混合鉆頭在斜井段的應(yīng)用

韓佩章 侯博 王凱(川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司,陜西 西安 710018)

混合鉆頭在斜井段的應(yīng)用

韓佩章 侯博 王凱(川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司,陜西 西安 710018)

近年來隨著長慶油田水平井的大規(guī)模開發(fā)，PDC鉆頭在斜井段使用過程中，仍然存在了一些影響斜井段快速鉆進的因素。本文通過對斜井段使用的混合鉆頭基本情況和試驗數(shù)據(jù)的分析，明確了該類型的鉆頭能夠在一定程度上解決在斜井段施工中出現(xiàn)的工具面不穩(wěn)定、復(fù)合增斜率差、滑動效率低等問題。

混合鉆頭;復(fù)合增斜率;斜井段;機械鉆速;破碎環(huán)帶

混合式鉆頭是指整合了PDC刀翼和牙輪的特殊鉆頭，其理念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，但在當(dāng)時被人們認為是不合理的，但科技的進步為混合式鉆頭的誕生奠定了基礎(chǔ)。目前國際上最先進的混合鉆頭是貝克休斯公司的kymera系列鉆頭，國內(nèi)的鉆頭廠家也已經(jīng)開始對混合式鉆頭進行研發(fā)。此次所用的混合鉆頭是KPM1642ART型混合鉆頭。

1 混合鉆頭的基本參數(shù)及特征

1.1 混合鉆頭基本參數(shù)

該鉆頭的型號KPM1642ART，鉆頭尺寸φ215.9mm。由兩個牙輪和四個PDC刀翼組成（主切削齒尺寸φ16mm），牙輪設(shè)計比PDC高2mm，共有6個水眼（16#*3個+14#*3個），保徑長度100mm，排泄槽面積7985mm2,推薦轉(zhuǎn)速45-160Rpm,推薦鉆壓60-160KN。

1.2 混合鉆頭破巖機理

該鉆頭采用混合切削機構(gòu)。混合鉆頭同時包含牙輪和刀翼，牙輪鉆頭比PDC高2mm，在使用過程中，牙輪切削齒先接觸地層，對巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，形成不連續(xù)的齒坑，PDC切削齒通過切削，將牙輪切削齒形成的不連續(xù)的齒坑連通，從而形成完整的破碎環(huán)帶。

2 混合鉆頭應(yīng)用背景及目的

2.1 應(yīng)用背景

在長慶油田水平井開發(fā)過程中，PDC鉆頭在斜井段應(yīng)用中通過不斷的選型和改進，解決了PDC使用壽命短、進尺少、機械鉆速差等一些問題，基本上滿足了斜井段施工要求。但是隨著鉆井提速，PDC在斜井段使用過程中，仍然存在了一些影響斜井段快速鉆進的因素，其中就包括滑動效率低、工具面不穩(wěn)定、復(fù)合增斜率差、鉆頭容易泥包等一系列問題。為了進一步提高機械鉆速，減少施工周期，就必須解決以上出現(xiàn)的各項問題。

2.2 應(yīng)用目的

為了進一步驗證此類型的鉆頭是否能夠解決PDC鉆頭在斜井段施工中出現(xiàn)的工具面不穩(wěn)定、復(fù)增斜率差、滑動效率低等問題。

3 混合鉆頭的使用情況

3.1 使用情況

今年在蘇里格區(qū)塊施工的水平中，斜井段共計使用混合鉆頭4只。從區(qū)域上來說，使用混合鉆頭的4口水平井屬于同一區(qū)域內(nèi)，目的層和所鉆遇地層一致，井眼方位一致，并且在使用過程中，鉆具組合、鉆井參數(shù)和泥漿性能基本一致。（右圖為入井前照片）

混合鉆頭使用統(tǒng)計表：

進尺純鉆起出井斜 8 8機械鉆速入井井深 2 8使用井起出井深 3 4口 1 2 3 4復(fù)合 3 72 3滑動 1滑動 5 0合計 7 85749復(fù)合 2 8合計 5復(fù)合 1 3滑動 3 .合計 6 .入井井斜 7 . 06 3 26 31 90 35 12 37 67 29 3 97 28 35 30 30 31 01 55 4 53 28 81 10 3 15 0 45 82 6 66 5 6. 5 42 2. 5 35795164 .5 41 .5 10 6 .3 5. 77 10 .8 8. 01 14 1. 75 2. 29 3. 78 4. 38 6. 03 6. 28 16 0. 75 0. 31 9. 71 80 .5 27 .3 72 .3 85 .929. 6813. 8021. 3722. 45平均5 9 42 .5 45 .5 88 6 3滑動比率% 13 79. 946. 3514度/ 100m24. 42

根據(jù)統(tǒng)計表所知，平均進尺559米，純鉆88小時，機械鉆速6.35米/小時，滑動機械鉆速3米/時，復(fù)合機械鉆速9.94米/時，平均增斜率在14度/100米。滑動比率24.42%。

