PDC鉆頭定制設(shè)計(jì)及在東海超深井的應(yīng)用

左宏剛，何福耀，嚴(yán)維鋒，和鵬飛，李旭東

1.中海石油（中國）有限公司 上海分公司（上海 200335）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

3.深圳新速通石油工具有限公司（廣東 深圳 518103）

自從20 世紀(jì)70 年代PDC 鉆頭進(jìn)入鉆井市場，當(dāng)前全球PDC 鉆頭應(yīng)用達(dá)到市場的75%～80%[1]。PDC 鉆頭技術(shù)的發(fā)展，主要集中在鉆頭設(shè)計(jì)、材料加工等方面，包括胎體材料選擇、切削齒復(fù)合片材料優(yōu)化、鉆頭冠部設(shè)計(jì)、刀翼設(shè)計(jì)、水眼/噴嘴水力設(shè)計(jì)、流道槽設(shè)計(jì)以及切削齒設(shè)計(jì)[2-4]。近年來，針對(duì)PDC 鉆頭在硬地層中使用效果較差的問題，國內(nèi)外在PDC 鉆頭的切削齒、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力設(shè)計(jì)等方面不斷改進(jìn)創(chuàng)新，一定程度上提高了PDC 鉆頭在硬地層中的鉆進(jìn)性能。但區(qū)域地層差異、上下層位研磨性不同、井身軌跡多樣、局部特殊巖性的存在[5-9]，導(dǎo)致一款PDC鉆頭的性能很難做到兼顧和通吃，要么中軟地層中能快速鉆進(jìn)但硬地層中鉆頭損壞；要么研磨性地層適應(yīng)性強(qiáng)但軟地層機(jī)速上不來；要么鉆頭穩(wěn)定性差、導(dǎo)向性能不好。因此，隨著PDC 技術(shù)工藝的日臻成熟，PDC 鉆頭井位定制和針對(duì)性設(shè)計(jì)是進(jìn)一步提高鉆井效率、節(jié)約鉆井成本的有效舉措，是實(shí)現(xiàn)一趟鉆系統(tǒng)工程的關(guān)鍵性嘗試。東海平湖油氣田前期勘探開發(fā)數(shù)據(jù)顯示其機(jī)械鉆速慢、鉆井效率低，X12井采用針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)的PDC鉆頭，取得了巨大突破和成功。

1 平湖油氣田地質(zhì)概況及鉆頭使用情況

1.1 地質(zhì)特點(diǎn)

東海平湖油氣田位于上海東南方向約400 km，地層軟硬交錯(cuò)頻繁、斷層發(fā)育，花港組中部以上地層軟-中硬，地層巖石抗壓強(qiáng)度13.79～41.37 MPa，可鉆性好；花港組下部、平湖組為硬-研磨性地層，巖石抗壓強(qiáng)度41.37～124.11 MPa，局部硬夾層超過22 mm；花港組中下部含礫，礫徑2～5 mm，最大151.68 MPa，易造成鉆頭沖擊損壞；平湖組頂部蓋層泥質(zhì)膠結(jié)，局部含灰，鉆頭吃入困難。大位移定向探井X12井，主要為落實(shí)團(tuán)三南構(gòu)造花港組（H4 和H6）、平湖組儲(chǔ)層展布和含油氣性；311.15 mm（12.25″）井段主要鉆遇柳浪組、玉泉組、龍井組、花港組，75°穩(wěn)斜至花港組中上部后連續(xù)降斜至55°，閉合位移近5 000 m；215.59 mm（8.5″）井段為主要目的層井段，鉆遇花港組下段、平湖組，連續(xù)降斜至4°，閉合位移5 350 m。

