改進型PDC鉆頭技術在錦州礫巖層的應用

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改進型PDC鉆頭技術在錦州礫巖層的應用

關賀坤，和鵬飛

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司（天津300452）

渤海遼東區域館陶組地層底礫巖硬度高、可鉆性差，通過分析鉆進期間PDC鉆頭磨損特征，采用老井資料技術調研等方法，總結出影響底礫巖井段機械鉆速慢、鉆頭壽命短的主要影響因素。闡述了經過鉆頭切屑齒的改變、優化鉆頭刀翼數、刀翼形狀及布齒密度、鉆井參數等諸多方面的優化，研制出一款更適合于遼東館陶組底礫巖地層高速鉆進的強攻擊性高壽命鉆頭，分別在20口井使用。應用實踐表明，可以快速、高效直接鉆穿館陶組底部礫巖地層井段，鉆井效率提高一倍以上，節省了海上鉆井作業時間，經濟效益明顯。

底礫巖；PDC鉆頭；渤海油田

隨著海洋石油開發的深入，渤海油田的鉆井效率大幅度提高，鉆井各井段的單項時效要求也隨之顯得越來越重要。渤海油田遼東區域館陶組地層存在不同厚度的底礫巖，以雜色、淺灰色為主,礫石以石英礫為主，硬度高、可鉆性差；鉆進期間對鉆頭各結構磨損程度大，機械鉆速慢，鉆頭壽命短，在鉆井過程中對鉆進的整體效率有很大的影響。統計鉆井資料顯示，底部礫巖一次性鉆穿率不高，大部分井都需要中途起鉆下趟牙輪鉆頭鉆穿底部礫巖[1-4]。在保證礫巖上部地層機械鉆速前提下，如何實現一個鉆頭鉆穿館陶組底部礫巖成為鉆井提效的重點。

1 地質特征

1）平原組。垂厚300m左右，上部為松軟海底沉積物，下部為大塊卵石及礫石。

2）明化鎮組。明化鎮組上段，垂厚600m左右，中上部為厚層含礫石砂巖夾泥巖，下部為厚層砂巖夾薄層泥巖。明化鎮組下段，垂厚150m左右，砂巖為主，含礫石砂巖夾薄層泥巖。

3）館陶組。垂厚300m左右，上部為厚層礫巖、含礫砂巖、夾薄層泥巖；下部為大套砂礫巖。

2 鉆頭磨損原因分析

2.1 地層可鉆性分析

從地層分析來看，該區域館陶組，地層抗壓強度：34.47～82.74MPa，內摩擦角：28°～36°，含多套硬夾層，局部地層抗壓強度超過82.74MPa，內摩擦角達到42°，屬于中高抗壓強度，中等研磨性地層（圖1）。巖性主要為：上部為厚層砂巖、含礫砂巖、夾薄層泥巖；下部為大套砂礫巖。

圖1 地層可鉆性分析圖

2.2 鉆頭磨損原因分析

礫巖地層由于巖屑顆粒混雜，且粒徑較大（大于2mm）膠結較硬，由于鉆頭渦動以及PDC復合片磕碰嚴重，一般PDC鉆頭不適于鉆此類地層。在渤海油田開發過程中，通過對常規鉆頭的加強改進，實現了PDC鉆頭在礫巖地層的鉆進，尤其是館陶組底部礫巖，此類PDC具有6～7刀翼、冠部較為平坦、雙排切削齒等常規特點，其耐磨性大于攻擊性，在綏中區域等應用良好[5-6]。但是渤海油田館陶組底部礫巖呈現自南向北厚度加深且可鉆性變差的規律，在錦州等廣大遼東區域，館陶組底部礫巖垂直厚度達到了90m，PDC鉆頭不能直接鉆穿該段地層的情況時有發生，但總體相對于牙輪鉆頭情況較好，一方面牙輪鉆頭軸承壽命有限制，一方面進尺效率確實低于PDC鉆頭。圖2為某井出井7刀翼PDC鉆頭，鉆頭磨損嚴重，且未鉆穿礫巖層。

圖2 某井出井PDC鉆頭狀況

3 對PDC鉆頭的針對性改進

Φ311.2mm井段上部地層主要應對館陶組底礫巖采用7刀翼、19mm切削齒鉆頭，在新鉆井作業前通過優化鉆頭的抗沖擊性、鉆頭冠型，淺內錐、大鼻部圓弧等結構來解決上部地層較高造斜及鉆穿底礫巖的要求。在作業中也通過現場作業情況及鉆頭出井情況再進行深入分析討論，將鉆頭薄弱環節再次優化，達到鉆頭高速鉆穿底礫巖的目的并延長其使用壽命。

3.1 增加鉆頭抗沖擊性

針對前期使用的鉆頭整體切削齒崩損嚴重，且外排齒也損壞嚴重，未能有效的保護前排齒。改進設計方案將原鉆頭上的外排齒防碰節全部改為抗沖擊性能更好的19mm外排齒，且盡量向鉆頭心部增加外排齒，整體增加鉆頭抗沖性能（圖3）。

