TUZ區(qū)塊個性化高效破巖鉆頭優(yōu)選和應(yīng)用

張海忠，呂曉平，李 軍，李清磊，宋宏偉

1中國石油西部鉆探國際工程公司2中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

0 引言

油氣鉆探中，鉆頭是鉆進(jìn)地層的破巖工具，其性能優(yōu)良對鉆井機(jī)械鉆速的提高起著決定性的作用，隨著鉆頭技術(shù)的飛速發(fā)展，鉆井速度也不斷提高［1］。特別是近年來，鉆頭的設(shè)計理念由過去的地層適應(yīng)鉆頭轉(zhuǎn)變?yōu)殂@頭適應(yīng)地層，各鉆頭生產(chǎn)商根據(jù)實際鉆井需要，推出滿足不同地區(qū)、不同地層的個性化鉆頭，其中個性化高效破巖PDC鉆頭在攻擊性、抗沖擊、抗研磨性及導(dǎo)向性等方面具有顯著優(yōu)勢，對于提高機(jī)械鉆速、縮短作業(yè)周期發(fā)揮著無可比擬的優(yōu)勢［2］。在東海平湖油氣田大位移定向井采用定制設(shè)計的兩只PDC鉆頭后，同比鄰井機(jī)械鉆速提高了27.29%和65.97%，同時減少了井下復(fù)雜情況發(fā)生率［3］。

但礫巖地層是PDC鉆頭的破巖禁區(qū)，目前絕大部分地區(qū)依然選擇牙輪鉆頭進(jìn)行破巖。而個性化切削齒、破巖齒的出現(xiàn)，使PDC鉆頭在礫巖地層鉆進(jìn)破巖成為了可能［4-5］。針對不同區(qū)塊的礫巖地層，眾多研究人員開展針對性的研究，研制了與地層相匹配的個性化PDC鉆頭，大港油田采用新型PDC鉆頭順利鉆穿30～120 m的礫巖層，實現(xiàn)了多套地層單只鉆頭“一趟鉆”工藝［6］；針對塔里木油田庫車山前致密砂巖油氣藏巨厚礫石層，個性化PDC鉆頭設(shè)計采用創(chuàng)新研發(fā)的多棱齒，顯著提高了抗沖擊性能，與同井段同巖性鄰井相比，單只鉆頭進(jìn)尺提高150%，平均機(jī)械鉆速提高1倍［7］。因此，有針對性設(shè)計的個性化PDC鉆頭實現(xiàn)了礫巖破巖和一趟鉆技術(shù)，大大節(jié)約鉆井周期和降低鉆井成本。

在TUZ區(qū)塊下部地層自1 000 m持續(xù)至完井井深發(fā)育有厚度不均的砂礫巖，對常規(guī)鉆頭的使用提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在以往的鉆井實踐中，常規(guī)鉆頭極易因礫石正向沖擊而造成切削齒先期損傷，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械鉆速低、鉆頭進(jìn)尺少、鉆頭消耗多。鑒于此，從降低施工扭矩和鉆壓、增加巖屑導(dǎo)流面積、強(qiáng)化穩(wěn)定切削和延長鉆頭工作壽命等方面考慮，開展了個性化高效破巖鉆頭優(yōu)選，優(yōu)選出個性化高效破巖鉆頭序列，形成了適用于TUZ區(qū)塊的高效破巖模式，為該油田區(qū)塊的后期高效勘探開發(fā)提供了一個選擇方向，具有較好的現(xiàn)場施工指導(dǎo)作用。

1 TUZ區(qū)塊特點及面臨挑戰(zhàn)

1.1 TUZ區(qū)塊特點

TUZ區(qū)塊下部地層礫巖、泥巖發(fā)育，砂礫巖自1 000 m持續(xù)至完井井深，厚度不均，主要以石英質(zhì)和硅質(zhì)泥巖、泥板巖和煤層居多，實鉆中主要以48%以上直徑大于3 mm的顆粒碎屑組成的巖石。

