小尺寸切削齒PDC鉆頭在吉南區(qū)塊硬地層中的應(yīng)用

胡佳，耿付恒，秦新德

（1.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280；2.中國(guó)石油吐哈油田分公司 工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善 838200）

0 引言

吉南區(qū)塊目前采用2種井身結(jié)構(gòu)，第一種是直井二開(kāi)結(jié)構(gòu)375.0～241.3 mm，第二種是水平井或定向井三開(kāi)結(jié)構(gòu)375.0～241.3～165.1 mm，其中二開(kāi)241.3 mm井段是實(shí)現(xiàn)區(qū)塊提速的重點(diǎn)攻關(guān)井段，主要鉆進(jìn)難點(diǎn)有兩方面：一是二疊系梧桐溝組和紅雁池組地層可鉆性差，梧桐溝組深灰色泥巖塑性強(qiáng)難吃入，紅雁池組火成巖破壞性強(qiáng)，鄰井平均機(jī)械鉆速僅2.11 m/h；二是受山前構(gòu)造和斷裂帶影響，斷層、裂縫多，二疊系以上地層井壁極易失穩(wěn)、垮塌[1～4]。為此，研發(fā)一種新型PDC鉆頭來(lái)解決鉆頭吃入和防卡的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的提速增效。

1 鄰井實(shí)鉆情況及地層分析

根據(jù)區(qū)塊鄰井資料得知，梧桐溝組以上地層可鉆性較好，進(jìn)入梧桐溝組后，機(jī)械鉆速急劇下降，鄰井3起鉆更換為四刀翼16 mm和19 mm切削齒PDC鉆頭，切削齒分別采用了平面齒、異形齒，均不能解決機(jī)速慢問(wèn)題，最高鉆時(shí)達(dá)到183 min/m。紅雁池組均采用四刀翼16 mm切削齒PDC鉆頭，鄰井4共使用5趟鉆鉆穿紅雁池組，平均單只PDC進(jìn)尺100 m，平均機(jī)械鉆速0.93 m/h，損失工期18.2 d，鄰井鉆頭使用情況如表1所示。

表1 鄰井梧桐溝組～紅雁池組鉆頭使用情況

表2 鄰井鉆進(jìn)參數(shù)和鉆具組合

結(jié)合地質(zhì)、錄測(cè)井資料分析：梧桐溝組主要為砂泥互層，其中以灰色、深灰色的泥巖為主且厚度為巨厚級(jí)，細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為輔，呈夾雜薄條狀，地層塑性指數(shù)為4.2，單軸抗壓強(qiáng)度為80～100 MPa，可鉆性極值為5.3～6.8，屬中硬地層。紅雁池組以棕褐色泥巖為主，夾灰色凝灰?guī)r、玄武巖，地層塑性指數(shù)為3.3，單軸抗壓強(qiáng)度為80～150 MPa，可鉆性極值為6.2～7.1，屬中硬地層。綜上所述，吉南區(qū)塊梧桐溝組和紅雁池組屬于中等硬度地層，其中梧桐溝組塑性強(qiáng)，鄰井使用19 mm及16 mm切削齒的PDC鉆頭均未能解決機(jī)速慢問(wèn)題。

2 PDC鉆頭的設(shè)計(jì)

1）切削齒尺寸。

PDC鉆頭對(duì)于各類(lèi)型的地層都有良好的適應(yīng)性，而切削齒尺寸的選擇則是實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭應(yīng)用效率的最主要參數(shù)，需根據(jù)目標(biāo)地層巖性的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行針對(duì)性選擇。相關(guān)研究表明：在中等硬度地層，抗壓強(qiáng)度為8000～16 000 psi，即55～110 MPa，應(yīng)選擇16～19 mm切削齒，鄰井在該井段使用了19 mm和16 mm切削齒。從梧桐溝組進(jìn)入紅雁池組后，地層抗壓強(qiáng)度大幅提升至150 MPa，可鉆性極值升高至7.1，16 mm切削齒不能很好地適應(yīng)該地層，需要選用更小尺寸的切削齒。本文選用φ13 mm小尺寸切削齒作為主切削齒，一是解決梧桐溝組巨厚泥巖段的吃入問(wèn)題，二是小尺寸切削齒在破壞性地層中抗崩齒能力更強(qiáng)，在鉆進(jìn)紅雁池組火成巖時(shí)，能保證PDC鉆頭較高的機(jī)械鉆速和長(zhǎng)壽命。

