刀翼式孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)及在哈山101 井的應(yīng)用

張進(jìn)雙， 張?jiān)鰧殻?王學(xué)才

（1. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 中國(guó)石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心，山東東營(yíng) 257000；3. 中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，山東東營(yíng) 257000）

準(zhǔn)噶爾盆地哈山區(qū)塊二疊系—石炭系火成巖發(fā)育[1]，分布廣、厚度大，巖石硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，鉆井過(guò)程中井眼失穩(wěn)、地層漏失、蹩跳鉆、斷鉆具和卡鉆等井下故障頻發(fā)，難以實(shí)現(xiàn)安全高效鉆進(jìn)[2]。國(guó)外Smith 公司針對(duì)強(qiáng)研磨性硬地層鉆井提速技術(shù)難題，研發(fā)了孕鑲金剛石鉆頭和高速渦輪鉆具，但孕鑲金剛石鉆頭采用長(zhǎng)保徑設(shè)計(jì)，僅適用于井壁穩(wěn)定地層；高速渦輪鉆具掉塊卡鉆風(fēng)險(xiǎn)高，處理困難。國(guó)內(nèi)前期進(jìn)行了多種鉆井提速技術(shù)探索，哈山3 井上部地層采用“PDC 鉆頭+扭沖鉆具”和VTK 垂直鉆井技術(shù)，取得了良好的提速效果，但進(jìn)入火山巖地層后鉆頭進(jìn)尺變短、機(jī)械鉆速變慢；空氣鉆井技術(shù)提速效果良好，但地層出水使其應(yīng)用受限（哈山201 井地層出水量達(dá)到了33 m3/h）；哈深2 井在應(yīng)用自激振蕩式旋沖工具鉆進(jìn)火山巖地層時(shí)蹩跳鉆嚴(yán)重，鉆速不足0.25 m/h[3-5]。為此，筆者針對(duì)哈山區(qū)塊火山巖地層特征和鉆井技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)孕鑲金剛石鉆頭的刀翼結(jié)構(gòu)和水力流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了新型預(yù)合金胎體合金材料，優(yōu)選高品質(zhì)抗磨天然金剛石晶體，通過(guò)大量試驗(yàn)獲得了鉆頭最佳燒結(jié)溫度，設(shè)計(jì)了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭，并與大扭矩高速螺桿鉆具配合在哈山101 井進(jìn)行了應(yīng)用，機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺大幅提高，實(shí)現(xiàn)了火山巖地層提速技術(shù)的突破。

1 地質(zhì)特征和鉆井難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特征

哈山區(qū)塊位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起哈山山前構(gòu)造帶前緣沖斷帶，南鄰瑪湖凹陷，北部以達(dá)爾布特?cái)嗔褳榻缗c和什托洛蓋盆地相接，有利勘探面積約1 000 km2，鄰區(qū)發(fā)現(xiàn)了百口泉、烏爾禾、風(fēng)城和夏子街等4 個(gè)油田，具有較好的油氣地質(zhì)條件。該地區(qū)地表出露石炭系、二疊系和白堊系地層，其余被第四紀(jì)地層覆蓋。石炭系地層火山巖發(fā)育，厚度達(dá)2 000.00 m 以上，上部風(fēng)城組主要為灰色、深灰色泥巖，夾凝灰質(zhì)砂巖、白云質(zhì)泥巖，下部佳木河組主要為深灰色、灰色火山角礫巖和深灰色火山巖。隨著井深增加，地層巖石抗壓強(qiáng)度升高，哈山區(qū)塊巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，上部地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度158.44～288.79 MPa，硬度1 647～2 307 MPa，深部火山巖地層圍壓60 MPa 條件下的抗壓強(qiáng)度達(dá)530.6 MPa（見(jiàn)表1），巖石可鉆性級(jí)值普遍在10 以上。

表 1 哈山區(qū)塊巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of the mechanical performance of coring rock in Hashan Block

1.2 鉆井技術(shù)難點(diǎn)

