改進(jìn)型PDC鉆頭技術(shù)在錦州礫巖層的應(yīng)用

■大家談

改進(jìn)型PDC鉆頭技術(shù)在錦州礫巖層的應(yīng)用

關(guān)賀坤，和鵬飛

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津300452）

渤海遼東區(qū)域館陶組地層底礫巖硬度高、可鉆性差，通過(guò)分析鉆進(jìn)期間PDC鉆頭磨損特征，采用老井資料技術(shù)調(diào)研等方法，總結(jié)出影響底礫巖井段機(jī)械鉆速慢、鉆頭壽命短的主要影響因素。闡述了經(jīng)過(guò)鉆頭切屑齒的改變、優(yōu)化鉆頭刀翼數(shù)、刀翼形狀及布齒密度、鉆井參數(shù)等諸多方面的優(yōu)化，研制出一款更適合于遼東館陶組底礫巖地層高速鉆進(jìn)的強(qiáng)攻擊性高壽命鉆頭，分別在20口井使用。應(yīng)用實(shí)踐表明，可以快速、高效直接鉆穿館陶組底部礫巖地層井段，鉆井效率提高一倍以上，節(jié)省了海上鉆井作業(yè)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

底礫巖；PDC鉆頭；渤海油田

隨著海洋石油開(kāi)發(fā)的深入，渤海油田的鉆井效率大幅度提高，鉆井各井段的單項(xiàng)時(shí)效要求也隨之顯得越來(lái)越重要。渤海油田遼東區(qū)域館陶組地層存在不同厚度的底礫巖，以雜色、淺灰色為主,礫石以石英礫為主，硬度高、可鉆性差；鉆進(jìn)期間對(duì)鉆頭各結(jié)構(gòu)磨損程度大，機(jī)械鉆速慢，鉆頭壽命短，在鉆井過(guò)程中對(duì)鉆進(jìn)的整體效率有很大的影響。統(tǒng)計(jì)鉆井資料顯示，底部礫巖一次性鉆穿率不高，大部分井都需要中途起鉆下趟牙輪鉆頭鉆穿底部礫巖[1-4]。在保證礫巖上部地層機(jī)械鉆速前提下，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)鉆頭鉆穿館陶組底部礫巖成為鉆井提效的重點(diǎn)。

1 地質(zhì)特征

1）平原組。垂厚300m左右，上部為松軟海底沉積物，下部為大塊卵石及礫石。

2）明化鎮(zhèn)組。明化鎮(zhèn)組上段，垂厚600m左右，中上部為厚層含礫石砂巖夾泥巖，下部為厚層砂巖夾薄層泥巖。明化鎮(zhèn)組下段，垂厚150m左右，砂巖為主，含礫石砂巖夾薄層泥巖。

3）館陶組。垂厚300m左右，上部為厚層礫巖、含礫砂巖、夾薄層泥巖；下部為大套砂礫巖。

2 鉆頭磨損原因分析

2.1 地層可鉆性分析

從地層分析來(lái)看，該區(qū)域館陶組，地層抗壓強(qiáng)度：34.47～82.74MPa，內(nèi)摩擦角：28°～36°，含多套硬夾層，局部地層抗壓強(qiáng)度超過(guò)82.74MPa，內(nèi)摩擦角達(dá)到42°，屬于中高抗壓強(qiáng)度，中等研磨性地層（圖1）。巖性主要為：上部為厚層砂巖、含礫砂巖、夾薄層泥巖；下部為大套砂礫巖。