1.2 前期鉆頭使用情況

東海平湖油氣田前期鉆井PDC 鉆頭使用情況見表1。

表1 平湖油氣田PDC鉆頭使用情況

由表1可以看出，已完成井311.15 mm井段共使用10只PDC鉆頭，總進(jìn)尺8 150 m，平均機(jī)速22.46 m/h，單只鉆頭進(jìn)尺815 m，每口井需多2趟鉆鉆至TD，大多鉆頭磨損嚴(yán)重；215.9 mm 井段共使用9只鉆頭，總進(jìn)尺3 621.6 m，平均機(jī)速7.67 m/h，單只鉆頭進(jìn)尺402.4 m，每口井需多2～3 趟鉆鉆至TD。其中，ZG1井鉆頭使用效果最好，整體鉆井效率最高；311.15 mm井段第一趟鉆選用5 刀翼16 mm 齒鉆頭，進(jìn)尺和機(jī)速較其他井均有明顯優(yōu)勢，因更換鉆具組合而起鉆，鉆頭磨損較輕；第二趟鉆為6 刀翼16 mm 齒鉆頭，取得較好進(jìn)尺但機(jī)速偏低，鉆頭磨損不嚴(yán)重；215.9 mm 井段兩趟鉆均使用6 刀翼16 mm 齒鉆頭，均取得不錯(cuò)的進(jìn)尺和機(jī)速，第一趟鉆磨損輕微，第二趟鉆屬于研磨性地層正常磨損。

1.3 鉆頭提效難點(diǎn)

分析鄰井PDC鉆頭的使用情況，主要存在鉆頭使用數(shù)量多、整體機(jī)速不高、單只鉆頭進(jìn)尺少的問題，故X12井鉆頭提效也面臨著類似的諸多難題。

1）柳浪組至龍井組地層整體可鉆性較好，需要鉆頭具有較強(qiáng)的攻擊性；但花港組可鉆性明顯變差，地層抗壓強(qiáng)度突然抬升，且含礫，易造成鉆頭沖擊損壞，攻擊性強(qiáng)的鉆頭明顯不能適應(yīng)該地層。所以，上下地層鉆進(jìn)如何做到有效兼顧，是鉆頭選型的一大難題。鄰井該井段大多鉆頭存在崩齒和嚴(yán)重磨損等現(xiàn)象，起下鉆頻繁，鉆井效率低，X12 井311.15 mm 井段要想嘗試一趟鉆的系統(tǒng)工程，提高鉆井時(shí)效，就需要鉆頭綜合性能好，進(jìn)尺能力強(qiáng)，且能適應(yīng)各種復(fù)雜地層。

2）平湖組地層研磨性強(qiáng)、硬夾層頻繁，可鉆性差，泥巖致密，部分井段灰質(zhì)膠結(jié)，尤其是頂部蓋層和底部泥巖段，鉆頭吃入困難、無進(jìn)尺，鄰井整體機(jī)械鉆速偏低，需要鉆頭在具有較強(qiáng)的抗研磨性和抗沖擊性的同時(shí)還能有效吃入地層，提高鉆進(jìn)效率。

3）X12 井位移大、井斜高，需長時(shí)間連續(xù)造斜，加之地層不均質(zhì)且有斷層，對(duì)地層的側(cè)向切削能力和導(dǎo)向性有極高要求；普通鉆頭很可能因工具面失穩(wěn)而導(dǎo)致造斜率低下，影響鉆井時(shí)效，嚴(yán)重者造成軌跡失控。

2 X12井PDC鉆頭針對(duì)性設(shè)計(jì)

2.1 PDC鉆頭優(yōu)選

根據(jù)平湖油氣田已使用PDC鉆頭的表現(xiàn)，結(jié)合X12井進(jìn)尺長、井斜大、同一井段鉆遇層位多的實(shí)際情況，決定參考 ZG1 井，311.15 mm 井段選用 5 刀翼16 mm齒胎體鉆頭，主要用于花港組以上地層提速，215.9 mm 井段選用6 刀翼16 mm 齒胎體鉆頭，以期在花港組、平湖組取得較長進(jìn)尺，并對(duì)兩款鉆頭作針對(duì)性設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.2 本體材料優(yōu)選

隨著鉆井工藝的發(fā)展，PDC 鉆頭的性能逐漸成為鉆進(jìn)的首要條件，在保證金剛鉆頭本身耐磨的前提下，進(jìn)一步要求金剛石鉆頭的切削刀翼更深、更薄，同時(shí)還要求在高速切削工作的切削齒能快速有效冷卻，以及切削的巖屑能快速排除。目標(biāo)井針對(duì)性設(shè)計(jì)的兩款PDC鉆頭，采用新速通2019年最新申請(qǐng)的胎體配方發(fā)明專利，胎體粉由傳統(tǒng)的普通顆粒鑄造碳化鎢90%和鎳粉10%混合而成，變?yōu)榘促|(zhì)量百分比鑄造碳化鎢45%、單晶碳化鎢35%、球形鑄造碳化鎢10%、霧化鎳粉10%混合制造而成，新配方有效改善了老配方中鑄造碳化鎢滲透性能差的缺點(diǎn)，將成型胎體的耐磨性、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊韌性及表面光滑程度提高了10%～30%。圖1為新老配方胎體表觀圖，可以明顯看出新配方顆粒感細(xì)膩，表面光滑，能有效減輕鉆頭泥包和沖蝕。