通過調(diào)研TUZ區(qū)塊前期已鉆井資料、地層巖性特征，對地層巖石的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算分析，得到了該區(qū)塊的地層巖石可鉆性分級。在該區(qū)塊下部層段（2 650 m以下）砂礫巖地層，巖石硬度在2 000～2 500 MPa之間，巖石可鉆性范圍8～10級，屬于硬-堅硬地層。

1.2 TUZ區(qū)塊前期施工難點

TUZ區(qū)塊鉆井前期所用鉆頭以牙輪鉆頭為主，但因機(jī)速低、壽命短，平均連續(xù)工作時間僅69 h，且頻繁起下鉆作業(yè)打斷鉆井作業(yè)連續(xù)性，延長了施工周期，作業(yè)成本高。特別在下部地層存在泥巖、純煤層和砂礫巖互層交替，進(jìn)一步增加了地層的復(fù)雜性，地層可鉆性差，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低（見表1）。已施工井下部井段平均機(jī)械鉆速低至1.8 m/h，且地層含煤豐富，坍塌風(fēng)險極高，施工中容易發(fā)生井壁失穩(wěn)和坍塌埋鉆惡性事故。

表1 區(qū)塊已用鉆頭情況統(tǒng)計

隨著鉆井深度的不斷增加，在深層區(qū)域鉆進(jìn)過程中，井周巖石需要承受更大的壓力，這就讓巖石的自然裂縫以及井周整體的巖石結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不確定的變化，最終導(dǎo)致其出現(xiàn)形變。常規(guī)規(guī)律可知隨鉆井深度的增加，巖石的密度、硬度以及各類巖石強(qiáng)度都會數(shù)倍增長，導(dǎo)致巖石可鉆性迅速變差［8］，常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)切削齒的崩損嚴(yán)重（見圖1）。

圖1 常規(guī)PDC鉆頭出井后復(fù)合片崩損嚴(yán)重

2 復(fù)合片強(qiáng)化和個性化PDC鉆頭優(yōu)選

2.1 常規(guī)PDC鉆頭復(fù)合片失效分析

常規(guī)PDC鉆頭在礫石層鉆井過程中，因該區(qū)塊侏羅系巖石的高抗壓強(qiáng)度、高硬度和非均質(zhì)性，對鉆頭的復(fù)合片有極強(qiáng)破壞性。通常表現(xiàn)為機(jī)械鉆速低、進(jìn)尺少、起下鉆頻繁、施工成本高等［9-10］。

PDC鉆頭復(fù)合片以高硬度難熔金屬的碳化物微米級粉末為主要成分，因使用材料熱膨脹系數(shù)相差較大，導(dǎo)致復(fù)合片層內(nèi)產(chǎn)生極高的殘余應(yīng)力［11-12］。研究表明，鉆頭工作中因地層的各向異性和非周期性高強(qiáng)度沖擊作用，從而失去原始的切屑刃，該類破壞情況和復(fù)合片層內(nèi)殘余應(yīng)力相疊加，加快了復(fù)合片的損傷速度，影響機(jī)械鉆速。

在TUZ區(qū)塊前期使用的PDC鉆頭采用中拋物面冠部設(shè)計，鼻部、外錐到肩部采用平均密度布齒，由于最前端的切削齒（鼻部齒）在半無限體狀態(tài)下破碎巖石，所受單位面積的切削力最大，而后序切削齒由于自由面形成，所受的單位面積的切削力逐次降低，低密度布齒不能有效緩解鼻部齒單位損傷壓力，造成鉆頭先期破壞，影響機(jī)械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。

