雅布賴區(qū)塊金剛石鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

樊思成，王曉彥，田東彬，沈雪峰，周學(xué)超

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280；2.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100028）

0 引言

玉門(mén)油田雅布賴區(qū)塊位于雅布賴盆地西部凹陷薩爾臺(tái)凹陷內(nèi)，地層差異性較大，鄰井可參照性差，上部地層傾角較大，實(shí)鉆過(guò)程中易井斜，井身質(zhì)量難以控制。新河組中部以下地層為灰綠色和深灰色泥巖，這種泥巖壓實(shí)作用強(qiáng)烈、研磨性高、可鉆性差，切削齒吃入困難、機(jī)速衰減明顯，這些因素都制約了鉆井提速[1]。

圖1 新河組上部地層可鉆性

1 雅布賴區(qū)塊地層可鉆性分析

圖2 新河組下部地層可鉆性

針對(duì)這一地質(zhì)特征，如何優(yōu)選鉆頭類型，從而達(dá)到鉆井提速目的，是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，而地層可鉆性分析是優(yōu)選鉆頭的基礎(chǔ)。2014年，在雅布賴區(qū)塊進(jìn)行了3次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并且根據(jù)現(xiàn)有的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合渤海中成特色技術(shù)，進(jìn)行了地層可鉆性分析。由于該區(qū)塊新河組地層巖性復(fù)雜、可鉆性差，以此地層為例進(jìn)行重點(diǎn)分析。

從圖1可知，雅布賴區(qū)塊新河組上部（1100～2200）m地層可鉆性分析結(jié)果?？箟簭?qiáng)度（34.82～201.37）MPa，均值83.7 MPa，方差 26.3；內(nèi)摩擦角 29.9°～46.4°，均值 34.75°，方差 2.61；可鉆性極值3.2～6.83，均值4.85，方差 0.64。

從圖2可知，雅布賴區(qū)塊新河組下部（2200～3000）m地層可鉆性分析結(jié)果?？箟簭?qiáng)度（67.95～199.87）MPa，均值137.7 MPa，方差 24.5；內(nèi)摩擦角 33.81°～46.25°，均值 40.1°，方差 2.43；可鉆性極值4.51～6.81，均值為5.97，方差0.41。

根據(jù)可鉆性分析結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)分層標(biāo)準(zhǔn)，可以得知雅布賴區(qū)塊（1100～3000）m 屬于中硬-硬地層，局部（2400～2900）m 井段屬于硬地層。

2 個(gè)性化金剛石鉆頭設(shè)計(jì)

針對(duì)雅布賴區(qū)塊地質(zhì)特點(diǎn)，分別從冠部形狀、布齒方式、防卡防泥包等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）冠部形狀。綜合考慮冠部剖面形狀對(duì)破巖效率、鉆頭壽命和穩(wěn)定性的影響，選擇雙錐型冠部剖面作為金剛石鉆頭的基本剖面形狀，冠部形狀一般包括內(nèi)錐、冠頂和外錐3部分。選擇“直線-圓弧-圓弧”形最為基本冠部輪廓曲線設(shè)計(jì)模式[2]（圖 3）。

在圖3所示的坐標(biāo)系中，這種直線-圓弧-圓弧剖面可以表示為式（1）。

圖3 冠形剖面設(shè)計(jì)