圖1 新老配方胎體表觀圖

2.3 切削齒優(yōu)選

鑒于目標(biāo)井上部地層松軟，下部花港、平湖組硬度高，夾層頻繁且含礫，為實(shí)現(xiàn)一趟鉆的高效鉆井系統(tǒng)工程，需要PDC鉆頭切削齒具有極強(qiáng)的綜合性能，可選用最新開發(fā)的新一代高性能AXE-5切削齒。該切削齒采用了新型結(jié)合面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既增大了接觸面的面積，又減小了殘余應(yīng)力，加強(qiáng)了復(fù)合片的結(jié)合能力，同時(shí)優(yōu)化了熱工藝及金剛石粉末配置，比上一代AXE-4 切削齒抗沖擊能力提高了25%，抗研磨能力提高了30%。

2.4 冠部形狀設(shè)計(jì)

通常在較軟的低研磨性地層中，切削齒受力較小，切削齒碎裂和磨損較輕，采用較長的錐形剖面有利于提高鉆速和鉆頭的穩(wěn)定性，外錐較長，可多布齒，使內(nèi)外磨損均勻。在硬-研磨性及軟硬交錯(cuò)地層中，采用較平緩的剖面、較均勻的受力使鉆頭磨損均勻，較小的側(cè)向力和較長的低摩擦半徑有利于鉆頭的穩(wěn)定性；由于冠部面積較小，鉆壓和水力作用都比較集中，有利于提高鉆速。

目前，在硬地層和定向井段有兩種典型的PDC剖面，即短圓形和短拋物線形[7]，而且都取得了比較好的效果。結(jié)合目標(biāo)井實(shí)際，上部軟地層為主，下部軟硬交錯(cuò)，短拋物線形更好，因?yàn)槭芰^大的冠頂部位更靠近鉆頭中心，旋轉(zhuǎn)半徑相對(duì)較小，而旋轉(zhuǎn)半徑大的外緣齒，受力相對(duì)較小，這樣不同部位切削齒的磨損相對(duì)比較均勻。此外，拋物線剖面外翼相對(duì)較長，可以布置更多的切削齒，提高耐磨性。由于在花港組硬地層中鉆進(jìn)，故要兼顧定向工具面穩(wěn)定性、上部提速和下部壽命，X12井311.15 mm和215.9 mm井段設(shè)計(jì)冠部形狀如圖2和圖3所示。

圖2 311.15 mmST635RS冠部設(shè)計(jì)

圖3 215.9 mmST636RS冠部設(shè)計(jì)

2.5 切削齒布置設(shè)計(jì)

切削齒的加速磨損和沖擊碎裂是影響PDC 鉆頭在硬-研磨性地層中鉆進(jìn)效果的2 個(gè)主要因素。為提高PDC 鉆頭鉆進(jìn)硬-研磨性地層的水平，通常通過減小切削齒尺寸、增加切削齒和刀翼數(shù)量來提高鉆頭的耐磨性。目標(biāo)井311.15 mm 井段2/3 的進(jìn)尺為上部軟地層，考慮到提速選擇5刀翼，同時(shí)輔以后排齒來增加其在花港組的壽命；215.9 mm井段則選用6刀翼雙排齒鉆頭，獲取較高進(jìn)尺。

采用高密度布齒，增大了金剛石的體積，確實(shí)可以提高PDC鉆頭的耐磨性，但較大的接觸面積通常給鉆進(jìn)速度帶來負(fù)面影響，所以高密度布齒的鉆頭應(yīng)考慮其單個(gè)齒的地層吃入效果，因而高密度布齒的鉆頭要嚴(yán)格考慮切削齒后傾角的設(shè)計(jì)[4]，如圖4中的傾角α。鄒德永在硬地層PDC設(shè)計(jì)的探討[7]中，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，后傾角越小（最小10°）切削齒越容易吃入地層，鉆進(jìn)速度越快。在鉆進(jìn)硬地層時(shí)，因后傾角對(duì)破巖效率影響較小，且鉆頭受沖擊力大導(dǎo)致鉆頭壽命較短，此時(shí)鉆頭壽命為首要考慮因素，建議采用大于20°的后傾角以保證鉆頭壽命；對(duì)軟地層，后傾角對(duì)破巖效率影響較大，且鉆頭受沖擊力小，鉆頭壽命長，此時(shí)破巖效率為首要考慮因素，建議采用小于20°的后傾角以提高破巖效率。圖5和圖6分別為目標(biāo)井針對(duì)性布齒設(shè)計(jì)。

