庫車深部復雜礫巖地層PDC鉆頭優化與應用研究

郭學良，熊明勇，孫本法，聶榮國

（1.西南石油大學石油工程學院，四川成都610500；2.川慶鉆探公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000；3.西南石油大學應用技術學院，四川南充637001）

·石油與鉆掘工程·

庫車深部復雜礫巖地層PDC鉆頭優化與應用研究

郭學良*1，熊明勇2，孫本法2，聶榮國3

（1.西南石油大學石油工程學院，四川成都610500；2.川慶鉆探公司塔里木工程公司，新疆庫爾勒841000；3.西南石油大學應用技術學院，四川南充637001）

庫車山前克拉蘇構造帶地質情況復雜，康村組下部—蘇維依組地層含大段礫石層，可鉆性差，常規PDC鉆頭不適應該含礫地層。為此，在深入分析了區塊含礫地層物性和區塊含礫地層PDC鉆頭失效方式的基礎上，有針對性的設計了適合于礫石層的PDC鉆頭。通過采用耐磨性和抗沖擊性較好的?16mm切削齒，中等布齒密度、肩部和鼻部雙排齒設計，冠部形狀采用淺錐和中等拋面長度設計，保證鉆頭具有較好的攻擊性和抗沖擊性。優化設計出的?333.4mmPDC鉆頭在KS和DB區塊進行了現場應用，直接鉆穿吉迪克組含礫地層，與鄰井同層段鉆井數據相比，KS區塊鉆頭單只進尺和機械鉆速分別提高194.02%和182.25%，DB區塊鉆頭單只進尺和機械鉆速分別提高329.5%和216%。試驗結果表明，設計的PDC鉆頭在該區塊礫石層中使用效果良好，適合于該地層。

PDC鉆頭；礫石；庫車山前；鉆頭設計；抗沖擊性

1 概述

庫車山前克拉蘇構造帶地質情況復雜，康村組下部—蘇維依井段含大段礫石層，研磨性強可鉆性差。現有PDC鉆頭，主要通過采用肩部雙排齒設計和增加減震齒等方法[1,6]，來應對礫石層對鉆頭的損害。但此類鉆頭在該區塊應用效果差，鉆頭機械鉆速低，鼻部易損壞、磨損嚴重，單只進尺短等問題。因此在該區塊鉆井過程中，不得不更換牙輪鉆頭鉆穿礫石層，再使用PDC鉆頭鉆進，這樣不僅浪費了大量的時間，同時也增加了鉆井成本。針對這一問題，在分析了該地層礫石層物性和PDC鉆頭損壞形式的基礎上，對PDC鉆頭進行優化改進，設計出了適合該地層的PDC鉆頭，并在DB和KS區塊進行了現場試驗。

2 礫石層物性及巖石力學特征分析

克拉蘇構造帶位于塔里木盆地庫車坳陷，該區域康村組以中厚—厚層狀褐色泥巖、灰褐色泥巖與淺灰色粉砂巖、泥質粉砂巖、灰質粉砂巖、褐灰色粉砂巖呈不等厚—略等厚互層，局部夾中厚層雜色砂礫巖、含礫砂巖。該層礫石成分以變質巖為主，其次為火成巖塊，偶見石英礫、呈棱角狀；吉迪克組為薄—巨厚層狀褐灰、淺灰色灰質細砂巖、粉砂巖、含礫粉砂巖、灰質粉砂巖、泥質粉砂巖與薄—巨厚層狀褐色泥巖、粉砂質泥巖、灰質泥巖、褐灰色含礫細砂巖呈略等厚互層。該層礫石成分以變質巖、火成巖塊為主，偶見石英礫、呈次棱角狀。礫巖顆粒間膠結致密，有少量微裂縫，不存在粘土型礦物，呈鈣質膠接，膠接強度高[2]。

根據測井解釋及實驗室測定分析，該區域康村組下部及吉迪克組抗壓強度最高達32000psi，平均15000psi；內摩擦角最大為46°，平均為39.5°；PDC鉆頭可鉆性級值在3.06～6.28。地層軟硬互層，可鉆性差，同時礫石中含石英顆粒，研磨性強，破碎難度較大，易導致鉆壓波動和跳鉆現象的發生。另外該區塊地層傾角大平均40°，地層自然造斜能力強，井斜控制難度大。