鉆進(jìn)不同巖性地層時(shí)的鉆速差異很大，哈山區(qū)塊上部凝灰?guī)r地層可鉆性好、鉆速較快，玄武巖地層次之。該區(qū)塊地層巖心力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，下部地層巖石強(qiáng)度高、可鉆性差，圍壓條件下巖心的抗壓強(qiáng)度甚至高于川東北地區(qū)須家河組二段地層，其中火山巖地層巖石硬度高、研磨性強(qiáng)，破巖難度極大，鉆井提速面臨巨大挑戰(zhàn)。

1）下部地層強(qiáng)度高，PDC 鉆頭易崩齒和斷齒；牙輪鉆頭進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低，起下鉆頻繁[6]。哈深2 井完鉆井深5 238.26 m，共使用鉆頭162 只，平均機(jī)械鉆速僅0.73 m/h（見(jiàn)表2）。哈山101 井上部井段氣體鉆井發(fā)生燃爆后轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井，平均單只牙輪鉆頭進(jìn)尺10.72 m，純鉆時(shí)間30.86 h，機(jī)械鉆速0.35 m/h，掉齒磨損嚴(yán)重（見(jiàn)圖1）。

表 2 哈山區(qū)塊部分完鉆井的鉆井技術(shù)指標(biāo)Table 2 Drilling technical indicators of some drilled wells in the Hashan Block

2）哈山區(qū)塊受地殼運(yùn)動(dòng)和造山運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)域構(gòu)造地應(yīng)力異常，鉆井過(guò)程中易發(fā)生井眼失穩(wěn)、剝落掉塊等井下故障，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)高。哈深2 井采用“常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生卡鉆事故，采取多種解卡措施無(wú)法解卡，被迫提前完鉆。哈山101 井鉆進(jìn)過(guò)程中扭矩波動(dòng)幅度大，鉆井泵時(shí)有憋壓（壓力增幅約1.0 MPa），振動(dòng)篩始終有掉塊返出（見(jiàn)圖2）。

圖 1 哈山101 井火山巖地層牙輪鉆頭出井形貌Fig. 1 POOH morphology of roller bit after drilling in the volcanic rock formation of Well Hashan101

圖 2 哈山101 井稠漿攜巖返出掉塊Fig. 2 Caving returns carried out by viscous mud of Well Hashan101

2 刀翼式孕鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)

孕鑲金剛石鉆頭是一種自銳性鉆頭，以微剪切和研磨聯(lián)合作用方式破碎巖石，用于鉆進(jìn)致密難鉆地層和強(qiáng)研磨性軟硬交錯(cuò)地層，是強(qiáng)研磨性、高抗壓強(qiáng)度和高溫地層提速的有效工具。不同火山巖地層巖性和物理力學(xué)性質(zhì)差別大，鉆頭結(jié)構(gòu)、地層巖性變化、巖石特性直接影響鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)速度[7-8]，通過(guò)優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)、胎體性能、燒結(jié)工藝和水力流場(chǎng)，可以提高孕鑲金剛石鉆頭的性能[9]。針對(duì)常規(guī)孕鑲金剛石鉆頭易發(fā)生阻卡、中心易磨損及本體強(qiáng)度不足等問(wèn)題，在總結(jié)前期現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)哈山區(qū)塊火山巖地層特征，進(jìn)行了特種孕鑲金剛石鉆頭結(jié)構(gòu)和水力流道防卡優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)了新型胎體合金材料和切削齒，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了刀翼式孕鑲金剛石鉆頭。

2.1 鉆頭結(jié)構(gòu)及水力流道優(yōu)化

前期針對(duì)高研磨性砂礫巖地層鉆井提速難題，綜合考慮鉆頭壽命、鉆井效率及配套使用高速螺桿鉆具，增大了鉆頭保徑長(zhǎng)度，以提高其工作穩(wěn)定性；鉆頭設(shè)計(jì)為雙錐形15 刀翼結(jié)構(gòu)，切削齒在井底平衡均布，以增大巖石接觸面積（ 見(jiàn)圖3（a））。

