淺析小井眼高效PDC鉆頭在蘇南區(qū)塊的應(yīng)用

田波，李隆承，潘龍

（渤海石油裝備鉆井裝備公司，天津 300280）

1 概述

蘇里格南區(qū)塊為長慶油田公司與法國道達爾公司共同投資開發(fā)的合作項目，該區(qū)塊位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂托克前旗南部地區(qū)，屬于鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷構(gòu)造。為了減少建井成本，建設(shè)方在該區(qū)塊全部采用小井眼鉆井。蘇南區(qū)塊二開井段的延長組底部、和尚溝組上部可能含有礫石，易對PDC鉆頭造成崩齒失效；劉家溝組為砂泥巖互層，較為致密，地層壓實強度高，影響機速；石盒子組上部以泥巖為主、下部以砂巖為主的砂泥巖互層，部分區(qū)域下部地層含有石英砂巖，研磨性較強；本溪組、馬家溝組存在硬質(zhì)泥巖、灰?guī)r、白云巖地層，可鉆性。

2 施工難點

（1）二開井段為安定組-馬家溝組，表層采用Φ215.9mm鉆頭，二開使用Φ152.4mm鉆頭，表層井深一般為650～750m，二開裸眼段長達3200～3400m，由于劉家溝組為砂泥巖互層，較為致密，地層壓實強度高，PDC鉆頭的磨損比較嚴重，機速影響較大。

（2）由于小井眼井環(huán)空比較小，如果巖屑上返不及時，容易造成鉆頭泥包，這與排屑槽的流量分配及流速分布與水眼的孔徑及數(shù)量和排屑槽的面積等息息相關(guān)，需要對整個井底流場進行分析，避免大范圍低速區(qū)域及可能會出現(xiàn)漩渦回流區(qū)，影響該區(qū)域的巖屑運移，避免鉆頭泥包。

（3）小井眼井的井斜掌控難度比較大，對于鉆頭的穩(wěn)定性要求比較高，需要對頭型、布齒、保徑等進行合理優(yōu)化，在保證穩(wěn)定性的情況下，提升機械鉆速。

3 小井眼高效鉆頭設(shè)計

針對蘇南區(qū)塊小井眼裸眼段長、地層可鉆性差等特點，分別研制了152.4mm4刀翼PDC鉆頭和5刀翼PDC鉆頭。

4刀翼鉆頭設(shè)計：鉆頭為鋼體設(shè)計，采用φ16mmZC-Ⅵ型主切削復(fù)合片，φ13mm副切削齒結(jié)構(gòu)，能夠精準控制復(fù)合片吃入地層深度，提高滑動效率。設(shè)計了中短拋物線平緩頭型，綜合力平衡設(shè)計和三維受力分析，提高鉆頭穩(wěn)定性，適應(yīng)配合螺桿鉆具進行高轉(zhuǎn)速鉆進；針對小井眼井段段環(huán)空小，泥漿排量小的特點，采用中低密度布齒，減小復(fù)合片角度增強鉆頭攻擊性，提高鉆頭切削效率；加密聚晶與倒劃眼設(shè)計，預(yù)防縮徑，保證井眼軌跡。

5刀翼鉆頭設(shè)計：鋼體設(shè)計，采用φ16mmZC-Ⅵ型主切削復(fù)合片，采用短拋物線平緩頭型，縮短了鉆頭冠部有效高度，提高鉆頭穩(wěn)定性，增強鉆頭導(dǎo)向性；中等布齒密度設(shè)計，減小復(fù)合片脊高高度，提高鉆頭穩(wěn)定性；優(yōu)化復(fù)合片角度增加復(fù)合片出露量從而增強鉆頭攻擊性，提高機械鉆速；加長保徑設(shè)計，提高鉆頭穩(wěn)定性，提高鉆頭導(dǎo)向性，加密聚晶與倒劃眼設(shè)計，預(yù)防縮徑，保證井眼軌跡；深寬水槽、高配比水力優(yōu)化設(shè)計，增強鉆頭清洗、冷卻和排屑效果，避免井底重復(fù)切削現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 小井眼4刀翼PDC鉆頭設(shè)計模型

表1

圖2 小井眼5刀翼PDC鉆頭設(shè)計模型

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

SN0180-03井是蘇南區(qū)塊一口二開四段制定向井，完鉆井深4008m，層位為安定組-馬家溝組，最大位移1464.17m，根據(jù)設(shè)計參數(shù)，選定采用4刀翼小井眼鉆頭。通過優(yōu)化鉆井參數(shù)，充分發(fā)揮單只鉆頭最優(yōu)性能，提高機械鉆速和鉆頭使用時間，完成二開施工單只小井眼PDC鉆頭一趟鉆，解決了劉家溝及下部地層鉆速低問題，實現(xiàn)單只152.4mmPDC鉆頭一趟鉆最高進尺3292m，機械鉆速21.66m/h，純鉆152h，創(chuàng)鉆頭使用時間最長記錄。SN117-04井為二開四段定向井，完鉆井深4107m，選用5刀翼小井眼鉆頭，二開優(yōu)化井眼軌跡，配合激進式鉆進參數(shù)，保持長穩(wěn)斜段效果，實現(xiàn)單只小井眼鉆頭二開“一趟鉆”施工，機械鉆速30.88m/h，鉆井周期10.17d，刷新同區(qū)塊鉆井周期新紀錄。

表2

5 結(jié)語

（1）針對蘇南區(qū)塊小井眼鉆井施工難點，設(shè)計研發(fā)了152.4mm小井眼PDC鉆頭，解決了鉆頭泥包、機械鉆速低問題；（2）設(shè)計的5刀翼小井眼PDC鉆頭采用短拋物線平緩頭型、中低密度布齒，減小復(fù)合片角度增強鉆頭攻擊性，提高鉆頭切削效率；（3）設(shè)計的4刀翼小井眼PDC鉆頭采用短拋物線平緩頭型，縮短了鉆頭冠部有效高度，提高鉆頭穩(wěn)定性，增強鉆頭導(dǎo)向性；中等布齒密度設(shè)計，減小復(fù)合片脊高高度，提高鉆頭穩(wěn)定性；（4）小井眼PDC鉆頭在蘇南地區(qū)應(yīng)用多口井，鉆頭使用時間長、機械鉆速高，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著。