圖1 地層可鉆性分析圖

2.2 鉆頭磨損原因分析

礫巖地層由于巖屑顆?；祀s，且粒徑較大（大于2mm）膠結(jié)較硬，由于鉆頭渦動(dòng)以及PDC復(fù)合片磕碰嚴(yán)重，一般PDC鉆頭不適于鉆此類(lèi)地層。在渤海油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)常規(guī)鉆頭的加強(qiáng)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭在礫巖地層的鉆進(jìn)，尤其是館陶組底部礫巖，此類(lèi)PDC具有6～7刀翼、冠部較為平坦、雙排切削齒等常規(guī)特點(diǎn)，其耐磨性大于攻擊性，在綏中區(qū)域等應(yīng)用良好[5-6]。但是渤海油田館陶組底部礫巖呈現(xiàn)自南向北厚度加深且可鉆性變差的規(guī)律，在錦州等廣大遼東區(qū)域，館陶組底部礫巖垂直厚度達(dá)到了90m，PDC鉆頭不能直接鉆穿該段地層的情況時(shí)有發(fā)生，但總體相對(duì)于牙輪鉆頭情況較好，一方面牙輪鉆頭軸承壽命有限制，一方面進(jìn)尺效率確實(shí)低于PDC鉆頭。圖2為某井出井7刀翼PDC鉆頭，鉆頭磨損嚴(yán)重，且未鉆穿礫巖層。

圖2 某井出井PDC鉆頭狀況

3 對(duì)PDC鉆頭的針對(duì)性改進(jìn)

Φ311.2mm井段上部地層主要應(yīng)對(duì)館陶組底礫巖采用7刀翼、19mm切削齒鉆頭，在新鉆井作業(yè)前通過(guò)優(yōu)化鉆頭的抗沖擊性、鉆頭冠型，淺內(nèi)錐、大鼻部圓弧等結(jié)構(gòu)來(lái)解決上部地層較高造斜及鉆穿底礫巖的要求。在作業(yè)中也通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況及鉆頭出井情況再進(jìn)行深入分析討論，將鉆頭薄弱環(huán)節(jié)再次優(yōu)化，達(dá)到鉆頭高速鉆穿底礫巖的目的并延長(zhǎng)其使用壽命。

3.1 增加鉆頭抗沖擊性

針對(duì)前期使用的鉆頭整體切削齒崩損嚴(yán)重，且外排齒也損壞嚴(yán)重，未能有效的保護(hù)前排齒。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案將原鉆頭上的外排齒防碰節(jié)全部改為抗沖擊性能更好的19mm外排齒，且盡量向鉆頭心部增加外排齒，整體增加鉆頭抗沖性能（圖3）。

圖3 改進(jìn)前后PDC布齒情況

3.2 增加鉆頭工作穩(wěn)定性

PDC鉆頭在設(shè)計(jì)初期主要針對(duì)軟或者中硬地層，且地層均質(zhì)性要求較好，操作較為謹(jǐn)慎。隨著實(shí)踐和認(rèn)知的不斷加深，PDC鉆頭形制的改進(jìn)從未停止。對(duì)于礫巖地層，整個(gè)PDC鉆頭需要抗研磨性較高，而非針對(duì)中硬或者軟均質(zhì)地層的刀翼吃入、切削，礫巖地層中PDC鉆頭需要微量吃入，穩(wěn)定切削，PDC金剛石復(fù)合片抗研磨性和鉆頭冠部抗研磨性要加強(qiáng)。針對(duì)原鉆頭冠型較尖，容易造成工作狀態(tài)不穩(wěn)定，特別是在館陶組底部礫巖層中，可能會(huì)加速切削崩損。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案采用平坦的冠型，為了進(jìn)一步增加鉆頭的工作穩(wěn)定性，鉆頭心部刀翼的數(shù)量由原來(lái)的3個(gè)改為4個(gè)；刀翼寬度也由于原來(lái)的47mm增加到65mm（圖4）。

圖4 改進(jìn)前后PDC冠部形狀

3.3 增強(qiáng)保徑強(qiáng)度

由于本區(qū)域油田館陶組底部底礫巖垂深較厚，所鉆井均為定向井或者水平井，礫巖段斜深也相應(yīng)加長(zhǎng)，鉆頭及鉆具在礫巖段鉆進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)，鉆頭保徑磨損一般較為嚴(yán)重。常規(guī)的底部礫巖7刀翼鉆頭保徑部分未敷焊金剛石復(fù)合片，保徑耐磨損強(qiáng)度較低，保徑磨損以后鉆頭的不穩(wěn)定性也增強(qiáng)，進(jìn)一步限制了鉆頭的最大效率。針對(duì)這種狀況，改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案專(zhuān)門(mén)加強(qiáng)鉆頭的保徑強(qiáng)度，保徑上設(shè)計(jì)有保徑齒、倒劃眼、弧面平躺齒（圖5）。

