），并在接縫處設(shè)計了交錯分布的不同規(guī)格的切削齒，保證鉆頭切削的整體覆蓋性。改進后又試制了?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭（見圖5），并在博孜區(qū)塊巨厚礫石層配合高速渦輪進行鉆進，現(xiàn)場使用情況見表1。

圖4 分體燒結(jié)鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the improved bit structure

由表1 可以看出，改進后的?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭配合高速渦輪鉆進，從井深3040 m 入井鉆進至3340 m 出井，累計進尺為300 m，累計純鉆時間為148.03 h，平均時效達2.01 m。鉆頭出井后的照片見圖6，其與進口孕鑲金剛石鉆頭和牙輪鉆頭的使用情況對比見圖7。

圖5 改進后?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭Fig.5 Second improved ?333mm surface impregnated diamond bit

表1 改進后?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭配合渦輪鉆具現(xiàn)場使用情況Table 1 Field usage of the ? 333mm surface impregnated diamond bit for the turbodrill

圖6 改進后?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭出井后照片F(xiàn)ig.6 Photo of the improved ?333mm surface impregnated diamond bit after it is tripped out of the well

由圖7 可以看出，研制的?333 mm 表孕鑲金剛石全面鉆頭的平均時效是進口牙輪鉆頭的2.7 倍，是進口孕鑲金剛石鉆頭的1.2 倍；使用壽命是進口牙輪鉆頭的4.3 倍，略低于進口孕鑲金剛石鉆頭。由此可見，鉆頭的綜合指標遠高于進口牙輪鉆頭，與進口孕鑲金剛石鉆頭相當，但是鉆頭的費用遠低于進口孕鑲金剛石鉆頭，且鉆頭的改進設(shè)計和供貨響應(yīng)比進口鉆頭及時，大大降低了鉆井成本。

從圖6 可以看出，鉆頭的連接處出現(xiàn)了拉槽的磨損特征，保徑處的磨損也較大，需要下一步繼續(xù)開展改進研究。

圖7 3 種鉆頭在博孜區(qū)塊巨厚礫石層使用情況對比Fig.7 Comparison of three kinds of bits used in the massive gravel layer in the Bozi Block

4 結(jié)論

通過鉆頭結(jié)構(gòu)、中心加強、多級孕鑲金剛石配方、分體燒結(jié)制造工藝研究試制的?333 mm 新型刀翼式表孕鑲金剛石全面鉆頭配合高速渦輪鉆具能夠很好地滿足博孜區(qū)塊巨厚礫石層鉆進要求；鉆頭的平均時效達2.01 m，使用壽命300 m，其使用效果與進口孕鑲金剛石鉆頭相當，但費用遠低于進口鉆頭，大大降低了鉆探成本，可以有效支撐油氣勘探開發(fā)，后續(xù)需研究改進提高連接和保徑處的耐磨性，以進一步提高鉆頭的壽命。