圖3 改進前后PDC布齒情況

3.2 增加鉆頭工作穩定性

PDC鉆頭在設計初期主要針對軟或者中硬地層，且地層均質性要求較好，操作較為謹慎。隨著實踐和認知的不斷加深，PDC鉆頭形制的改進從未停止。對于礫巖地層，整個PDC鉆頭需要抗研磨性較高，而非針對中硬或者軟均質地層的刀翼吃入、切削，礫巖地層中PDC鉆頭需要微量吃入，穩定切削，PDC金剛石復合片抗研磨性和鉆頭冠部抗研磨性要加強。針對原鉆頭冠型較尖，容易造成工作狀態不穩定，特別是在館陶組底部礫巖層中，可能會加速切削崩損。改進設計方案采用平坦的冠型，為了進一步增加鉆頭的工作穩定性，鉆頭心部刀翼的數量由原來的3個改為4個；刀翼寬度也由于原來的47mm增加到65mm（圖4）。

圖4 改進前后PDC冠部形狀

3.3 增強保徑強度

由于本區域油田館陶組底部底礫巖垂深較厚，所鉆井均為定向井或者水平井，礫巖段斜深也相應加長，鉆頭及鉆具在礫巖段鉆進時間較長，鉆頭保徑磨損一般較為嚴重。常規的底部礫巖7刀翼鉆頭保徑部分未敷焊金剛石復合片，保徑耐磨損強度較低，保徑磨損以后鉆頭的不穩定性也增強，進一步限制了鉆頭的最大效率。針對這種狀況，改進的設計方案專門加強鉆頭的保徑強度，保徑上設計有保徑齒、倒劃眼、弧面平躺齒（圖5）。

圖5 改進前后PDC保徑

3.4 復合片的改進

PDC鉆頭金剛石復合片是其核心部件，是PDC鉆頭區別于刮刀鉆頭的一大特點，也是整個鉆頭切削、抗磨損的主要部分。國內外對于PDC鉆頭形制的改進較多，對于PDC金剛石復合片的研究較少，尤其在礫巖鉆進中，復合片容易受到礫巖顆粒的不穩定、不均衡磕碰導致復合片破損為主，且有效切削時間明顯減少，因此如何提高復合片的抗沖擊性，增強井底不穩定抵抗對于高效鉆穿館陶組底部礫巖至關重要。PDC金剛石復合片其形狀一般為短圓柱體，史密斯公司近年著力研究可旋轉式復合片，能夠將磨損載荷均等化。本次渤海油田改進采用改變PDC金剛石復合片形制的方式，利用圓弧形復合片面部設計，使改進設計后的鉆頭使用抗沖擊性能更好的大倒角復合片，前排齒和后排齒都使用大倒角復合片（圖6）。

圖6 改進前后的大傾角復合片

3.5 力平衡設計

鉆頭的穩定性也是鉆頭設計中需要重視的因素。通過對鉆頭復合片受力進行力不平衡計算，把這種不平衡力控制在3%以內，鉆頭在工作時就可以有很好的穩定性。通過優化，鉆頭重心優化到距中軸線1.5mm以內，減輕大鉆頭高速旋轉時的動載荷沖擊。

4 現場應用

4.1 鉆具組合

311.15 mmPDC鉆頭+244.48mm螺桿馬達(1.15°)+ 203.2mm浮閥+279.4mm扶正器+203.2mm非磁鉆鋌+203.2mmMWD儀器+203.2mm非磁鉆鋌+ 203.2mm隨鉆震擊器+變扣接頭+127mm加重鉆桿。

4.2 鉆井參數的選擇

渤海油田長期采用保護型參數，保證PDC鉆頭一次性鉆穿館陶組底部礫巖，即“三三三”參數[6-10]，鉆壓保持30kN以內、排量維持在50L/s、轉速30r/min。為配合改進型PDC鉆頭高效鉆穿，對鉆井參數進行分段細化、優化，主要有：在底部礫巖垂深頂前50m降低參數，采用常規的“三三三”參數穩定鉆進；礫巖中下部鉆進采用鉆壓30～40kN、排量提高至53.3L/s、轉速維持30r/min參數鉆進，雖然轉速沒提高，但是由于館陶組底部礫巖段均采用螺桿馬達鉆具，排量的提高也對應底部組合鉆頭轉速提高；離預測礫巖底垂深30m時，進一步提高參數至鉆壓40～60kN、排量55～58.3L/min、轉速40r/min，利用沖刺作用高效鉆穿。

4.3 底礫巖井段的井眼軌跡設計

為了保證底礫巖井段的高效鉆穿，避免滑動定向，在底礫巖井段進行井眼軌跡優化設計，一般該段段長約2～3柱鉆桿長度，井眼軌跡設計為穩斜段，如有造斜需要則在底礫巖以上井段以略高的造斜率完成或者在鉆穿底礫巖后在東營組地層設計略高的造斜率。