圖5 改進(jìn)前后PDC保徑

3.4 復(fù)合片的改進(jìn)

PDC鉆頭金剛石復(fù)合片是其核心部件，是PDC鉆頭區(qū)別于刮刀鉆頭的一大特點(diǎn)，也是整個(gè)鉆頭切削、抗磨損的主要部分。國(guó)內(nèi)外對(duì)于PDC鉆頭形制的改進(jìn)較多，對(duì)于PDC金剛石復(fù)合片的研究較少，尤其在礫巖鉆進(jìn)中，復(fù)合片容易受到礫巖顆粒的不穩(wěn)定、不均衡磕碰導(dǎo)致復(fù)合片破損為主，且有效切削時(shí)間明顯減少，因此如何提高復(fù)合片的抗沖擊性，增強(qiáng)井底不穩(wěn)定抵抗對(duì)于高效鉆穿館陶組底部礫巖至關(guān)重要。PDC金剛石復(fù)合片其形狀一般為短圓柱體，史密斯公司近年著力研究可旋轉(zhuǎn)式復(fù)合片，能夠?qū)⒛p載荷均等化。本次渤海油田改進(jìn)采用改變PDC金剛石復(fù)合片形制的方式，利用圓弧形復(fù)合片面部設(shè)計(jì)，使改進(jìn)設(shè)計(jì)后的鉆頭使用抗沖擊性能更好的大倒角復(fù)合片，前排齒和后排齒都使用大倒角復(fù)合片（圖6）。

圖6 改進(jìn)前后的大傾角復(fù)合片

3.5 力平衡設(shè)計(jì)

鉆頭的穩(wěn)定性也是鉆頭設(shè)計(jì)中需要重視的因素。通過(guò)對(duì)鉆頭復(fù)合片受力進(jìn)行力不平衡計(jì)算，把這種不平衡力控制在3%以內(nèi)，鉆頭在工作時(shí)就可以有很好的穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化，鉆頭重心優(yōu)化到距中軸線1.5mm以內(nèi)，減輕大鉆頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)載荷沖擊。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 鉆具組合

311.15 mmPDC鉆頭+244.48mm螺桿馬達(dá)(1.15°)+ 203.2mm浮閥+279.4mm扶正器+203.2mm非磁鉆鋌+203.2mmMWD儀器+203.2mm非磁鉆鋌+ 203.2mm隨鉆震擊器+變扣接頭+127mm加重鉆桿。

4.2 鉆井參數(shù)的選擇

渤海油田長(zhǎng)期采用保護(hù)型參數(shù)，保證PDC鉆頭一次性鉆穿館陶組底部礫巖，即“三三三”參數(shù)[6-10]，鉆壓保持30kN以內(nèi)、排量維持在50L/s、轉(zhuǎn)速30r/min。為配合改進(jìn)型PDC鉆頭高效鉆穿，對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行分段細(xì)化、優(yōu)化，主要有：在底部礫巖垂深頂前50m降低參數(shù)，采用常規(guī)的“三三三”參數(shù)穩(wěn)定鉆進(jìn)；礫巖中下部鉆進(jìn)采用鉆壓30～40kN、排量提高至53.3L/s、轉(zhuǎn)速維持30r/min參數(shù)鉆進(jìn)，雖然轉(zhuǎn)速?zèng)]提高，但是由于館陶組底部礫巖段均采用螺桿馬達(dá)鉆具，排量的提高也對(duì)應(yīng)底部組合鉆頭轉(zhuǎn)速提高；離預(yù)測(cè)礫巖底垂深30m時(shí)，進(jìn)一步提高參數(shù)至鉆壓40～60kN、排量55～58.3L/min、轉(zhuǎn)速40r/min，利用沖刺作用高效鉆穿。

4.3 底礫巖井段的井眼軌跡設(shè)計(jì)

為了保證底礫巖井段的高效鉆穿，避免滑動(dòng)定向，在底礫巖井段進(jìn)行井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般該段段長(zhǎng)約2～3柱鉆桿長(zhǎng)度，井眼軌跡設(shè)計(jì)為穩(wěn)斜段，如有造斜需要?jiǎng)t在底礫巖以上井段以略高的造斜率完成或者在鉆穿底礫巖后在東營(yíng)組地層設(shè)計(jì)略高的造斜率。

