巴彥河套新區(qū)異形齒PDC鉆頭研究與應(yīng)用

陳新海

（渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062550）

0 引言

巴彥河套區(qū)塊屬華北油田新獲礦權(quán)區(qū)塊，有望成為儲(chǔ)量建產(chǎn)接替遠(yuǎn)景區(qū)，資源量豐富，勘探面積大。該區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，發(fā)育有片麻巖、黃鐵礦、含膏泥巖等復(fù)雜巖性，巖石可鉆性差、機(jī)械鉆速低，在鉆井提速方面急需開展相關(guān)研究。為進(jìn)一步摸清資源潛力，開發(fā)油氣資源，華北油田已部署了多口探井、開發(fā)井。但該區(qū)作為新區(qū)，鉆頭選型不成熟，需根據(jù)地層巖性分析和已鉆井調(diào)研情況等開展研究分析，明確該區(qū)的鉆頭優(yōu)選方向。

1 地層巖性分析

巴彥河套區(qū)塊自上而下鉆遇的地層為第四系、新近系、古近系、白堊系以及太古界地層。以吉華1-1井和吉華1-2井為例進(jìn)行分析，圖1、圖2為其鉆時(shí)曲線，由圖中可以看出，太古界頂面以上白堊系及以上地層鉆時(shí)少，可鉆性好；太古界頂面以下除頂部風(fēng)化段，可選性相對(duì)好外，其余可鉆性較差。

圖1 吉華1-1井鉆時(shí)Fig.1 Drilling time of Well Jihua 1-1

圖2 吉華1-2井鉆時(shí)Fig.2 Drilling time of Well Jihua 1-2

圖3 、圖4為吉華1-1井和吉華1-2井測(cè)井曲線，不同井的巖石單軸抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較大，硬度不同；內(nèi)摩擦角變化不大，具體數(shù)值見表1。

圖3 吉華1-1井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)Fig.3 Logging data of Well Jihua 1-1

表1 抗壓強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)Table 1 Compressive strength and internal friction angle data

綜合圖1～4分析可知，白堊系以上地層以砂泥巖為主，可鉆性較好。太古界地層以片麻巖為主，上部風(fēng)化段可鉆性相對(duì)好，下部地層研磨性強(qiáng)，可鉆性差。圖1～4可相互佐證。根據(jù)地層巖性變化，在摸清地層的情況下，太古界上部風(fēng)化段及以上地層針對(duì)性優(yōu)選鉆頭首先保障機(jī)械鉆速兼顧單只進(jìn)尺，太古界上部風(fēng)化段以下地層針對(duì)性優(yōu)選鉆頭首先保障鉆頭單只進(jìn)尺，提高鉆頭抗研磨性，兼顧機(jī)械鉆速。

為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)太古界地層巖性，開展了吉華1井和吉華鉆孔2井的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。選取4組巖心進(jìn)行單軸及三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)（見圖5）。計(jì)算其內(nèi)摩擦角、粘聚力、泊松比等參數(shù)（見表2）。為后續(xù)的鉆頭優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支持。由數(shù)據(jù)可知單軸抗壓強(qiáng)度100～150 MPa，內(nèi)摩擦角35°～45°，巖石硬度大，抗研磨性強(qiáng)。

表2 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of rock mechanics

圖5 巖心及測(cè)試情況Fig.5 Core and testing results

2 實(shí)鉆情況調(diào)研

2.1 本區(qū)塊實(shí)鉆情況調(diào)研

2.1.1 白堊系及以上地層

以砂泥巖為主，埋深較淺的地層可鉆性較好，隨著埋深的增加，可鉆性變差。該區(qū)塊早期（20世紀(jì)80年代）深井鉆探數(shù)量較少，且鉆井周期在1年以上。2014年（隆1井）鉆井周期85 d，近期完鉆井的臨華參1井鉆井周期60 d，下部井段實(shí)鉆數(shù)據(jù)見表3，雖然鉆井提速取得了顯著成效，但在深層白堊系底部5000 m以下機(jī)械鉆速較低（1.50 m/h左右）。

表3 臨華參1井深層鉆頭統(tǒng)計(jì)表Table 3 Data of deep drill bits in Linhuacan-1 well

2.1.2 太古界地層

片麻巖發(fā)育、硬度高、非均質(zhì)性強(qiáng)、可鉆性差，常規(guī)PDC鉆頭使用受限。以吉華1區(qū)塊為例，該區(qū)塊開展了常規(guī)PDC鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，PDC鉆頭對(duì)該地層適應(yīng)性差，切削齒崩損快，單只進(jìn)尺少，米進(jìn)尺成本高，后期該區(qū)塊片麻巖地層均采用牙輪鉆頭，二開井段消耗鉆頭至少為1只PDC鉆頭和2只牙輪鉆頭，且平均機(jī)械鉆速不到4 m/h。

