忍者齒PDC鉆頭在渤海油田花崗巖潛山地層的應用

馬宏偉，耿立軍，馬志忠，袁則名，和鵬飛

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 工程技術作業中心（天津 300459）

2.中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司（天津 300452）

隨著渤海油田的勘探逐漸走向深部地層，如何既能提高機械鉆速又能減小井下復雜情況的發生、提高作業質量和效率顯得尤為重要。受埋藏深度的影響，井深越深，地層的壓實程度越高，巖石硬度增加，塑性增強，PDC鉆頭吃入地層的能力越差，機械鉆速越低，進而導致鉆井周期越長。目前渤海海域深層太古界變質巖潛山地層平均埋深4 304 m，地層巖性主要為花崗片麻巖，地層很硬，機械鉆速很低。常規PDC鉆頭配合扭力沖擊器技術，鉆頭單趟進尺少，機械鉆速低，鉆頭破壞嚴重。針對常規PDC鉆頭使用效果差這一問題，開展了相關的分析和研究，開發了一種新的忍者齒PDC鉆頭[1-6]。忍者齒PDC鉆頭抗沖擊性更強，鉆頭工作表現良好，對鉆井作業提速提效有很大的幫助[7-8]。

1 常規PDC鉆頭+扭力沖擊器技術應用效果

A井、B井是渤海海域某個同一構造上的2口探井，其井身結構數據見表1。

表1 A井、B井井身結構表

A井、B井在六開井段使用相同鉆具組合如下：Φ152.4 PDC鉆頭+Φ127扭力沖擊器+430mm×410 mm變扣+Φ120.65浮閥+Φ120.65鉆鋌×24 mm+Φ120.65（撓性接頭+震擊器）+Φ88.9加重鉆桿×14+Φ88.9鉆桿×120+311 mm×DSHT55B變扣+Φ139.7鉆桿。

U613M鉆頭配合扭力沖擊器在A井、B井六開井段中都進行了入井使用，地層巖性為花崗片麻巖。A井、B井使用鉆井參數為鉆壓9～10 t，泵排量為67.7 L/s，轉盤轉速為60 r/min，鉆井液密度為1.17 g/cm3，各井段使用情況見表2。

表2 U613M鉆頭在A井、B井六開152.4mm井段使用情況

圖1所示A井U613M出井鉆頭磨損很小，而圖2所示B井U613M出井鉆頭磨損比較嚴重，內錐齒及冠部齒均被磨禿。

圖1 A井U613M出井照片

2 鉆頭磨損情況分析與改進

2.1 鉆頭磨損情況分析

A井和B井入井兩只鉆頭型號為U613M且均為新鉆頭，由測井資料獲得巖石抗壓強度、巖石內摩擦角見表2。①通過A井和B井巖石抗壓強度對比，在選用相同鉆頭時，A井的抗壓強度，選用常規U613M可以承受，在扭力沖擊器保護下，鉆頭磨損程度?。虎贐井的抗壓強度超出相同U613M的抗沖擊最高限，導致鉆頭嚴重崩齒，進而壽命大大降低（圖2）；③根據以上情況，迫切需要在不減少鉆頭攻擊性的情況下增加鉆頭抗沖擊性能。

圖2 B井U613M鉆頭出井照片

2.2 PDC鉆頭齒改進

1）選用抗沖擊性更強的忍者齒，增強鉆頭整體抗沖擊性[9-10]，忍者齒采用4象限受力模式，把受到的地層沖擊力分化到4個象限，單個象限受到的沖擊力遠小于常規單個復合片受到的沖擊力（圖3）。

圖3 常規復合片

2）常規PDC復合片采用平面結構；忍者齒采用中間十字棱結構，復合片呈扇形集中結構。

3）平面復合片厚度1.5 mm；忍者齒圓周厚度1.5 mm，中心厚度2 mm，從物理材質上增加了復合片整體抗沖擊性。

4）忍者齒復合片呈5°斜坡，在剪切地層時，復合片邊緣受到的沖擊力分散到每個扇形復合片。

5）忍者齒十字棱配合扭力沖擊器形成錐形吃入地層結構，與地層呈咬合狀，相當于復合片鑲嵌在地層中。

6）十字棱同心圓剪切地層，PDC鉆頭剪切地層時，十字棱在扭力沖擊器作用下，形成錐形剪切地層，十字棱在每個刀翼排量呈同心圓型，在幾何學上最佳剪切排列（圖4）。

圖4 忍者齒復合片

3 忍者齒PDC鉆頭在C井中的應用

C井152.4 mm井段鉆具組合與A、B井相同，鉆井參數為鉆壓9～10 t，泵排量為67.7 L/s，轉盤轉速為60 r/min，鉆井液密度為1.17 g/cm3。

C井152.4 mm(6")花崗片麻巖井段使用忍者齒PDC鉆頭配合扭力沖擊器，單趟鉆進尺245 m，平均機械鉆速4.3 m/h，比A井、B井鉆頭單趟進尺提高6～7倍，機械鉆速提高65%～72%，提速效果明顯且出井鉆頭磨損較輕(表3、圖5、圖6)。鉆進過程中，各鉆井參數平穩，泵壓波動正常。

表3 U613M忍者齒鉆頭在8井五開152.4mm井段使用情況

圖5 C井忍者齒PDC鉆頭U613M入井照片

4 結論

1）忍者齒的設計增強了PDC鉆頭整體的抗沖擊性能，從A井、B井、C井巖石力學參數對比來看，B井與C井地層硬度相當，通過兩口井出井鉆頭磨損分析，加上扭力沖擊器對鉆頭切削齒的保護作用，忍者齒PDC鉆頭的抗沖擊性能進一步提高。

2）為進一步提高忍者齒鉆頭的抗沖擊性，可將副切削刀翼齒設計為雙排齒或設計成七刀翼忍者齒PDC鉆頭。

3）為防止鉆頭噴嘴在正常鉆進過程中脫落，可在鉆頭入井前在噴嘴與鉆頭本體連接絲扣處涂抹厭氧膠。

4）現場實踐證明，忍者齒PDC鉆頭渤海油田花崗巖潛山地層提速效果明顯，與鄰井相比提速約65%～72%，進尺提高6～7倍。