剖面參數(shù)按式（2）計(jì)算。

式（1）和式（2）中

θ——鉆頭冠形圓弧對(duì)應(yīng)的弧度，

t——鉆頭冠形圓弧半徑比值，mm

Dp——冠部外徑，mm

r0——冠部半徑，mm

α——內(nèi)錐半角，（°）

R1——內(nèi)圓弧半徑，mm

R2——外圓弧半徑，mm

H2——外錐高度，mm

H1——內(nèi)錐高度，mm

r02——外圓弧圓心徑向坐標(biāo)，mm

利用式（1）和式（2），給定鉆頭冠部外徑 Dp、冠頂半徑 R0、內(nèi)錐半角α、內(nèi)圓弧半徑R1、外圓弧半徑R2就可以確定出具體的冠部剖面形狀。

采用這種剖面形狀基于的設(shè)計(jì)理念：冠頂及外錐采用圓弧連續(xù)性過(guò)渡且較為平緩從而可消除集中點(diǎn)載荷，增加穿硬夾層能力，這種剖面線形相對(duì)較長(zhǎng)，可以布置更多的切削齒，提高耐磨性，從而延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，更淺的內(nèi)錐可增加心部齒切入地層能力，提高切削效率，亦可使所受載荷更均勻，提高抗沖擊性能。

（2）布齒結(jié)構(gòu)。采用螺旋刀翼及規(guī)徑結(jié)構(gòu)（圖4），采用這種螺旋結(jié)構(gòu)可以分散切削齒切削地層時(shí)的徑向切削力，控制鉆頭與井壁的接觸應(yīng)力，從而使鉆頭產(chǎn)生抗回旋運(yùn)動(dòng)效果。通過(guò)螺旋式刀翼還能使切削齒自然呈現(xiàn)側(cè)傾角，有助于鉆井液攜帶巖屑和清洗井底，同時(shí)螺旋式保徑與常規(guī)保徑相比，增加了與井壁的接觸面積，保證了鉆頭具有良好的穩(wěn)定性和抗沖擊性能[3]。

圖4 布齒結(jié)構(gòu)

（3）防卡及防泥包設(shè)計(jì)。針對(duì)該區(qū)塊地層失水嚴(yán)重導(dǎo)致井壁掉塊，在鉆頭接頭與冠部連接處容易堆積，形成卡鉆問(wèn)題，采用等寬水槽設(shè)計(jì)，有效解決了卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)鉆頭出現(xiàn)的泥包現(xiàn)象，采用專業(yè)水力分析軟件，對(duì)井底流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析水力分布狀況，超深寬水槽的水力結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的流道設(shè)計(jì)，從而提高鉆頭中心部位的巖屑運(yùn)移，并強(qiáng)制冷卻金剛石鉆頭的鼻、肩部齒。經(jīng)過(guò)分析改進(jìn)的水力結(jié)構(gòu)使鉆頭在鉆井施工過(guò)程中，消除了滯流、回流區(qū)域，有效杜絕水眼堵塞、鉆頭泥包現(xiàn)象，解決了因?yàn)閹r屑運(yùn)移不暢而導(dǎo)致機(jī)械鉆速不高的問(wèn)題。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及對(duì)比分析

針對(duì)玉門(mén)油田雅布賴區(qū)塊地層個(gè)性化設(shè)計(jì)的金剛石的鉆頭在雅探601井和雅探603井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆頭平均進(jìn)尺217.3 m，平均機(jī)械鉆速2.94 m/h。相比鄰井其他廠家鉆頭平均值，進(jìn)尺提高了34.5 m，提高幅度18.9%，機(jī)械鉆速提高了0.83 m/h，提高幅度39.3%。

4 總結(jié)

針對(duì)玉門(mén)油田雅布賴區(qū)塊進(jìn)行了地層可鉆性分析，基于分析結(jié)果對(duì)金剛石鉆頭進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得良好效果，得到3個(gè)結(jié)論。

（1）地層可鉆性分析為鉆頭選型設(shè)計(jì)提供了有力支撐，鉆頭的試驗(yàn)效果也驗(yàn)證了可鉆性分析結(jié)果的正確性。

（2）針對(duì)雅布賴區(qū)塊個(gè)性化設(shè)計(jì)的鉆頭經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，機(jī)械鉆速提高39.3%，加快了玉門(mén)油氣開(kāi)發(fā)的步伐，綜合經(jīng)濟(jì)效益提高，為進(jìn)一步市場(chǎng)推廣使用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3）建立一套基于地層可鉆性為基礎(chǔ)的金剛石鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)新方法。