針對TUZ區(qū)塊含礫石層井段鉆進(jìn)時常規(guī)PDC鉆頭金剛石復(fù)合片抗沖擊能力較差、易發(fā)生崩齒等損壞問題。結(jié)合個性化PDC鉆頭在礫石層鉆進(jìn)的優(yōu)勢，開展了個性化PDC鉆頭優(yōu)選，針對不同井段地層巖性特征，選用了梯度硬質(zhì)合金齒和個性化非平面復(fù)合片，為TMG油田TUZ區(qū)塊油氣資源高效勘探開發(fā)提供了一種新思路。

2.2 梯度硬質(zhì)合金齒技術(shù)

通過控制鈷含量在硬質(zhì)合金中的梯度分布，實現(xiàn)內(nèi)韌外堅的特性，能在保持齒心部韌性不降低的前提下，提高合金齒的表層硬度。金剛石層和硬質(zhì)合金基體結(jié)合界面經(jīng)過特殊工藝處理，降低兩者之間的殘余應(yīng)力；粉料粒度級配方設(shè)計，增強(qiáng)金剛石晶粒間的鍵合致密度，提升復(fù)合片抗微裂紋擴(kuò)展、崩齒和碎裂的能力。梯度合金齒技術(shù)與抗沖擊性復(fù)合片技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了PDC鉆頭切削材料性能的匹配，延長了PDC鉆頭的使用壽命。根據(jù)不同復(fù)合片要求改變鈷含量，將硬度由普通硬質(zhì)合金齒的1 290 Hv提高到梯度硬質(zhì)合金齒的1 500 Hv，并且增加梯度層厚度至1 500～2 000μm，以達(dá)到梯度硬質(zhì)合金齒高硬度、高耐磨性、高抗沖擊韌性及高熱穩(wěn)定性的“四高”復(fù)合片特性。

2.3 梯度硬質(zhì)合金齒實驗性能評估

通過室內(nèi)車床模擬鉆進(jìn)施工，對復(fù)合片進(jìn)行耐磨性試驗和循環(huán)載荷試驗。

（1）通過耐磨性試驗分析對比含Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%和10%的復(fù)合片工作狀態(tài)，梯度齒比普通齒耐磨性分別提高27%和34%（見圖2）。

圖2 梯度硬質(zhì)合金齒耐磨性實驗對比圖

（2）通過循環(huán)載荷試驗分析對比，含Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%和10%的復(fù)合片抗沖擊能力，梯度齒比普通齒分別提高14%和41%（見圖3）。

圖3 梯度硬質(zhì)合金齒循環(huán)載荷對比圖

2.4 尖圓混合齒PDC鉆頭

尖圓混合齒PDC鉆頭采用尖形齒和圓形齒交替布齒（見圖4），該型鉆頭的尖齒在承載相同鉆壓下能快速高效吃入地層，有效突破2 221～2 462 m井段（J3Km層）和2 536～2 800 m井段（J2d層）中泥板巖地層鉆頭吃入困難。在相同壓力下，尖齒吃入地層能力更強(qiáng)，并利用鋒利的尖端刃口在較小的扭矩動能下就能將地層劃破。尖齒切削地層形成的“卸荷槽”同時又能有效釋放地層應(yīng)力，更有利于相鄰的圓形齒快速切削和破碎地層，能有效提高鉆頭在泥板巖地層的機(jī)械鉆速。在泥巖地層鉆進(jìn)時常規(guī)鉆壓下即可獲得更高的機(jī)械鉆速。

圖4 尖圓混合齒PDC鉆頭局部切削齒分布

該型PDC鉆頭的復(fù)合片采用小倒角刃口設(shè)計，小倒角復(fù)合片的刃口更加鋒利，在小鉆壓下就能迅速輕快地切削地層，施工中同鉆速對比，鉆壓可降低約45%；同鉆壓情況，扭矩降低約27%。較低的鉆頭扭矩和較小的扭矩波動，可保持井底工具運行相對平穩(wěn)，同時提高鉆頭操控性，有助于工具面穩(wěn)定和高效的鉆探作業(yè)。