4.4 應(yīng)用效果

改進(jìn)型PDC鉆頭在遼東區(qū)域油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中成功應(yīng)用，本區(qū)塊老井的機(jī)械鉆速見(jiàn)表1。館陶組底礫巖平均機(jī)械鉆速維持在4m/h左右。

2013-2014年投入開(kāi)發(fā)的油田，經(jīng)過(guò)使用改進(jìn)型的PDC鉆頭應(yīng)對(duì)館陶組底礫巖，凸顯了其進(jìn)尺快，壽命長(zhǎng)，更耐用，較從前老井使用普通PDC鉆頭和牙輪鉆頭有了很大地突破。改進(jìn)后的鉆頭應(yīng)用20井次以上，平均機(jī)械鉆速達(dá)到了9.6m/h，相比牙輪鉆頭及常規(guī)PDC鉆頭在底礫巖段的平均機(jī)械鉆速（大約在4m/h）改進(jìn)后的PDC鉆頭機(jī)械鉆速較以前提高了約140%，且均鉆穿館陶組底部礫巖，平均每口井節(jié)省時(shí)間12h以上（圖7）。通過(guò)改進(jìn)型PDC鉆頭的成功應(yīng)用，在提高鉆井時(shí)效、縮短作業(yè)周期方面發(fā)揮了積極作用，為油田提高開(kāi)發(fā)效益作出了較大貢獻(xiàn)。

表1 錦州9-3生產(chǎn)井井館陶組底礫巖地層機(jī)械鉆速

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)PDC鉆頭的優(yōu)化，尤其是使用復(fù)合片保徑及增加側(cè)向切削齒能有效增加保徑塊的抗研磨能力，應(yīng)用實(shí)踐表明可以快速、高效的鉆穿錦州區(qū)域館陶組底礫巖地層。

2）從優(yōu)化效果可以看出對(duì)肩部切削結(jié)構(gòu)優(yōu)化后抗沖擊能力有效提高，肩部切削齒的崩齒現(xiàn)象減少；優(yōu)化切削結(jié)構(gòu)，增加內(nèi)排齒切削齒的壽命，使鉆頭保持攻擊性，有利于提高鉆頭整體機(jī)械鉆速；使用抗沖擊更強(qiáng)的切削齒，提高鉆頭壽命有利于提高機(jī)械鉆速。

圖7 改進(jìn)型PDC鉆頭應(yīng)用對(duì)比

3）目前錦州區(qū)域是渤海海域內(nèi)具有較大潛力的開(kāi)發(fā)區(qū)域，館陶組底礫巖作為該區(qū)域油氣層之上的典型標(biāo)志層，一直是鉆井工程的主要鉆進(jìn)難點(diǎn)，應(yīng)用PDC優(yōu)化技術(shù)對(duì)于油田的進(jìn)一步高效開(kāi)發(fā)具有較好的意義。

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The basal conglomerate of Guantao Formation in Bohai Liaodong area is of high hardness and poor drillability,and the main factors resulting the low drilling speed and the short drill bit service life in the drilling process of the basal conglomerate are summed up according to the investigation of old well data and the analysis of the wear characteristics of PDC drilling bit.A kind of long life drill bit suitable for the drilling of the basal conglomerate of Guantao Formation in Bohai Liaodong area was developed through improving the chip teeth of PDC drill bit(including the optimization of the number,shape and distribution density of the chip teeth)and optimizing drilling parameters.The application of the improved PDC bit in 20 wells shows that it can quickly and efficiently drill through the basal conglomerate formation of Guantao Formation,and the drilling efficiency is more than doubled.Therefore the time of offshore drilling operation is saved,and the economic benefit is obvious.

basal conglomerate;PDC bit;Bohai Oilfield

賈強(qiáng)

2016-10-08

攝影/胡興豪

關(guān)賀坤（1984-），男，工程師，現(xiàn)主要從事海洋石油鉆完井技術(shù)監(jiān)督工作。