3 礫地層PDC鉆頭優化研究

3.1 礫石地層中PDC鉆頭主要失效形式

含礫地層中由于礫石顆粒的存在，使得地層非均質性強。鉆井過程中容易發生憋跳現象，從而導致切削齒受到較大的沖擊載荷，造成PDC鉆頭刀翼鼻部和肩部的齒蹦齒或復合片的剝落[4-5]。由于切削齒的蹦齒和復合片的剝落，使鉆頭失去部分或全部的切削能力，導致鉆頭過早的失效。圖1是KS2-2-5吉迪克組PDC鉆頭出井照片。

圖1 PDC鉆頭磨損情況

由圖1可以清晰地看出該鉆頭出現了嚴重的沖擊破壞，切削齒蹦齒嚴重，復合片大塊剝落；切削齒的基底碳化鎢部分也迅速磨損斷裂，且基底碳化鎢磨損面平整，說明地層有較強的研磨性。因此，PDC鉆頭在庫車山前含礫地層的失效形式主要是復合片受到較大的沖擊載荷，導致切削齒蹦齒或者切削齒上的金剛石復合片掉落，造成鉆頭的先期損壞。使得鉆頭在該研磨性地層中快速磨損，機械鉆速迅速降低，鉆頭進尺短。

3.2 PDC鉆頭優化結果

該區塊含礫地層埋深在3000m以上，地層壓實作用強、膠結強度高，可鉆性差，地層傾角大，因此在優化PDC鉆頭時，要兼顧提速、抗沖擊性以及鉆頭的穩定性等方面的因素，以保證鉆頭安全平穩的在礫石層中快速鉆進。因此，進行了以下設計：（1）采用?16mm高抗研磨性和抗沖擊性強的復合片，選擇中等布齒密度，保證低鉆壓下切削齒單齒比鉆壓適中，從而保證攻擊性的同時保護切削齒[1,3]。（2）在鼻部和肩部主切削齒后面增加后排齒[6-7]，主切削齒高度略高于輔助齒12mm，輔助齒在鉆遇礫石產生振動時，可以有效地限制主切削齒吃入深度，同時承擔部分沖擊載荷，平衡軸向鉆壓，減少鉆頭的振動，降低PDC鉆頭主切削齒金剛石層蹦裂幾率，有效地保護主切削齒，使主切削齒可以保持長時間的鋒利，以保證機械鉆速。另外，當主切削齒磨損1～2mm后，輔助切削齒開始切削巖石，有利于提高鉆頭的壽命。（3）采用3主3副刀翼設計，保證鉆頭的平穩工作。（4）冠部形狀采用淺錐和中等拋面長度設計，淺錐使鉆頭兼具一定的穩定性和攻擊性；而中等拋面長度保證了鉆頭的側向切削能力，有助于防斜，同時增加了鼻部和肩部布齒數量，有利于延長鉆頭在研磨性地層的使用壽命[8]。

4 應用效果分析

根據優化方式設計的鉆頭，在大北克深區塊進行了實驗，在各區塊均取得了比較理想的效果。

KS區塊吉迪克組含3套礫巖，可鉆性極差，對鉆頭的沖擊破壞特別明顯，鄰井該層位耗費鉆頭的數目在3～5只，嚴重制約著整體鉆進效率，針對這一難題，根據鉆頭設計思路，在KS2-2-5井吉迪克組深部礫石層實驗鉆頭FX65D，該鉆頭采用XJDBS的優質切削齒，具有極好的抗沖擊性，并配合雙排齒設計，鉆頭耐磨性高，獲進尺305.30m，機速3.50m/h。圖2是同區塊該地層平均使用鉆頭個數、平均機械鉆速、平均使用時間和平均進尺與該井對比情況。

從圖2可以看出該井數據與同區塊同地層數據相比，鉆頭使用數量大大減少，機械鉆速同比提高182.25%，該層段耗時比平均用時減少70.08%，鉆頭單只進尺增加194.02%。通過對比分析可知，該實驗鉆頭在吉迪克組成功應用，成功解決了該地層鉆速慢、機械鉆速低的問題。

考慮到DB區塊吉迪克組含礫地層，可鉆性差，在DB208井自康村組頂部—蘇維依組底部試驗3只MM65、Msi616、FX65DX鉆頭,表1是3只鉆頭的使用情況。

從表1可以看出，3只鉆頭均取得了較好的機械鉆速，在進入吉迪克組中下部后，由于可鉆性變差，機械鉆速有一定的下降，但與鄰井相比始終保持較高的機械鉆速，圖3是該井與同區塊同層段井鉆頭平均進尺、機械鉆速對比圖。