2.5 錐形齒+三脊齒PDC鉆頭

錐形齒+三脊齒PDC鉆頭在微受損的狀態(tài)下，可替代牙輪鉆頭鉆穿含礫巖較多的3 370～4 000 m井段J1sz和J1bz層。該鉆頭特征為前排齒采用三脊齒設(shè)計，復(fù)合后排齒采用錐形齒設(shè)計，利用切削和壓碎復(fù)合破巖方式提高鉆頭破巖功率，提高機(jī)械鉆速。將主切削力由一個弧形平面轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌惹邢?，且保持一個三脊切削線置于切削刃位置，作為鉆頭切削地層的工具線，工具線兩側(cè)增加巖屑導(dǎo)流面，該鉆頭集PDC的剪切破巖和牙輪的擠壓破巖功能于一身，降低切削力約30%，應(yīng)對高抗強(qiáng)度的巖石，會起到很好的破巖效果。布齒密度選擇內(nèi)錐采用低密度布齒，肩部到外錐采用高密度布齒，在不犧牲速度的同時減小單顆切削齒的切削量，提高鉆頭的抗研磨性。鉆頭冠型選擇短拋物線冠形，并讓鼻部和外肩部形成較大曲率半徑，減緩鼻部和外肩部每顆齒受力狀況，從而提高鉆頭抗沖擊能力。

這種個性化設(shè)計，由于有更厚的金剛石層、非平面設(shè)計和專有的金剛石顆粒分布混合技術(shù)，使得三脊齒也獲得了更強(qiáng)的抗正面沖擊能力。錐形齒相比常規(guī)圓柱形PDC復(fù)合片，可對地層施加更高的點載荷，以犁刮和剪切的復(fù)合破巖機(jī)理更高效地破碎高抗研磨性地層（見圖5）。

圖5 錐形齒及鉆頭布齒情況

錐形齒高效破巖特點是通過后排錐齒參與地層破碎，能有效分擔(dān)前排主復(fù)合片的鉆進(jìn)載荷，有利于保護(hù)前排復(fù)合片，大幅度延長鉆頭使用壽命。錐形齒可使鉆頭能承受更高的鉆壓，配合井底動力鉆具，強(qiáng)化鉆進(jìn)參數(shù)更有利于機(jī)械鉆速的提高。同時后排錐齒還分擔(dān)了前排主復(fù)合片的切削載荷，在頻繁的砂巖泥巖夾層中鉆進(jìn)時，有效保護(hù)前排主復(fù)合片免受過強(qiáng)的沖擊載荷造成提前破壞失效。

由于錐形齒通過其中軸線施加更高的點作用力快速吃入地層，且具有良好的橫向平衡作用，鉆頭工作過程中橫向振動有效降低約53%，縱向振動有效降低約37%［13-14］，從而極大的保護(hù)和延長了鉆頭壽命，且減少了井內(nèi)整套底部鉆具組合的疲勞損傷，同時降低了地層反復(fù)變化或鉆井參數(shù)調(diào)整過程中引起的扭矩差異性波動，具有更強(qiáng)的工具面控制能力。

正常鉆進(jìn)施工中，當(dāng)?shù)貙痈飨虍愋栽龃?，非均質(zhì)性較強(qiáng)的巖石強(qiáng)度變化劇烈時，鉆壓相同情況下復(fù)合片吃入巖石地層深度明顯不同，導(dǎo)致鉆頭齒所受沖擊力變化幅度差異巨大。研究表明地層的反復(fù)軟硬交錯是鉆頭齒崩損的重要因素，因此保持每個破巖周期內(nèi)鉆頭齒的吃入深度對提升鉆頭穩(wěn)定性至關(guān)重要。錐形齒作為主齒后方布置“控深結(jié)構(gòu)”單元［15］，實現(xiàn)鉆頭在不同巖性地層中的盡量“等深吃入”，從而最終達(dá)到在復(fù)雜地層中平穩(wěn)鉆進(jìn)目的，因錐形齒結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，對于長井段硬巖地層具有較好使用效果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在從降低施工扭矩和鉆壓、增加巖屑導(dǎo)流面積、強(qiáng)化穩(wěn)定切削和延長鉆頭工作壽命等方面優(yōu)選出針對不同地層的個性化高效破巖鉆頭序列：①2 221～2 800 m井段J2Kr和J2d層段，采用尖圓混合齒PDC鉆頭；②3 370～4 000 m井段J1sz和J1bz層采用錐形齒+三脊齒PDC鉆頭。

