吉林油田伊通地區(qū)PDC 鉆頭個性化設(shè)計與應(yīng)用

何 軍，王 寬，李隆承，高 磊

（1.中國石油吉林油田分公司鉆井工藝研究院，吉林松原 138001；2.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

伊通地區(qū)油藏埋深3100～3300 m，上部奢嶺組地層穩(wěn)定性差，前期鉆井采用三開井身結(jié)構(gòu)，2019 年通過攻關(guān)強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵鉆井液等技術(shù)，保障井壁穩(wěn)定，伊22-15-15 井實現(xiàn)了二開完井，但鉆井工期長達(dá)55 d，無法滿足快速效益建產(chǎn)需求。為此，攻關(guān)伊通地區(qū)二開水平井個性化PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭設(shè)計，進(jìn)一步提高該地區(qū)水平井鉆井速度，提高油藏開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。

1 伊通地區(qū)巖石特性分析

伊通地區(qū)地層屬于松遼盆地南部中央坳陷區(qū)，目的層為雙陽組，全井鉆遇地層為岔路河組、齊家組、萬昌組、永吉組、奢嶺組、雙陽組。其中雙陽組三段及三段以上主要為泥巖，雙陽組二段地層巖性上部為大段灰黑色泥巖，頂部發(fā)育一層灰白色粉砂巖。中下部為深灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖組成不等厚互層、儲層為含礫粉砂巖。水平段所鉆（儲層）雙陽組二段主要巖性以中砂、粗砂巖為主，巖石成分主要為石英、長石、巖屑，其中部分樣品變質(zhì)程度高，多見高嶺石化、方解石化以及長石溶蝕現(xiàn)象。巖石中的石英含量一般為25%～75%，長石含量為11%～30%；膠結(jié)物主要為泥質(zhì)和灰質(zhì)，部分為高嶺石，泥質(zhì)含量一般為2%～16%，灰質(zhì)含量為1%～25%；膠結(jié)類型以孔隙式為主。

2 伊通地區(qū)前期PDC 鉆頭使用情況

前期直井段主要使用5 刀翼PDC 鉆頭，造斜段和水平段鉆頭使用5 刀翼或6 刀翼鉆頭。從使用情況可知，直井段PDC 鉆頭損壞特征基本為正常磨損失效，主要表現(xiàn)為復(fù)合片邊緣磨平，主要原因為直井段含礫石層，研磨性較強(qiáng)，導(dǎo)致復(fù)合片邊緣磨損，且地層相對偏軟，鉆頭振動較少，未出現(xiàn)復(fù)合片崩齒現(xiàn)象。造斜段、水平段PDC 鉆頭損壞特征基本為非常規(guī)磨損主要變現(xiàn)為復(fù)合片崩齒脫層，主要原因為下部地層較硬、泥砂互層多，導(dǎo)致鉆頭振動過大，復(fù)合片發(fā)生泵齒，同時地層石英含量較高，研磨性強(qiáng)，導(dǎo)致了復(fù)合片崩齒后迅速被磨損。

3 個性化鉆頭設(shè)計思路

個性化鉆頭設(shè)計理念：直井段提高鉆頭抗研磨性為主，造斜段提高鉆頭穩(wěn)定性、抗沖擊性為主，水平段提高鉆頭抗研磨性和抗沖擊性為主。設(shè)計主要包括布齒設(shè)計、冠部形狀設(shè)計、排屑槽設(shè)計、保徑部位設(shè)計及復(fù)合片選擇等方面。

3.1 布齒設(shè)計

PDC 切削齒的工作角度：切削齒的工作角度是指2 個與切削狀態(tài)相關(guān)的切削角度，也就是齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角。齒前角決定切削齒作用于地層力的方向，側(cè)轉(zhuǎn)角決定齒前切屑的排屑力的方向。側(cè)轉(zhuǎn)角選擇合理對于清洗鉆頭非常有利，搬移巖屑，避免出現(xiàn)鉆頭泥包問題。對于齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角大小的確定通常依據(jù)是所鉆地層的巖性和硬度，如果硬度越來越高，則切削齒的齒前角也越來越大，但是通常控制在10°～30°；切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角也越來越大，一般控制在5°～15°。

3.2 冠部形狀設(shè)計

冠部內(nèi)錐深度或內(nèi)錐直線的斜率影響鉆頭的穩(wěn)定性、清洗效率和載荷分布：內(nèi)錐深度越小，鉆頭越不穩(wěn)定，但載荷分布越均勻；內(nèi)錐深度越大，鉆頭越穩(wěn)定，但載荷分布越不均勻。外錐曲線有拋物線、圓弧、錐形、平底等曲線組合：對于軟地層來說，鉆頭外錐曲線為拋物線的穩(wěn)定性最好；而硬地層則不同，適合應(yīng)用外錐曲線為圓弧的鉆頭，且工作面積小且水力清洗效果好；而鉆頭外錐曲線為錐形則容易吃入地層，穩(wěn)定性強(qiáng)。