為了能夠適應(yīng)哈山區(qū)塊火山巖地層抗壓強(qiáng)度高、膠結(jié)致密、井壁易剝落掉塊的特點(diǎn)，并滿(mǎn)足提高機(jī)械鉆速、延長(zhǎng)鉆頭使用壽命和防卡的要求，對(duì)刀翼式孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)行了以下改進(jìn)：1）刀翼數(shù)量減少為9 個(gè)（見(jiàn)圖3（b）），刀翼間寬度設(shè)計(jì)超過(guò)2.5 cm；2）進(jìn)一步強(qiáng)化保徑部分的防卡設(shè)計(jì)，優(yōu)化水力流道，將2 個(gè)刀翼合并為1 個(gè)，形成寬刀翼排屑槽（有3 個(gè)比較大的水路從井底連通到外保徑），配合斜傾角彎流道設(shè)計(jì)，掉落巖塊落入排泄槽可受到向上的推力，從而防止鉆頭被卡死；3）鉆頭保徑部位布設(shè)倒劃眼切削齒，使鉆頭在劃眼作業(yè)時(shí)具有一定的切削能力。

圖 3 刀翼式孕鑲金剛石鉆頭改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig. 3 Structural comparison of the blade-type impregnated diamond drill bit before and after improvement

2.2 新型預(yù)合金鉆頭胎體材料的研發(fā)

胎體預(yù)合金超細(xì)粉末材料要求能牢固地?zé)Y(jié)，不同材料微觀表面上的原子要相互作用成鍵，成鍵能力越強(qiáng)，燒結(jié)越牢固。浸漬合金的選擇遵循以下原則：1）結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)原則，即合金表面上原子分布有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，各有2 個(gè)或3 個(gè)未成對(duì)電子；2）共價(jià)成鍵原理，不同合金未成對(duì)電子互相配對(duì)形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的共價(jià)鍵；3）低熔點(diǎn)原則，即在燒結(jié)過(guò)程中熔融態(tài)的浸漬合金保留有序結(jié)構(gòu)，與金剛石晶面充分接觸并實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，同時(shí)所選擇的浸漬合金在燒結(jié)時(shí)對(duì)金剛石的浸蝕作用盡量小。

通過(guò)多次鉆頭燒結(jié)試驗(yàn)，獲得了新型預(yù)合金胎體材料的最佳燒結(jié)溫度，此時(shí)金剛石與胎體粉末不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，胎體中的金剛石石墨化程度小，依然呈黃亮色（見(jiàn)圖4（a）），鉆進(jìn)時(shí)金剛石顆粒能夠保持良好的切削性能。由預(yù)合金粉末掃描電鏡圖（見(jiàn)圖4（b））可以看出，粉末顆粒中包孕了預(yù)合金粉末的多種金屬材料，胎體中各元素分布均勻、合金化程度高，未出現(xiàn)粉末元素機(jī)械混合偏析現(xiàn)象，胎體的力學(xué)性能得到了很大改善，強(qiáng)度提高30%～50%。

圖 4 金剛石鉆頭晶體形貌和胎體粉末掃描電鏡圖Fig. 4 Crystal morphology of diamond bit and scanning electron micrograph of matrix powder

2.3 鉆頭整體設(shè)計(jì)

為了提高刀翼式孕鑲金剛石鉆頭的綜合性能，對(duì)其進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。針對(duì)哈山區(qū)塊火山巖的強(qiáng)研磨特性，增大了金剛石顆粒含量和工作層厚度，以提高鉆頭進(jìn)尺、延長(zhǎng)使用壽命。胎體上二次鑲焊切削齒，設(shè)計(jì)為“表鑲層+孕鑲層”，表層為天然金剛石顆粒，內(nèi)層為胎體中添加高品級(jí)人造金剛石單晶的孕鑲層。表層天然金剛石消耗完后，孕鑲層胎體可繼續(xù)工作，增大鉆頭進(jìn)尺。鉆頭中心線(xiàn)速度比較低、耐磨性差，利用復(fù)合片耐磨性高、抗沖擊韌性好的特點(diǎn)，在鉆頭中心部位進(jìn)行非干涉式偏心布齒，增強(qiáng)鉆頭中心部位的抗磨性，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭工作面整體均勻磨損。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

哈山101 井上部井段采用氣體鉆井技術(shù)，鉆速較高[10]，但三開(kāi)φ215.9 mm 井段鉆至井深2 977.65 m時(shí)發(fā)生燃爆，形成了大肚子井眼，于是轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井方式，單只牙輪鉆頭進(jìn)尺10.72 m，機(jī)械鉆速僅為0.35 m/h，鉆井過(guò)程中掉塊較多，蹩跳鉆頻繁。為提高該井火山巖地層鉆井效率，應(yīng)用了“刀翼式孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”的提速技術(shù)，單只鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速大幅度提高。