采用上述個性化高效破巖鉆頭序列在TUZ區(qū)塊開展了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明所優(yōu)選個性化PDC鉆頭抗沖擊性較常規(guī)PDC鉆頭提高數(shù)倍，能大幅提高鉆頭對地層的適應(yīng)能力，降低鉆頭先期破壞，提高礫石層井段鉆井速度，能夠滿足TUZ區(qū)塊下部井段提速提效的需求。

3.1 應(yīng)用實例

在KET-25井、SED-60井和TUZ-33井三口井中開展現(xiàn)場試驗，通過改進(jìn)鉆頭復(fù)合片破巖方式，實現(xiàn)高效破巖，有效提高了機(jī)械鉆速，大幅延長鉆頭使用壽命，提高單只鉆頭進(jìn)尺。表2列出了上述3口井三開?215.9 mm的應(yīng)用情況，應(yīng)用井段的平均機(jī)械鉆速達(dá)到了6.54 m/h，與應(yīng)用前相比提高了263%，且所優(yōu)選的鉆頭穩(wěn)定性良好，結(jié)合防斜鉆具組合，確保了施工井井身質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計要求。

表2 施工井指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 使用效果分析

在硬泥巖地層中選用強(qiáng)攻型尖圓混合齒PDC鉆頭，提高鉆頭吃入和破碎地層能力，可以突破提速瓶頸，獲得良好提速效果，鉆頭起出新度達(dá)90%（見圖6）。

圖6 尖圓混合齒鉆頭入井前后對比

錐形齒+三脊齒PDC鉆頭大幅度提高了鉆頭的抗沖擊能力，在高抗研磨性和壓實性好的礫巖層鉆進(jìn)中，有很強(qiáng)的自我保護(hù)和快速破巖能力，在礫巖破巖方面效果明顯，且起出鉆頭基本完好，可知該型鉆頭選型合理，滿足下部井段礫石層鉆井需求（見圖7）。

圖7 錐形齒+三脊齒結(jié)構(gòu)鉆頭入井前后對比

4 結(jié)論

（1）在TUZ區(qū)塊下部地層自1 000 m持續(xù)至完井井深發(fā)育有厚度不均的砂礫巖，夾雜有石英質(zhì)和硅質(zhì)泥巖、泥板巖和煤層，采用常規(guī)PDC鉆頭金剛石復(fù)合片抗沖擊能力較差、易發(fā)生崩齒等損壞問題。

（2）在從降低施工扭矩和鉆壓、增加巖屑導(dǎo)流面積、強(qiáng)化穩(wěn)定切削和延長鉆頭工作壽命等方面優(yōu)選出針對不同地層的個性化高效破巖鉆頭序列：①2 221～2 800 m井段J2Kr和J2d層段，采用尖圓混合齒PDC鉆頭；②3 370～4 000 m井段J1sz和J1bz層采用錐形齒+三脊齒PDC鉆頭。

（3）在KET-25井、SED-60井和TUZ-33井三口井中開展現(xiàn)場試驗，所優(yōu)選的個性化PDC鉆頭有效提高了機(jī)械鉆速，在應(yīng)用井段的平均機(jī)械鉆速達(dá)到了6.54 m/h，與應(yīng)用前相比提高了263%，且鉆頭起出新度達(dá)90%、基本完好，滿足TUZ區(qū)塊下部井段礫石層鉆井需求。