圖4 切削齒受力示意圖

圖5 311.15 mmST635RS布齒設(shè)計(jì)

圖6 215.9 mmST636RS布齒設(shè)計(jì)

2.6 水力參數(shù)設(shè)計(jì)

通過有限元分析模擬，合理安排水眼位置和噴射角，使得鉆頭水力性能更優(yōu)。311.15 mmST635RS各排屑槽流量分布對(duì)比，設(shè)計(jì)7個(gè)噴嘴，噴嘴大小全部設(shè)計(jì)為16號(hào)，即直徑為12.7 mm，流量按3 600 L/min，轉(zhuǎn)速100 r/min計(jì)算，因第1、4號(hào)刀翼為長刀翼，布置的切削齒較多，相應(yīng)地增加了流量，確保流經(jīng)每個(gè)齒的流量均勻和充足。215.9 mmT636RS 各排屑槽流量分布對(duì)比，設(shè)計(jì)6個(gè)可調(diào)噴嘴，噴嘴大小全部設(shè)計(jì)為16號(hào)，即直徑為12.7 mm，流量按2 000 L/min 計(jì)算，轉(zhuǎn)速按 100 r/min，第 1、3、5 長刀翼分配的流量較多。圖7為兩款鉆頭各刀翼流體流動(dòng)軌跡和速度。

2.7 優(yōu)選鉆井參數(shù)

研究表明，鉆頭在井底旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，切削齒會(huì)摩擦生熱，其他因素相同的情況下，溫度越高，切削齒磨損越快[10-11]。PDC鉆頭除了常用的“小鉆壓+高轉(zhuǎn)速（鉆壓＜8 t,轉(zhuǎn)速＞120 r/min）”的組合外，還往往用到“大鉆壓+低轉(zhuǎn)速（鉆壓＞8 t,轉(zhuǎn)速＜120 r/min）”，但很少會(huì)長時(shí)間啟用“大鉆壓+高轉(zhuǎn)速”，以防止PDC 切屑齒快速磨損。在松軟地層，抗壓強(qiáng)度低于41.37 MPa時(shí)，切削齒容易吃入地層，機(jī)械鉆速較快，采用“小鉆壓+高轉(zhuǎn)速”能快速地將巖屑掃離井底，同時(shí)減少了切削齒硬壓地層摩擦生熱；在下部硬-研磨性地層，地層抗壓強(qiáng)度較高，且液柱壓持效應(yīng)明顯，則通常要增加鉆壓，以保證吃入，同時(shí)防止切削齒發(fā)熱過快而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。圖8為X12井三開實(shí)鉆鉆井參數(shù)，較巧妙地運(yùn)用了“小鉆壓+高轉(zhuǎn)速”和“大鉆壓+低轉(zhuǎn)速”的鉆井組合，成功實(shí)現(xiàn)了該只鉆頭的進(jìn)尺超越。

圖7 針對(duì)性設(shè)計(jì)的兩款PDC鉆頭各刀翼流體流動(dòng)軌跡和速度

圖8 X12井311.15 mmST635RS實(shí)鉆鉆井參數(shù)

3 X12井PDC鉆頭應(yīng)用效果

大位移定向探井X12 井采用設(shè)計(jì)的PDC 鉆頭，311.15 mm和215.9 mm井段均實(shí)現(xiàn)了一趟鉆的高效鉆井系統(tǒng)工程，尤其是設(shè)計(jì)的311.15 mmST635RS鉆頭（胎體5 刀翼16 mm 齒），創(chuàng)中海油單只PDC 鉆頭進(jìn)尺新高，大幅節(jié)約了鉆井時(shí)間，為X12井提速增效做出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，該井兩只PDC鉆頭使用數(shù)據(jù)見表2。

3.1 提高鉆井效率

統(tǒng)計(jì)東海平湖油氣田311.15 mm和215.9 mm 井段PDC 鉆頭使用數(shù)量和平均機(jī)械鉆速，可知，前期鄰井兩井段平均機(jī)械鉆速分別為22.46 m/h 和7.67 m/h，與之相比，X12 井新設(shè)計(jì)的兩款PDC 鉆頭機(jī)械鉆速分別提高了27.29%和65.97%；同時(shí)，兩只鉆頭均實(shí)現(xiàn)一趟鉆的系統(tǒng)工程，大幅減少了起下鉆次數(shù)，比設(shè)計(jì)鉆井周期縮短24.56%，顯著提高了鉆井效率。

