淺析小井眼高效PDC鉆頭在蘇南區塊的應用

田波，李隆承，潘龍

（渤海石油裝備鉆井裝備公司，天津 300280）

1 概述

蘇里格南區塊為長慶油田公司與法國道達爾公司共同投資開發的合作項目，該區塊位于內蒙古自治區鄂托克前旗南部地區，屬于鄂爾多斯盆地天環坳陷構造。為了減少建井成本，建設方在該區塊全部采用小井眼鉆井。蘇南區塊二開井段的延長組底部、和尚溝組上部可能含有礫石，易對PDC鉆頭造成崩齒失效；劉家溝組為砂泥巖互層，較為致密，地層壓實強度高，影響機速；石盒子組上部以泥巖為主、下部以砂巖為主的砂泥巖互層，部分區域下部地層含有石英砂巖，研磨性較強；本溪組、馬家溝組存在硬質泥巖、灰巖、白云巖地層，可鉆性。

2 施工難點

（1）二開井段為安定組-馬家溝組，表層采用Φ215.9mm鉆頭，二開使用Φ152.4mm鉆頭，表層井深一般為650～750m，二開裸眼段長達3200～3400m，由于劉家溝組為砂泥巖互層，較為致密，地層壓實強度高，PDC鉆頭的磨損比較嚴重，機速影響較大。

（2）由于小井眼井環空比較小，如果巖屑上返不及時，容易造成鉆頭泥包，這與排屑槽的流量分配及流速分布與水眼的孔徑及數量和排屑槽的面積等息息相關，需要對整個井底流場進行分析，避免大范圍低速區域及可能會出現漩渦回流區，影響該區域的巖屑運移，避免鉆頭泥包。

（3）小井眼井的井斜掌控難度比較大，對于鉆頭的穩定性要求比較高，需要對頭型、布齒、保徑等進行合理優化，在保證穩定性的情況下，提升機械鉆速。

3 小井眼高效鉆頭設計

針對蘇南區塊小井眼裸眼段長、地層可鉆性差等特點，分別研制了152.4mm4刀翼PDC鉆頭和5刀翼PDC鉆頭。

4刀翼鉆頭設計：鉆頭為鋼體設計，采用φ16mmZC-Ⅵ型主切削復合片，φ13mm副切削齒結構，能夠精準控制復合片吃入地層深度，提高滑動效率。設計了中短拋物線平緩頭型，綜合力平衡設計和三維受力分析，提高鉆頭穩定性，適應配合螺桿鉆具進行高轉速鉆進；針對小井眼井段段環空小，泥漿排量小的特點，采用中低密度布齒，減小復合片角度增強鉆頭攻擊性，提高鉆頭切削效率；加密聚晶與倒劃眼設計，預防縮徑，保證井眼軌跡。

5刀翼鉆頭設計：鋼體設計，采用φ16mmZC-Ⅵ型主切削復合片，采用短拋物線平緩頭型，縮短了鉆頭冠部有效高度，提高鉆頭穩定性，增強鉆頭導向性；中等布齒密度設計，減小復合片脊高高度，提高鉆頭穩定性；優化復合片角度增加復合片出露量從而增強鉆頭攻擊性，提高機械鉆速；加長保徑設計，提高鉆頭穩定性，提高鉆頭導向性，加密聚晶與倒劃眼設計，預防縮徑，保證井眼軌跡；深寬水槽、高配比水力優化設計，增強鉆頭清洗、冷卻和排屑效果，避免井底重復切削現象的發生。

圖1 小井眼4刀翼PDC鉆頭設計模型

表1

圖2 小井眼5刀翼PDC鉆頭設計模型

4 現場應用情況

SN0180-03井是蘇南區塊一口二開四段制定向井，完鉆井深4008m，層位為安定組-馬家溝組，最大位移1464.17m，根據設計參數，選定采用4刀翼小井眼鉆頭。通過優化鉆井參數，充分發揮單只鉆頭最優性能，提高機械鉆速和鉆頭使用時間，完成二開施工單只小井眼PDC鉆頭一趟鉆，解決了劉家溝及下部地層鉆速低問題，實現單只152.4mmPDC鉆頭一趟鉆最高進尺3292m，機械鉆速21.66m/h，純鉆152h，創鉆頭使用時間最長記錄。SN117-04井為二開四段定向井，完鉆井深4107m，選用5刀翼小井眼鉆頭，二開優化井眼軌跡，配合激進式鉆進參數，保持長穩斜段效果，實現單只小井眼鉆頭二開“一趟鉆”施工，機械鉆速30.88m/h，鉆井周期10.17d，刷新同區塊鉆井周期新紀錄。

表2

5 結語

（1）針對蘇南區塊小井眼鉆井施工難點，設計研發了152.4mm小井眼PDC鉆頭，解決了鉆頭泥包、機械鉆速低問題；（2）設計的5刀翼小井眼PDC鉆頭采用短拋物線平緩頭型、中低密度布齒，減小復合片角度增強鉆頭攻擊性，提高鉆頭切削效率；（3）設計的4刀翼小井眼PDC鉆頭采用短拋物線平緩頭型，縮短了鉆頭冠部有效高度，提高鉆頭穩定性，增強鉆頭導向性；中等布齒密度設計，減小復合片脊高高度，提高鉆頭穩定性；（4）小井眼PDC鉆頭在蘇南地區應用多口井，鉆頭使用時間長、機械鉆速高，現場應用效果顯著。