根據(jù)前期已鉆井統(tǒng)計(jì)，平均機(jī)械鉆速3.57 m/h，平均進(jìn)尺160 m，其中PDC鉆頭平均進(jìn)尺82.9 m，平均機(jī)械鉆速3.59 m/h。牙輪鉆頭平均進(jìn)尺171 m，平均機(jī)械鉆速3.54 m/h。由實(shí)鉆情況（表4）可以看出PDC鉆頭和牙輪鉆頭機(jī)械鉆速均較低，PDC鉆頭的單只進(jìn)尺不足牙輪鉆頭的50%。

表4 部分井實(shí)鉆數(shù)據(jù)Table 4 Actual drilling data of some wells

2.2 外部區(qū)塊難鉆地層異形齒鉆頭實(shí)鉆情況調(diào)研

以塔里木油田的塔河南難鉆地層異形齒鉆頭實(shí)鉆情況為例，該區(qū)實(shí)驗(yàn)了斧形齒、三棱齒、尖圓齒、錐形齒等異形齒鉆頭，較鄰井單只進(jìn)尺與機(jī)械鉆速均有大幅度增加，平均單只進(jìn)尺以及平均機(jī)械鉆速均提高約40%，其中最大機(jī)械鉆速以及單只鉆頭進(jìn)尺是鄰井的2倍以上（見圖6）。

圖6 部分井異形齒鉆頭實(shí)鉆數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison of actual drilling data of special tooth bits in some wells

3 鉆頭優(yōu)選

3.1 異形復(fù)合片對(duì)比分析

結(jié)合該區(qū)地層巖性變化，進(jìn)行異形復(fù)合片優(yōu)選分析。

3.1.1 異形主切削齒優(yōu)化對(duì)比分析

圖7為常規(guī)復(fù)合片在切削巖石時(shí)的巖石應(yīng)力云圖，由圖7可以看出復(fù)合片前端巖石應(yīng)力最為集中。復(fù)合片在與巖石接觸時(shí)，在鉆壓的作用下吃入地層，在扭矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。復(fù)合片前部擠壓巖石，破壞巖石原有應(yīng)力狀態(tài)，降低巖石強(qiáng)度；復(fù)合片底部通過剪切作用剪斷復(fù)合片前部巖石與地層的膠結(jié)。整個(gè)過程在壓入、扭轉(zhuǎn)的作用下完成了鉆頭對(duì)地層鉆進(jìn)［1-5］。

圖7 常規(guī)切削破巖應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of rock breaking with conventional cutting

圖8為犁式復(fù)合片在切削巖石時(shí)的巖石應(yīng)力云圖，由圖8可以看出復(fù)合片前端巖石應(yīng)力同樣最為集中，但較常規(guī)復(fù)合片，由于犁式的尖端作用，復(fù)合片前端巖石應(yīng)力集中程度增加最先破壞，同時(shí)將切削到的巖石碎片推向復(fù)合片兩側(cè)，降低了復(fù)合片的前行阻力。在鉆壓的作用下復(fù)合片壓入巖石，較常規(guī)復(fù)合片，因犁式的尖端作用，同樣的鉆壓下，底部巖石受擠壓的程度增加，即復(fù)合片吃入地層的深度增加?？傊缡綇?fù)合片破巖相對(duì)常規(guī)復(fù)合片破巖，將更多的破巖功率用于對(duì)巖石的剪切作用，破巖效率更高［6-12］。

圖8 犁式破巖應(yīng)力云圖Fig.8 Plow-type rock breaking stress nephogram

經(jīng)上述分析可知多棱齒在邊緣切削刃上形成一凸脊棱，在鉆進(jìn)時(shí)，切削力以點(diǎn)接觸或線接觸方式加載，加載較小的力即可破碎礫石。多棱齒將剪切與壓碎破巖作用綜合在一起，兩者相得益彰，能夠更有效地切削巖石。多棱齒脊?fàn)钌系慕饎偸瘜痈?，具有更好的抗沖擊性和耐磨性，從而使采用該切削齒的鉆頭更加耐用，平均機(jī)械鉆速更高。多棱齒可以預(yù)破碎巖石，降低剪切巖石時(shí)所需切削力，使總扭矩更?。?3-15］。在定向鉆進(jìn)中提高工具面角的控制能力，井眼的軌跡控制性好。