表2 X12井311.15mm和215.9mm井段鉆頭使用數(shù)據(jù)

3.2 增加PDC鉆頭進(jìn)尺

通過對(duì)東海平湖油氣田311.15 mm和215.9 mm井段PDC鉆頭使用數(shù)量和進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)，得到前期鄰井兩井段單只PDC 進(jìn)尺分別為815 m 和402 m。鑒于此，X12 井三四開井段設(shè)計(jì)分別使用PDC 鉆頭3 只和2 只。實(shí)鉆表明，為X12 井新設(shè)計(jì)的兩只PDC 鉆頭均實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成井段進(jìn)尺，相對(duì)鄰井進(jìn)尺分別增加了447.56%和168.64%，且刷新了中海油單只鉆頭最長進(jìn)尺記錄，比設(shè)計(jì)節(jié)約起下鉆3次。

3.3 連續(xù)造斜效果好

兩款新設(shè)計(jì)的鉆頭在定向鉆進(jìn)過程中均能保持工具面穩(wěn)定，順利完成了長井段造斜任務(wù)，井身軌跡控制良好。其中，311.15 mmST635RS 鉆頭75°穩(wěn)斜鉆進(jìn)約4 100 m，75°降至55°鉆進(jìn)約400 m，與設(shè)計(jì)軌跡重合率達(dá)95%以上；215.9 mmST636RS 鉆頭由55°連續(xù)降斜至4°，最高狗腿3.5°/30 m，實(shí)現(xiàn)了高造斜率連續(xù)造斜。

4 進(jìn)一步優(yōu)化方案

為X12 井新設(shè)計(jì)的兩款PDC 鉆頭使用效果顯著，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，主要是兩款鉆頭均內(nèi)排齒磨損較重，導(dǎo)致鉆進(jìn)后期進(jìn)尺慢、機(jī)速低，拉低了整體的鉆井效率。進(jìn)一步優(yōu)化方案，主要從解決內(nèi)排齒磨損較重入手，增加311.15 mmST635RS 內(nèi)排齒布齒密度，在內(nèi)排增加兩顆切削齒，同時(shí)在齒托上加入金剛石柱以增加其出露高度，加強(qiáng)鉆頭心部抗沖擊和抗研磨性，減少鼻部后排齒以提高攻擊性。同樣，在215.9 mmST636RS 齒托上加入金剛石柱以增加其出露高度，并輔以心部6 顆齒以一定側(cè)傾角，加速內(nèi)排齒切削巖屑返出，減少重復(fù)切削，以增強(qiáng)鉆頭心部壽命。

5 結(jié)論

1）通過總結(jié)分析東海平湖油氣田地層特點(diǎn)和鉆頭使用表現(xiàn)，闡述了該區(qū)域鉆頭選型和提速難點(diǎn)；同時(shí)，根據(jù)X12井的實(shí)際情況，在鉆遇巖性、軌跡控制上，從鉆頭選型、本體材料、切削齒、冠部形狀、切削齒布置、水力設(shè)計(jì)和應(yīng)用參數(shù)等方面，詳細(xì)介紹了PDC鉆頭針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和具體細(xì)節(jié)，在理論和技術(shù)手段上對(duì)后期井位定制PDC 鉆頭具有極大的借鑒意義。

2）X12 井應(yīng)用結(jié)果表明：新設(shè)計(jì)的兩款PDC 鉆頭，平均機(jī)械鉆速分別提高了27.29%和65.97%，單只鉆頭進(jìn)尺分別提高了447.56%和168.64%。311.15 mmST635RS 更是創(chuàng)中海油單只鉆頭進(jìn)尺最高紀(jì)錄，兩井段均實(shí)現(xiàn)一趟鉆的高效鉆井系統(tǒng)工程任務(wù)，節(jié)約了鉆井時(shí)間24.56%，降低了鉆井成本。鑒于東海平湖油氣田地層及巖性整體類似且穩(wěn)定，后期勘探開發(fā)以大位移探井為主，為X12 井新設(shè)計(jì)的 311.15 mmST635RS 和 215.9 mmST636RS 及 后 續(xù)改進(jìn)方案可在該區(qū)域和類似區(qū)域大力推廣使用。