側(cè)鉆井PDC 鉆頭與螺桿鉆具優(yōu)化匹配

吳殿友，張俊虎，王 斌，張巨翼，任根利，高陶虎

（1.渤海裝備鉆井裝備公司，天津 300280；2.渤海鉆探第三鉆井分公司，天津 300280；3.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

目前小尺寸螺桿鉆具使用中存在動力不足、機械效率低、事故率高等問題。小規(guī)格側(cè)鉆鉆頭常規(guī)多使用單牙輪鉆頭、巴拉斯雙心鉆頭，但存在壽命短、機械鉆速慢等問題。隨著PDC（Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）的發(fā)展，目前也應(yīng)用到開窗側(cè)鉆工況中，但常規(guī)通用PDC 鉆頭在這種工況下使用時也存在機速偏低、成本高等問題。

國內(nèi)同時具備螺桿鉆具和PDC 鉆頭生產(chǎn)和研發(fā)能力的廠家較少，具備螺桿鉆具+PDC 鉆頭匹配性研究的更少。小尺寸螺桿鉆具+PDC 鉆頭生產(chǎn)加工較大規(guī)格的鉆具存在一定難度，一般廠家較少投入研發(fā)。

1 作業(yè)工況

內(nèi)蒙古蘇里格地區(qū)開窗側(cè)鉆井水平段長度一般為600～800 m，目的層為盒8 下段，主要以砂巖為主，部分井段為泥質(zhì)砂巖，大多數(shù)地層可鉆性比較好，部分地層石英含量可達(dá)70%以上，研磨性比較強，對鉆頭破壞性比較大。由于側(cè)鉆井井眼尺寸及井型特點及小規(guī)格側(cè)鉆PDC 鉆頭和螺桿鉆具自身特性，在這種工況下使用時鉆頭與螺桿鉆具參數(shù)容易不匹配，不能發(fā)揮各自的性能，影響鉆進(jìn)效率。

2 側(cè)鉆井PDC 鉆頭及螺桿鉆具匹配使用

側(cè)鉆井經(jīng)過開窗修窗作業(yè)后開始進(jìn)行鉆進(jìn)，根據(jù)地層特點及鉆具組合，選擇118SD3531H、118SD3432 型PDC 鉆頭和5LZ95X7Y-I、5LZ95X7Y-I 型螺桿鉆具進(jìn)行配合使用。

2.1 鉆頭設(shè)計參數(shù)

（1）118SD3531H 鉆頭采用5 刀翼13 mm 復(fù)合片，攻擊性頭型，布齒1308 型復(fù)合片15 顆，采用5 個固定噴嘴單排齒設(shè)計。

（2）118SD3432 鉆頭采用4 刀翼13 mm 復(fù)合片，攻擊性頭型，布齒1308 型復(fù)合片13 顆，采用4 個固定噴嘴單排齒設(shè)計。

（3）5LZ95X7Y-I 螺桿鉆具為5～6 頭設(shè)計，3 級，鉆頭速度90～170 r/min，工作壓降2.4 MPa，最大扭矩1150 N·m。

（4）7LZ95X7Y-I 螺桿鉆具為7～8 頭設(shè)計，3 級，鉆頭速度60～145 r/min，工作壓降2.4 MPa，最大扭矩1240 N·m。

2.2 水平段鉆具組合

（1）鉆具組合：118SD3531H（118SD3432）PDC+5LZ95X7 Y-（I7LZ95X7Y-I）螺桿鉆具+扶正器+回壓凡爾+雙公接頭+無磁鉆鋌+接頭+加重鉆桿+鉆桿。

（2）鉆井參數(shù)：鉆壓3～5 t，轉(zhuǎn)速40+LZ r/min，排量4～8 L/s，泵壓18～22 MPa。

（3）泥漿性能：密度1.3 g/cm3，黏度65 s，失水2 ml。

各組合的使用數(shù)據(jù)見表1～表3。118SD3531H 鉆頭和7LZ95X7Y-I 螺桿鉆具配合使用，鉆頭進(jìn)尺222～295 m，機械鉆速2.32～2.81 m/h，鉆頭出井新度90%～94%。鉆頭起出后切削齒無崩齒脫層現(xiàn)象，主要磨損特征為切削齒輕微磨損，磨損等級為1。機械鉆速較慢，主要由于7LZ95X7Y-I 螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速最高只能到145 r/min 造成。更換轉(zhuǎn)速最高能達(dá)到170 r/min 的5LZ95X7Y-I 螺桿鉆具，機械鉆速提升到2.74～3.22 m/h，機速有所提升，鉆頭進(jìn)尺在190～337 m，鉆頭出井新度90%左右。鉆頭起出后切削齒依然比較完整，磨損等級為1（圖1）。更換攻擊性更強的118SD3432 鉆頭與5LZ95X7Y-I 螺桿配合使用，機械鉆速進(jìn)一步提升到2.9～3.33 m/h，鉆頭進(jìn)尺都在200 m 以上，鉆頭出井新度83%～87%。鉆頭起出后切削齒比較完整，磨損有所增大，磨損等級為1～1.5（圖2）。