3.1.2 異形輔切削齒優(yōu)化對(duì)比分析

圖9為錐形切削齒在切削巖石時(shí)的巖石應(yīng)力云圖，錐形切削齒的載荷集中于一點(diǎn)，對(duì)堅(jiān)硬巖石具有預(yù)破碎功能，便于鉆頭上其他切削齒切削，同時(shí)能夠鉆出更大巖屑，便于進(jìn)行礦物學(xué)、滲透率等的分析。錐形切削齒上較厚的金剛石層提高了鉆頭耐磨性和抗沖擊性。相對(duì)普通切削齒因其與地層接觸面積小，且接觸點(diǎn)接觸應(yīng)力高，提高鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)等平穩(wěn)性，有利于工具面控制和延長(zhǎng)井下鉆具組合壽命。

圖9 錐壓破巖應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of rock breaking with cone-pressing

3.2 異形齒鉆頭優(yōu)選

根據(jù)異形齒優(yōu)勢(shì)對(duì)比分析，結(jié)合鉆遇地層巖性變化，為提高鉆井效率，應(yīng)針對(duì)性對(duì)鉆頭的主副切削齒進(jìn)行優(yōu)化，使其相互配合，提高鉆頭與地層之間的配伍性?？摄@性較好的地層，優(yōu)選常規(guī)PDC鉆頭；可鉆性相對(duì)差的地層，根據(jù)巖性變化，優(yōu)選具有斧形齒、多棱齒以及錐形齒的鉆頭，主切削齒優(yōu)選斧形齒和多棱齒，輔切削齒優(yōu)選斧形齒和錐形齒。普通切削齒、斧形齒、多棱齒以及錐形齒分別見圖10。斧形齒具有相對(duì)強(qiáng)的攻擊性，適用于可鉆性相對(duì)好的地層，保障機(jī)械鉆速。多棱齒在使用至后期時(shí)，由于地層研磨作用下，使凸脊棱研磨殆盡，此時(shí)齒中心的三角平面開始與地層接觸，形成一新切削刃，起到繼續(xù)切削的作用，與平面齒相比增加一次切削機(jī)會(huì)，適用于在軟硬交錯(cuò)地層，兼具攻擊性，抗沖擊性及抗研磨性，在保障單只進(jìn)尺的同時(shí)保障機(jī)械鉆速。輔切削齒斧形齒和錐形齒，通過提高復(fù)合片與地層接觸強(qiáng)度來破碎巖石，可鉆性相對(duì)差的選用斧形齒，可鉆性較差的地層選用錐形齒［4-16］。

圖10 切削齒齒形Fig.10 Cutting tooth shape

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 斧形齒+錐形齒鉆頭應(yīng)用情況

臨華1X井3763～3876 m井段為砂泥巖地層，埋藏深，壓實(shí)程度高，可鉆性相對(duì)好。為提高機(jī)械鉆速，主切削齒選用斧形齒，提高鉆頭吃入地層能力，降低復(fù)合片切削阻力，輔助切削齒選用錐形齒，將載荷集中于一點(diǎn)，對(duì)堅(jiān)硬巖石進(jìn)行預(yù)破碎，降低巖石強(qiáng)度，便于斧形齒切削片進(jìn)行切削（見圖11）。試驗(yàn)鉆頭進(jìn)尺110 m，平均機(jī)械鉆速5.79 m/h，較同井段上部地層提高80%左右（見表5）。因二開鉆至設(shè)計(jì)井深中完起鉆，鉆頭可再次入井使用。

表5 臨華1X井斧形齒+錐形齒鉆頭應(yīng)用情況Table 5 Application of axe tooth+conical tooth bit in Well Linhua 1X

圖11 斧形齒+錐形齒鉆頭Fig.11 Axe tooth+conical tooth bit

4.2 多棱齒+平面齒鉆頭應(yīng)用情況

（1）臨華1X井5367.56～5612 m井段砂泥巖互層，砂巖成分以石英為主，地層軟硬互層，可鉆性相對(duì)差。為保障單只進(jìn)尺，同時(shí)兼顧機(jī)械鉆速，主切削齒選用多棱齒，多棱齒在邊緣切削刃上形成一凸脊棱，切削力以點(diǎn)接觸或線接觸方式加載，加載相當(dāng)較小的力即可破碎礫石，用于攻克地層中硬夾層，輔助切削齒選用常規(guī)齒，提高鉆頭對(duì)巖石體積破巖速率，用于攻克地層中軟夾層，助力提高鉆頭鉆進(jìn)速度，見圖12。試驗(yàn)鉆頭進(jìn)尺244.44 m，平均機(jī)械鉆速6.98 m/h，較同井段地層提高40%左右（見表6）。