2）高側(cè)切特征。

在不同特點(diǎn)的地層中，鉆頭的冠部頭型與切削效率有直接關(guān)系，鄰井鉆頭普遍采用中等內(nèi)錐的短拋物線頭型，如圖1所示，使得鉆頭內(nèi)錐面積比較大，而外錐部分面積較小，大部分鉆壓直接加在鉆頭的內(nèi)錐部位，分配給外錐的鉆壓較少。根據(jù)PDC鉆頭的工作特點(diǎn)可以得知，鉆頭內(nèi)錐切削量少而外錐切削量大，外錐的切削效率是影響機(jī)速最主要的原因，鄰井的設(shè)計(jì)特征使外錐比鉆壓過(guò)低，不利于吃入較硬地層，這也是鄰井鉆頭機(jī)速低的最明顯問(wèn)題。

圖1 常規(guī)鉆頭的短拋物線頭型圖

針對(duì)該問(wèn)題引入高側(cè)切特征理論，進(jìn)行了全新的PDC 鉆頭冠部輪廓設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)采用淺內(nèi)錐角、大外錐短拋物線頭型，如圖2所示，外錐半徑R2＞R1，冠頂中心距L2＜L1，頭型高度相等均為H，該頭型從內(nèi)錐到外錐部分過(guò)渡極為平緩，形成一個(gè)較大的圓弧形，更多的鉆壓直接作用于鉆頭的外錐，在外錐相同數(shù)量切削齒情況下，這就保證了主切削刃能夠分配到更大的比鉆壓來(lái)吃入地層，切削體積和切削量更大，從而提高ROP，這種特征定義為高側(cè)切特征。鄒德永等[5～6]的鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖2 新設(shè)計(jì)的小尺寸切削齒PDC鉆頭頭型圖

3）切削角度優(yōu)化。

本文所研究地層屬于中等硬度地層，應(yīng)選擇中等布齒密度及較大的切削角度（20°～25°），分析區(qū)塊鄰井鉆頭磨損情況發(fā)現(xiàn)，梧桐溝組起出鉆頭普遍為輕微磨損特征，而紅雁池組起出鉆頭有崩齒和報(bào)廢情況，為了解決梧桐組和紅雁池組一趟鉆問(wèn)題，需要對(duì)鉆齒切削角度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。鄒德永等[1]進(jìn)行了微鉆頭切削試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆進(jìn)可鉆性Ⅵ～Ⅶ級(jí)的地層時(shí)，切削齒的最佳后傾角為15°。結(jié)合鄰井鉆頭磨損情況及相關(guān)研究數(shù)據(jù)，本文選擇從內(nèi)錐-外錐逐漸變化的切削角度，內(nèi)錐切削齒角度為13～14°，外錐切削齒角度為15°～16°，外錐部位切削齒賦予5°～10°的側(cè)傾角，有利于巖屑的指向性排出，加速清洗潤(rùn)滑作用，進(jìn)一步提高破巖效率。

4）防卡結(jié)構(gòu)。

在鉆進(jìn)蠕變縮徑、疏松易垮塌、地層交互以及類(lèi)似問(wèn)題地層時(shí)，經(jīng)常要使用1個(gè)或多個(gè)劃眼器對(duì)井壁進(jìn)行修整，以求完成一個(gè)光滑的井眼，劃眼器一般安裝鉆鋌或鉆桿上，距離井底PDC鉆頭有較大的距離，這段距離是引起起下鉆阻卡的重要原因。

針對(duì)區(qū)塊地層井壁易失穩(wěn)、垮塌的特點(diǎn)，在PDC鉆頭上設(shè)計(jì)一種倒劃眼防卡結(jié)構(gòu)，可以強(qiáng)化倒劃眼齒及錐形防卡齒（如圖3），該防卡結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：一是具有比較平緩的倒劃結(jié)構(gòu)，有利于巖屑轉(zhuǎn)移；二是倒劃眼齒及錐形防卡齒交錯(cuò)布置，可以實(shí)現(xiàn)井底360°范圍全覆蓋切削功能。該防卡結(jié)構(gòu)能對(duì)井壁垮塌巖石、掉塊進(jìn)行二次破碎，具有更小的轉(zhuǎn)矩和軸向阻力，減少對(duì)鉆具的損害，降低井下鉆具事故風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 PDC鉆頭上的防卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 鉆井參數(shù)及鉆具組合優(yōu)化措施

該區(qū)塊處于山前斷褶帶，鉆探過(guò)程中受山前應(yīng)力和斷裂影響、井壁可能產(chǎn)生垮塌、局部井徑可能出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，地層傾角較大等原因產(chǎn)生的卡鉆現(xiàn)象、區(qū)塊內(nèi)多口鄰井發(fā)生了卡鉆事故，采取合理的鉆進(jìn)參數(shù)和鉆具組合對(duì)預(yù)防井下事故有積極作用。