由圖3可知，該井平均單只進尺相比DB204同層段提高499%，相比DB205同層段提高160%，平均提高329.5%；平均機械鉆速相比DB204同井段提高313%，相比DB205同井段提高119%，平均提高216%。說明根據優化思路設計出來的鉆頭，在該區塊康村組—蘇維依組成功應用，取得了良好的實驗效果。

5 結論

（1）依據地層物性和鉆頭損壞特征，優化設計出的鉆頭在山前深部含礫地層取得了較好的應用效果，成功解決了康村組下部—蘇維依組地層機械鉆速慢、單只鉆頭進尺短的問題。同時，由于機械鉆速的加快和起下鉆的減少，避免了裸眼井段長時間浸泡在鉆井液中，減少了井下復雜事故。

（2）設計的鉆頭在KS區塊應用，與同區塊同層段數據相比，單只鉆頭機械鉆速提高182.25%，進尺增加194.02%；同樣在DB區塊，實驗鉆頭數據與同區塊同層段鉆頭數據相比，單只機械鉆速提高216%，進尺增加329.5%，提速效果非常明顯。

圖2 KS2-2-5與區塊均值對比

表1 康村組—蘇維依組鉆頭使用情況

（3）觀察鉆頭出井情況，其主切削齒有輕微的磨損，屬于正常磨損的范圍，說明鼻部和肩部采用雙排齒設計以及使用優質切削齒，能夠有效防止PDC鉆頭在礫石層鉆進過程中的蹦齒現象，保護了主切削齒的正常工作。

圖3 DB208與同區塊井對比圖

[1]蔣金寶.山前構造礫石層大尺寸鉆頭優化設計與現場試驗[J].石油鉆探技術,2013,41(4):69-72.

[2]王延民,梁紅軍,李皋，等.塔里木DB區塊礫石層特征及對優快鉆井影響[J].新疆地質,2012,30(1):113-115.

[3]劉志鵬,曾恒,周學軍，等.適用于特定地層的PDC鉆頭個性化設計[J].天然氣工業,2013,33(3):59-62.

[4]李宬曉,董學成,梁紅軍，等.泥礫巖地層PDC鉆頭失效研究[J].西部探礦工程,2012:86-89.

[5]孔棟梁.底礫巖地層PDC鉆頭損壞機理及鉆頭優化設計研究[D].山東東營:中國石油大學（華東）,2011.

[6]高紹智,張建華,李天明，等.適用于礫石夾層鉆進的PDC鉆頭[J].石油鉆采工藝,2006,28(4):20-21,28.

[7]李天明,李大佛,陳洪俊，等.用于礫石夾層鉆進的新型PDC鉆頭的研制與使用[J].探礦工程:巖土鉆掘工程,2006,33（8）: 57-60,60.

[8]楊慶理.復雜地層PDC鉆頭個性化設計及應用研究[D].山東東營:中國石油大學（華東）,2007.

PDC Bits Optimization andApplication in Depth of Kuqa Complex Conglomerate Formations

GUO Xue-liang1,XONG Ming-yong2, SUN Beng-fa2,NIE Rong-guo3

(1.Oil Engineering College,Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500,China;2.Tarim Engineering Company Chuanqin Drilling Corporation,Kurle Xinjiang 841000,China;3. Application Technology College,Southwest Petroleum University, Nanchong Sichuan 637001,China)

The Kelasu piedmont structure belt in front of the Kuqa Mountains have very complex geological environment,where contains thick gravel layers from the bottom of Kangcun to Suweiyi formation,is hard for drilling,so the conventional PDC bit is unsuitable for this gravel layer.Basis on analyzing physical nature of the gravel layer and the characteristics of invalid PDC bit in the gravel layer,the suitable PDC bit for the gravel layer has been designed.By using 16mm abrasion-proof and shock resistance cutters,mid density cogging distribution,double-row cogging on shoulder and nose,crown adopting shot crone and medium parabolic,ensure that the bit have well performance on attack and shock resistance.The designed 333.4mm PDC bits has been tested in KS and DB area.Compared with adjacent well,footage and penetration speed of single bit in KS area has rose by 194.02%and 182.25%,footage and penetration speed of single bit in DB area has rose by 329.5%and 216%.The test results show that the designed PDC bits are well used in the gravel layer block and suitable for the formation.

PDC bit；gravel；Kuqa piedmont；bit design；shock resistance

TE921

A

1004-5716(2015)03-0034-04

2014-08-25

郭學良（1989-），男（漢族），四川內江人，西南石油大學石油工程學院在讀碩士研究生，研究方向：特殊工藝井鉆井技術與井壁穩定性研究。