圖12 多棱齒+平面齒鉆頭Fig.12 Polygonal tooth+plane tooth bit

表6 臨華1X井多棱齒+平面齒鉆頭應(yīng)用情況Table 6 Application of polygonal tooth+plane tooth bit in Well Linhua 1X

（2）吉華30X井401～3200 m井段含有礫巖、砂泥巖，地層可鉆性變化大。為提高機(jī)械鉆速，主切削齒選用多棱齒，多棱齒在邊緣切削刃上形成一凸脊棱，切削力以點(diǎn)接觸或線接觸方式加載，加載較小的力即可破碎礫石，用于攻克地層中礫巖等硬夾層，輔助切削齒選用常規(guī)齒，提高鉆頭對(duì)巖石體積破巖速率，用于攻克地層中軟夾層，助力提高鉆頭鉆進(jìn)速度。試驗(yàn)鉆頭進(jìn)尺2799 m，平均機(jī)械鉆速30.42 m/h，較同井段地層提高82.5%（見表7）。

表7 吉華30X井鉆頭應(yīng)用情況Table 7 Bit usage in Well Jihua 30X

（3）吉華36X井400～2728 m井段地層含有礫巖、砂泥巖，地層可鉆性變化大，選用了吉華30X井401～3200 m井段所用的鉆頭。試驗(yàn)鉆頭進(jìn)尺2328 m，平均機(jī)械鉆速21.96 m/h（見表8），實(shí)現(xiàn)了二開一趟鉆。

表8 吉華36X井鉆頭應(yīng)用情況Table 8 Bit usage in Well Jihua 36X

4.3 多棱齒+錐形齒鉆頭應(yīng)用情況

吉華19X井4441～4591 m井段地層巖性為太古界麻粒巖（見圖13），可鉆性極差，且井深較深，地層壓實(shí)程度高。為保障單只鉆頭的進(jìn)尺，同時(shí)兼顧機(jī)械鉆速，主切削齒選用多棱齒，多棱齒在邊緣切削刃上形成一凸脊棱，切削力以點(diǎn)接觸或線接觸方式加載，提高局部載荷強(qiáng)度，提高破巖效率。輔助切削齒選用錐形切削齒，在鉆壓的作用下將載荷集中于一點(diǎn)，對(duì)堅(jiān)硬巖石進(jìn)行預(yù)破碎，同時(shí)較厚的金剛石面提高鉆頭耐磨性和抗沖擊性（見圖14）。試驗(yàn)鉆頭進(jìn)尺150 m，平均機(jī)械鉆速3.0 m/h?？v向?qū)Ρ龋涸撎算@比上趟鉆牙輪鉆頭多進(jìn)尺95 m（井段4386～4441 m），約是上趟牙輪鉆頭單只進(jìn)尺的3倍，節(jié)省4趟起下鉆時(shí)間，平均機(jī)械鉆速提高0.38 m/h。橫向?qū)Ρ龋涸撎算@比臨華1X井5709～5782 m片麻巖段，單只鉆頭多進(jìn)尺77 m，約是其單趟進(jìn)尺的2倍，節(jié)省2趟起下鉆時(shí)間，平均機(jī)械鉆速提高0.57 m/h（見表9）。因井上施工原因，提前起鉆，起出的鉆頭還可再次入井使用。

圖13 太古界麻粒巖巖屑Fig.13 Archean granulite cuttings

圖14 多棱齒+錐形齒鉆頭Fig.14 Polygonal tooth+conical tooth bit

表9 吉華19X鉆頭應(yīng)用情況Table 9 Bit usage in Well Jihua 19X

該區(qū)通過異形齒鉆頭針對(duì)性優(yōu)選，其中21口井實(shí)現(xiàn)了二開“一趟鉆”（見表10），總進(jìn)尺30000余米，大幅縮短了鉆井周期，在助力勘探成本降低方面發(fā)揮了重要的作用。

表10 “一趟鉆”鉆頭應(yīng)用情況Table 10 Bit usage in one trip drilling

5 結(jié)論

（1）根據(jù)地層巖性變化，從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度針對(duì)性地開展切削齒形狀、受力分析等研究，通過不同齒形的變化及配合，強(qiáng)化鉆頭在易鉆地層攻擊性，強(qiáng)化鉆砂在難鉆地層抗沖擊性同時(shí)兼顧攻擊性。

（2）主切削齒根據(jù)地層可鉆性由好到差，依次優(yōu)選平面齒、斧形齒、多棱齒；輔切削齒根據(jù)地層可鉆性由好到差，依次優(yōu)選平面齒、斧形齒、錐形齒。