鄰井鉆進(jìn)參數(shù)分析：鄰井在該井段采用了較高的鉆壓（60～100 kN），導(dǎo)致井斜上漲過(guò)快，只能通過(guò)定向進(jìn)行糾斜，過(guò)多的定向工況降低了鉆進(jìn)時(shí)效。排量34～36 L/s和泵壓18～23 MPa偏低，使環(huán)空返速和巖屑上返速度低，不利的影響是井筒內(nèi)巖屑堆積、濃度高，造成鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩增大、泵壓上升。

優(yōu)化措施：1）在井眼穩(wěn)定和設(shè)備允許情況下排量和泵壓要盡量大（40 L/s、25 MPa）,保持井眼凈化能力，必要時(shí)采用高密度、高黏度稠漿循環(huán)沖洗井底；2）要采用小鉆壓吊打，鉆進(jìn)過(guò)程中做到少定向、多復(fù)合的鉆進(jìn)方式快速鉆進(jìn)，避免在該井段長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)劃眼，降低地層坍塌卡鉆和井眼擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)。

鄰井鉆具組合分析：鄰井1和鄰井2在鉆進(jìn)該井段時(shí)采用了0～1和0～2雙扶穩(wěn)斜的鉆具組合，具有防斜打直的效果，缺點(diǎn)是過(guò)多的扶正器在該復(fù)雜井段中易產(chǎn)生阻卡，誘發(fā)卡鉆事故。

優(yōu)化措施：1）更換單彎螺桿鉆具為無(wú)扶直螺桿鉆具，消除螺桿彎接頭對(duì)井壁的破壞作用；2）采用塔式鉆具結(jié)構(gòu)，提高該井段的穩(wěn)斜效果；3）在合理的位置加入防卡劃眼工具，強(qiáng)化對(duì)井下掉塊的有效切削、破碎作用。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及使用效果分析

按照上述鉆井參數(shù)和鉆具組合優(yōu)化措施，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)與工程師進(jìn)行充分溝通后進(jìn)行了優(yōu)化，如表3所示，在鉆進(jìn)過(guò)程中采取了小鉆壓、大排量、高泵壓的鉆進(jìn)參數(shù)能有效控制井斜[10]，減少了定向工況，提高了鉆井時(shí)效。采用新鉆具組合后，一趟鉆鉆至預(yù)定層位，上提鉆具無(wú)遇阻情況發(fā)生。后續(xù)電測(cè)、下套管通暢無(wú)遇阻，滿足設(shè)計(jì)需求，達(dá)到鉆具組合優(yōu)化的目的。

表3 優(yōu)化后的鉆進(jìn)參數(shù)和鉆具組合

按照上述設(shè)計(jì)方案對(duì)新型PDC鉆頭進(jìn)行了生產(chǎn)制造，分別在吉南探區(qū)內(nèi)的薩4井、薩102～2～2H井、薩104～22～9井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，如表4所示，其中薩4井同井段機(jī)械鉆速比鄰井提高174%，創(chuàng)造了整個(gè)吉南工區(qū)鉆井新紀(jì)錄，全井鉆探周期縮短達(dá)49.2%，提速增效相當(dāng)明顯。此外，該鉆頭在上述3口井的鉆探中均實(shí)現(xiàn)了一趟鉆完成難鉆探井段鉆進(jìn)目標(biāo)，這從起出鉆頭磨損輕也可以得到驗(yàn)證（如圖4），表明了該新型鉆頭起下鉆全過(guò)程實(shí)現(xiàn)了順暢無(wú)遇阻，大大降低了鉆頭應(yīng)用成本，具有極佳的推廣應(yīng)用前景。

圖4 PDC鉆頭出井現(xiàn)場(chǎng)圖

表4 新型鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

1）在鉆進(jìn)可鉆性極值為Ⅴ～Ⅶ級(jí)的中硬地層時(shí)，采用φ13 mm小尺寸切削齒能顯著提高鉆頭機(jī)械鉆速和抗沖擊性能，鉆井效率得到了提高。

2）PDC鉆頭應(yīng)用高側(cè)切特征能提高鉆頭外錐部位切削齒的比鉆壓，改善鉆頭的整體受力分布，使主切削刃更容易吃入地層，從而提高ROP。

3）切削齒角度是PDC鉆頭重要的技術(shù)參數(shù)，在鉆進(jìn)中等硬度非研磨性地層時(shí)，切削齒的最優(yōu)后傾角為13°～16°。

4）新型PDC鉆頭在吉南區(qū)塊應(yīng)用成功，為加快區(qū)塊開(kāi)發(fā)進(jìn)度具有著重要指導(dǎo)意義。