圖1 118SD3531H 鉆頭出井磨損情況

圖2 118SD3432 鉆頭出井磨損情況

表1 118SD3531H 鉆頭和7LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數(shù)據(jù)

表2 118SD3531H 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數(shù)據(jù)

表3 118SD3432 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數(shù)據(jù)

改用4 刀翼13 mm 復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)水平段，提速比較明顯，鉆頭出井磨損有所增加，定向鉆進(jìn)工具面依然穩(wěn)定，造斜率達(dá)到設(shè)計要求。

3 側(cè)鉆井鉆頭和螺桿鉆具優(yōu)化

根據(jù)側(cè)鉆井鉆頭的出井磨損情況和地層特點，通過調(diào)整冠部頭型、復(fù)合片尺寸、后傾角度、強化保徑、新型的布齒方式、水利優(yōu)化等，提升鉆頭的穩(wěn)定性、攻擊性及進(jìn)尺能力（表4）。118SD6431 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數(shù)據(jù)見表5。

表4 改進(jìn)前后參數(shù)對比

表5 118SD6431 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿水平段實鉆數(shù)據(jù)

118SD6431 鉆頭和5LZ95X7Y-I 螺桿鉆具配合使用，由于118SD6431 鉆頭的攻擊性和穩(wěn)定的提升，進(jìn)尺突破400 m，機械鉆速提升到3.96～4.49 m/h，但鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)憋跳情況，鉆頭出井后有個別復(fù)合片崩齒，鉆井參數(shù)、鉆井設(shè)備及地層巖性基本相同，初步推斷是鉆頭攻擊性太強，吃入地層較深，螺桿扭矩不夠造成的憋跳。

通過調(diào)整螺桿鉆具內(nèi)部導(dǎo)程及線形等數(shù)據(jù)，采用7～8 頭設(shè)計，提升螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速和扭矩（表6）。118SD6431 鉆頭和7LZ95×7Y-Ⅴ螺桿水平段實鉆數(shù)據(jù)見表7。

表6 改進(jìn)前后參數(shù)對比

表7 118SD6431 鉆頭和7LZ95×7Y-Ⅴ螺桿水平段實鉆數(shù)據(jù)

118SD6431 鉆頭和7LZ95X7Y-V 螺桿鉆具配合使用，已經(jīng)沒有憋跳的情況，鉆頭進(jìn)尺435～514 m，機械鉆速提到5 m/h 以上，鉆頭出井新度為85%～91%，鉆頭起出后切削齒無崩齒脫層的現(xiàn)象，主要為切削齒輕微磨損，磨損等級小于1。改進(jìn)后的鉆頭和螺桿鉆具配合使用，機械鉆速和進(jìn)尺都有一定提升，兩趟鉆完成整個水平段的鉆進(jìn)，該套鉆頭和螺桿鉆具組合能夠適用該區(qū)塊的鉆井需求。

4 結(jié)語

118SD6431 鉆頭和7LZ95X7Y-V 螺桿鉆具通過優(yōu)化提升后，將二者的性能發(fā)揮到極致，避免由于單方面的因素影響鉆井效果。通過實鉆數(shù)據(jù)可以看出，兩者匹配使用取得了很好的效果，在進(jìn)尺和機速方面有了很大提升，水平段可以兩趟鉆完成，達(dá)到提升鉆井效率的目的。

小井眼鉆井模式是未來的發(fā)展趨勢，通過不同PDC 鉆頭和螺桿鉆具進(jìn)行組合，可以實現(xiàn)不同的效果，應(yīng)對不同的工況，實現(xiàn)小井眼復(fù)雜工況的高效、安全、穩(wěn)定鉆進(jìn)，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，有利于老井側(cè)鉆及低滲油藏開采。科技研發(fā)項目：長慶油田套管側(cè)鉆破巖工具研制及應(yīng)用（F-M00021K8）。