4.4 應用效果

改進型PDC鉆頭在遼東區域油田開發過程中成功應用，本區塊老井的機械鉆速見表1。館陶組底礫巖平均機械鉆速維持在4m/h左右。

2013-2014年投入開發的油田，經過使用改進型的PDC鉆頭應對館陶組底礫巖，凸顯了其進尺快，壽命長，更耐用，較從前老井使用普通PDC鉆頭和牙輪鉆頭有了很大地突破。改進后的鉆頭應用20井次以上，平均機械鉆速達到了9.6m/h，相比牙輪鉆頭及常規PDC鉆頭在底礫巖段的平均機械鉆速（大約在4m/h）改進后的PDC鉆頭機械鉆速較以前提高了約140%，且均鉆穿館陶組底部礫巖，平均每口井節省時間12h以上（圖7）。通過改進型PDC鉆頭的成功應用，在提高鉆井時效、縮短作業周期方面發揮了積極作用，為油田提高開發效益作出了較大貢獻。

表1 錦州9-3生產井井館陶組底礫巖地層機械鉆速

5 結論

1）通過對PDC鉆頭的優化，尤其是使用復合片保徑及增加側向切削齒能有效增加保徑塊的抗研磨能力，應用實踐表明可以快速、高效的鉆穿錦州區域館陶組底礫巖地層。

2）從優化效果可以看出對肩部切削結構優化后抗沖擊能力有效提高，肩部切削齒的崩齒現象減少；優化切削結構，增加內排齒切削齒的壽命，使鉆頭保持攻擊性，有利于提高鉆頭整體機械鉆速；使用抗沖擊更強的切削齒，提高鉆頭壽命有利于提高機械鉆速。

圖7 改進型PDC鉆頭應用對比

3）目前錦州區域是渤海海域內具有較大潛力的開發區域，館陶組底礫巖作為該區域油氣層之上的典型標志層，一直是鉆井工程的主要鉆進難點，應用PDC優化技術對于油田的進一步高效開發具有較好的意義。

[1]付建民,韓雪銀,孫曉飛,等.PDC鉆頭防渦技術在礫巖地層中的應用[J].石油鉆采工藝,2012(s1):5-8.

[2]鄧建明,劉小剛,馬英文,等.渤海油田鉆井提效新技術及其應用實踐[J].中國海上油氣,2016,28(3):106-110.

[3]付建民,韓雪銀,馬英文,等.vo rteX型動力導向鉆井系統在渤海油田的應用[J].石油鉆探技術,2014(3):118-122.

[4]和鵬飛,孔志剛.Power Drive Xceed指向式旋轉導向系統在渤海某油田的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013(11): 45-48.

[5]陳洪濤,黃繼慶,滕惠婷,等.防渦PDC鉆頭的研究與應用[J].鉆采工藝,2010,33(2):76-78.

[6]姬洪剛,卓振洲,張雪峰,等.渤海某油田利用模塊鉆機調整井鉆井作業的難點與對策[J].科技創新與應用,2014(6): 77-78.

[7]劉鵬飛,和鵬飛,李凡,等.欠位移水平井C33H井裸眼懸空側鉆技術[J].石油鉆采工藝,2014(1):44-47.

[8]劉鵬飛,和鵬飛,李凡,等.Power Drive Archer型旋轉導向系統在綏中油田應用[J].石油礦場機械,2014,43(6):65-68. [9]和鵬飛,萬祥,羅曼,等.渤海疏松砂巖密閉取心低收獲率應對措施探討[J].非常規油氣,2016,3(3):24-26.

[10]陳龍,和鵬飛,張鑫,等.水力振蕩鉆井提速技術在渤海油田中的應用[J].科技創新與應用,2016(10):82-82.

The basal conglomerate of Guantao Formation in Bohai Liaodong area is of high hardness and poor drillability,and the main factors resulting the low drilling speed and the short drill bit service life in the drilling process of the basal conglomerate are summed up according to the investigation of old well data and the analysis of the wear characteristics of PDC drilling bit.A kind of long life drill bit suitable for the drilling of the basal conglomerate of Guantao Formation in Bohai Liaodong area was developed through improving the chip teeth of PDC drill bit(including the optimization of the number,shape and distribution density of the chip teeth)and optimizing drilling parameters.The application of the improved PDC bit in 20 wells shows that it can quickly and efficiently drill through the basal conglomerate formation of Guantao Formation,and the drilling efficiency is more than doubled.Therefore the time of offshore drilling operation is saved,and the economic benefit is obvious.

basal conglomerate;PDC bit;Bohai Oilfield

賈強

2016-10-08

攝影/胡興豪

關賀坤（1984-），男，工程師，現主要從事海洋石油鉆完井技術監督工作。