3.1 鉆具組合和鉆井參數(shù)

鉆具組合為：φ215.9 mm 刀翼式孕鑲金剛石鉆頭+隨鉆打撈杯+φ172.0 mm 高速螺桿鉆具+單流閥+減振器+φ158.8 mm 鉆鋌×17 根+隨鉆上下震擊器+φ158.8 mm 鉆鋌×2 根+φ127.0 mm 加重鉆桿×14 根+φ127.0 mm 鉆桿。

鉆井參數(shù)為：鉆壓60～80 kN，排量30 L/s，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速30～50 r/min，泵壓22 MPa，高速螺桿鉆具輸出轉(zhuǎn)速500 r/min。

3.2 防掉塊卡鉆措施

上部井段采取的防掉塊卡鉆技術(shù)措施為：1）采用加長(zhǎng)高速螺桿鉆具，提高工作扭矩，以防憋停；2）鉆具組合中加入減振器防止跳鉆，去掉穩(wěn)定器，盡可能降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)；3）鉆具組合中加入隨鉆上下震擊器，提高處理井下復(fù)雜情況的能力；4）提高鉆井液的抑制防塌封堵性能，采用強(qiáng)觸變鉆井液（塑性黏度大于35 mPa·s），間斷泵入稠漿塞清洗攜巖。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程及效果分析

鉆具組合下鉆至井深3 415.00 m（距井底120.00 m）時(shí)遇阻嚴(yán)重，鉆壓10～30 kN 劃眼，用時(shí)3 h 僅下鉆10.00 m。分析認(rèn)為，上部井段鉆頭磨損嚴(yán)重，井徑縮小0.9 mm 左右，于是增大鉆壓劃眼，以不超過(guò)螺桿額定工作泵壓為限，6 h 后下鉆至井底。

劃眼到井底后采用遞增鉆壓造型，鉆井參數(shù)為：鉆壓20～40 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速30 r/min，排量 30 L/s，立壓21 MPa；造型后正常鉆進(jìn)時(shí)的鉆井參數(shù)為：鉆壓60～80 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速30～50 r/min，排量 30 L/s，立壓22 MPa。

鉆至井深3 592.00 m 后起鉆，高速螺桿鉆具工作時(shí)間120 h，起出的鉆頭冠部磨損2～3 mm、保徑無(wú)磨損縮徑，出井新度評(píng)價(jià)80%。單只孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)尺相當(dāng)于5 只牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速提高54.3%，行程鉆速提高115.0%，為此下部井段繼續(xù)應(yīng)用該技術(shù)鉆進(jìn)，應(yīng)用效果見(jiàn)表3。

4 結(jié)論與建議

1）哈山區(qū)塊火山巖地層巖性致密、強(qiáng)度高、硬度大，可鉆性差，常規(guī)鉆井方式鉆速慢、鉆頭進(jìn)尺少，“刀翼式孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”提速技術(shù)應(yīng)用獲得成功，成為鉆井提速的有效手段。

表 3 刀翼式孕鑲金剛石鉆頭應(yīng)用技術(shù)數(shù)據(jù)Table 3 Technical data of blade-type impregnated diamond bit

2）通過(guò)改進(jìn)孕鑲金剛石鉆頭胎體材料的耐磨性，增大了單只鉆頭進(jìn)尺，延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命；采用刀翼式結(jié)構(gòu)，提高了鉆頭的防卡能力。

3）哈山區(qū)塊火山巖地層穩(wěn)定性差，應(yīng)輔以簡(jiǎn)化鉆具組合、穩(wěn)定鉆頭工況和提高鉆井液防塌抑制性等配套安全鉆井技術(shù)措施，最大限度地減少井下復(fù)雜情況，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

4）預(yù)合金鉆頭胎體材料的耐磨性得到了檢驗(yàn)，但如何提高孕鑲層金剛石出刃速度、增強(qiáng)刀翼式孕鑲金剛石鉆頭在各種工況下的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。