3.2 磨損情況

該類型鉆頭使用的純鉆時間達到80小時后，各別牙輪曠動情況比較嚴重，其它牙輪都有不同程度的曠動情況。PDC復(fù)合片都有不同程度的磨損。整體來說在鉆頭使用到80小時時，要根據(jù)現(xiàn)場使用情況，復(fù)合過程中每米的鉆時、扭矩的變化、以及入窗前的剩余進尺情況等，來判斷是否需要及時起鉆，還是在保證鉆頭安全的情況下繼續(xù)鉆進。（右圖為牙輪曠動照片）

3.3 使用效果

(1)滑動情況：該鉆頭滑動工具面比較穩(wěn)定，配1.5度單彎螺桿，正常情況下在井斜小于10°時，滑動一根增斜2-2.5°/根；井斜大于10°時，滑動一根增斜2.5-3.5°/根°，在井斜大于70度后，滑動7米，增斜2.5°左右。

復(fù)合情況：去除各別井因為螺桿或是地層傾角原因造成的復(fù)合增斜率比較低的情況，該鉆頭一般情況下井斜小于30°時，復(fù)合增斜率0.5-0.8°/根;井斜30°-70°時，復(fù)合增斜率0.6-1°/根;井斜70°后，復(fù)合增斜率0.8-1.5°/根。

(2)在使用過程中發(fā)現(xiàn)該類型的鉆頭對鉆壓十分敏感，在10噸鉆壓時每米鉆時3-5分鐘，8噸鉆壓每米5-7分鐘。

(3)在滑動過程中發(fā)現(xiàn)，該類型鉆頭的反扭角和牙輪鉆頭反扭角變化規(guī)律有些像，都和鉆壓有很直接的關(guān)系，一定的鉆壓和加壓頻率，反扭角有一定值，相比牙輪更為敏感，隨鉆壓的變化，反扭角變化也比較大，但在施工過程中工具面不會像PDC一樣隨鉆壓的輕微變化而突變。

(4)在鉆遇砂巖時復(fù)合增斜率明顯高于鉆遇泥巖時的復(fù)合增斜率，同比每根增0.2-0.5度。

(5)在所施工井中，未發(fā)現(xiàn)混合鉆頭泥包現(xiàn)象，但在同一井眼施工過程中，混合鉆頭起出后，更換PDC鉆頭入井后出現(xiàn)泥包現(xiàn)像。

4 對比分析

4.1 復(fù)合情況對比

(1)井斜5-30度之間，混合鉆頭復(fù)合增斜率相比PDC鉆頭復(fù)合增斜率每根提高0.2-0.5度不等。

(2)井斜30-50度之間，有兩口井復(fù)合增斜率相比PDC鉆頭每根提高0.5-0.8度不等，有一口井應(yīng)用的混合鉆頭復(fù)合增斜相比PDC鉆頭略微有些低，每根降低0.1-0.2度。

(3)井斜50-70度之間，混合鉆頭復(fù)合增斜率相比PDC鉆頭每根提高0-0.5度不等。

(4)0度以后混合鉆頭復(fù)合增斜率相比PDC鉆頭提高0.1-0.5不等。

(5)混合鉆頭平均機械鉆速相比PDC鉆頭提高1-1.5m/h左右。

4.2 滑動情況對比

(1)合鉆頭在0-10度之間滑動增斜率比PDC鉆頭每根提高0.5-1度。

(2)在10度之后混合鉆頭滑動增斜率每根都在2.5度以上，比PDC鉆頭滑動增斜率每根提高0.5度以上。

(3)混合鉆頭滑動機械鉆速比PDC鉆頭每根提高1-2度左右。

(4)在滑動過程中，混合鉆頭沒有出現(xiàn)拖壓現(xiàn)象，而PDC鉆頭在滑動過程中出現(xiàn)拖壓現(xiàn)象。

5 結(jié)語

(1)在同區(qū)域內(nèi)，鉆遇地層一致、目的層一樣、方位一致，同樣的鉆具組合情況下復(fù)合增斜率相比PDC鉆頭較高，達到了試驗?zāi)康摹?/p>

(2)滑動增斜率相對于PDC鉆頭較高。

(3)滑動時工具面相對比較穩(wěn)定，平均滑動機械鉆速達到3m/h，未出現(xiàn)比較嚴重的托壓現(xiàn)象。

(4)平均進尺和平均機械鉆速較高，在所使用井中有一口實現(xiàn)了斜井段一趟鉆。

[1]高元.貝克休斯公司Kymera混合型鉆頭[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(2):40.

[2]胡大梁.嚴焱誠.李群生等.混合鉆頭在元壩須家河組高研磨性地層的應(yīng)用[J].鉆采工藝.2013.36(6):8-12.

[3]許京國.陶瑞東.鄭智冬等.牙輪+PDC混合鉆頭在迪北103井的應(yīng)用試驗.天然氣工業(yè).2014,34(10):71-74.

韓佩章（1981-）男，漢族，河北趙縣人，工程師，主要從事鉆井技術(shù)服務(wù)工作。