3.3 排屑槽設(shè)計

井底液體的流速及沖擊力直接受排屑槽的深度和寬度影響，對于軟地層，排屑槽越大，巖屑攜帶越有利；反之，如果排屑槽越小則在中硬地層中的切削齒清洗和排屑具有明顯優(yōu)勢。

3.4 保徑部位設(shè)計

具有長且寬的保徑面是直井鉆頭或者穩(wěn)斜鉆井鉆頭的基本特點，因此為了確保鉆進(jìn)過程中盡可能地降低與井壁的摩擦或者用于保徑目的，可以應(yīng)用不出露、低出露或者鑲嵌式的硬質(zhì)合金塊。如果是研磨性地層，要確保保徑高效則可以應(yīng)用PDC 切削齒、增加露齒高度或者用天然金剛石的措施來應(yīng)對。而對于定向PDC 鉆頭，由于其短而窄的保徑面正好與直井鉆井的措施相反，并且為了進(jìn)一步增加側(cè)向力，可以在保徑面上應(yīng)用全尺寸PDC 切削齒。

3.5 復(fù)合片的選擇

衡量復(fù)合片質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)是抗沖擊韌性和耐磨性，在復(fù)合片的使用前，對復(fù)合片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖擊功檢測和耐磨性能檢測。依據(jù)目前國內(nèi)外復(fù)合片的性能檢測指標(biāo)得出，上部地層可以采用混裝齒（部分國產(chǎn)齒和部分進(jìn)口齒），造斜段和水平段采取純進(jìn)口齒，以提高鉆頭的機(jī)械鉆速和使用壽命，如圖1 所示。

圖1 各種類復(fù)合片抗沖擊抗研磨檢測數(shù)據(jù)

4 個性化鉆頭設(shè)計

根據(jù)地層巖石特性、前期鉆頭使用PDC 鉆頭損壞特征以及PDC 鉆頭設(shè)計思路，設(shè)計完成直井段、造斜段、水平段個性化鉆頭設(shè)計。

4.1 直井段個性化鉆頭設(shè)計

伊通區(qū)塊直井段地層傾角大，一般在8°～12°，直井施工中一般通過輕壓吊打來控制井斜，無法有效釋放鉆壓，嚴(yán)重影響鉆井速度和施工進(jìn)程，需要開展直井段防斜鉆頭個性化設(shè)計，直井段下部地層多夾層，需要考慮鉆頭抗磨抗沖擊性能。根據(jù)項目設(shè)計理念、該區(qū)塊可鉆性分析、前期鉆頭使用情況以及設(shè)計思路，設(shè)計直井段個性化鉆頭，鉆頭設(shè)計特點為主切削齒采用16 mm 復(fù)合片、中布齒密度、5 刀翼結(jié)構(gòu)、小角度后傾角、中深內(nèi)錐、深寬流道以及長保徑。直井段鉆頭采用5 刀翼16 mm 切削齒、雙排齒、中等布齒密度，主切削齒齒前角16°～18°、側(cè)傾角0°～10°、中等深度內(nèi)錐、拋物線外錐、深寬排屑槽和長保徑面設(shè)計、復(fù)合片選用混裝齒（部分國產(chǎn)齒F 和部分進(jìn)口齒C）。直井段個性化設(shè)計鉆頭三維模型，如圖2 所示。

圖2 直井段鉆頭模型

4.2 造斜段個性化鉆頭設(shè)計

造斜段鉆頭采用5 刀翼或6 刀翼16 mm 切削齒、雙排齒、高布齒密度，主切削齒齒前角14°～16°、側(cè)傾角0°～5°、淺內(nèi)錐、拋物線外錐、中等深度寬度排屑槽和短保徑設(shè)計，復(fù)合片選用純進(jìn)口齒（進(jìn)口齒A）。造斜段個性化設(shè)計鉆頭三維模型，如圖3、圖4 所示。

圖3 造斜鉆頭模型1

圖4 造斜鉆頭模型2

4.3 水平段個性化鉆頭設(shè)計

水平段鉆頭采用5 刀翼16 mm 切削齒、雙排齒、高布齒密度，主切削齒齒前角12°～14°、側(cè)傾角0°～5°、淺內(nèi)錐、拋物線外錐、中等深度寬度排屑槽和長保徑設(shè)計、復(fù)合片選用純進(jìn)口齒（進(jìn)口齒A）。水平段個性化設(shè)計鉆頭三維模型，如圖5 所示。

圖5 水平段鉆頭模型

5 個性化PDC 鉆頭使用

個性化鉆頭在伊22-9-9井、伊22-8-1 井2 井次試驗，試驗效果良好。直井段機(jī)械鉆速為14.04 m/h 和12.11 m/h，造斜段機(jī)械鉆速為4.33 m/h和4.12 m/h，機(jī)械鉆速分別超出鄰井伊22-15-15 井81%和72%。水平段改進(jìn)定型后，在伊22-8-1 井水平段第2 趟鉆試驗提速鉆頭，機(jī)械鉆速達(dá)到了7.59 m/h，使伊22-8-1 井整體平均機(jī)速達(dá)到6.68 m/h，超出指標(biāo)值11%。