朱寬亮， 周 巖， 胡中志

(中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063004)

冀東油田南堡灘海油區(qū)主要采用海油陸探陸采方式進行勘探與開發(fā)，井型主要為大斜度井，隨著勘探開發(fā)的不斷深入，水平位移大于2 000.00 m的大斜度井不斷增多[1-2]。為了控制井眼軌跡需要進行滑動鉆進，但因大斜度定向井段摩阻扭矩大，采用常規(guī)PDC鉆頭進行滑動鉆進時，存在托壓嚴重、鉆壓傳遞不平穩(wěn)、工具面難以控制等問題[3-10]；如采用牙輪鉆頭鉆進，因使用“螺桿+轉盤”鉆進轉速高，實施井段短，且易發(fā)生掉牙輪事故，制約了大斜度井的鉆井速度；采用旋轉導向鉆井技術可以解決上述問題，但成本高。通過調研和相關實踐發(fā)現(xiàn)，在目前經(jīng)濟技術條件下，PDC-牙輪復合鉆頭可有效解決大斜度井定向井段托壓嚴重、定向工具面不穩(wěn)等問題。該類鉆頭融合了PDC鉆頭與牙輪鉆頭的結構和破巖方式，使之具備了兩者的優(yōu)點，有效釋放了地層破碎應力，減少了鉆頭的粘滑，提高了方向控制能力，減小了鉆頭的橫向振動幅度，有利于滑動鉆進與提速[11-13]。因此，南堡油田根據(jù)實鉆地層的特性和大斜度井的鉆井工藝要求，對PDC-牙輪復合鉆頭進行了個性化設計，設計了“2牙輪+2 PDC固定刀翼”和“4 PDC固定刀翼+2牙輪”2種切削結構的PDC-牙輪復合鉆頭?！?牙輪+2 PDC固定刀翼”和“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭分別在NP2-33井和NP5-28井進行了現(xiàn)場試驗，均未出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，工具面穩(wěn)定，機械鉆速和單只鉆頭進尺相比鄰井均提高1倍以上，返出巖屑的粒徑同牙輪鉆頭破碎地層產生巖屑的粒徑相當，有利于判別巖性和錄井。

1 大斜度井鉆井技術難點

1) 摩阻扭矩大，定向鉆進效率低。南堡油田大斜度井的井斜角主要集中在45°～60°，且位移較大。而大斜度井鉆井過程中易在定向井段形成巖屑床[14]，造成摩阻扭矩大。采用PDC鉆頭鉆進大斜度井定向井段，托壓嚴重，鉆壓難以有效傳至鉆頭，且定向工具面不穩(wěn)[15-16]。南堡油田以往在采用PDC鉆頭鉆大斜度井時，需要多次起下鉆調整定向工具面，擺放一次定向工具面需耗時30 min左右，嚴重影響了鉆井速度。而采用牙輪鉆頭鉆進大斜度井定向井段，牙輪鉆頭的使用壽命短，進尺短，單只牙輪鉆頭的平均壽命只有40～50 h，平均進尺不足100.00 m，需頻繁起下鉆更換鉆頭，需要用4只牙輪鉆頭才能完成1口大斜度井定向井段的鉆進。

2)深層巖性復雜，機械鉆速低。南堡油田油氣藏埋藏相對較深，東營組和沙河街組地層巖性復雜，非均質性強，軟硬交錯，地層巖石可鉆性級值為3～7，最高強度達1 061 MPa。鉆遇軟硬夾層時鉆頭需要承受較大的沖擊載荷，易導致鉆頭先期損壞[17]，且硬地層鉆頭吃入難，加之滑動鉆進時托壓嚴重，鉆壓不能完全施加到鉆頭，平均機械鉆速不足2.0 m/h，平均單只PDC鉆頭進尺不足200.00 m。

3) 油氣卡層、巖屑錄井要求高。南堡油田大斜度井鉆井過程中地層油氣顯示弱，錄井熒光大部分小于7級，而采用PDC鉆頭鉆進，由于其破巖方式是剪切破巖，且鉆速高，產生巖屑粒徑小，難以區(qū)分砂泥地層，不利于巖性判別和卡層，易漏失油氣層，并且不利于巖屑錄井;而采用牙輪鉆頭鉆速低，嚴重影響勘探開發(fā)進程。

2 PDC-牙輪復合鉆頭結構設計

PDC-牙輪復合鉆頭兼具PDC鉆頭和牙輪鉆頭的特色和優(yōu)勢，能同時實現(xiàn)剪切破巖和沖擊壓碎破巖，用其進行定向鉆進能顯著降低扭矩、鉆頭的橫向振動和粘滑趨勢，提高其破巖能力和導向鉆進能力。由于PDC-牙輪復合鉆頭對地層及使用條件的變化十分敏感，鉆頭復合切削結構與地層適應性、鉆頭的定向能力與切削結構的復合方式均具有十分密切的聯(lián)系[18-25]。因此，針對南堡油田大斜度井鉆遇地層巖性復雜的特點，優(yōu)化設計了2種切削結構的PDC-牙輪復合鉆頭。

2.1 鉆頭整體結構

第1種切削結構的PDC-牙輪復合鉆頭的切削結構為2 PDC固定刀翼和2牙輪相間布置的結構(見圖1)。該鉆頭的2牙輪采用φ11.0 mm楔形齒、高密度布齒方式，以降低沖擊造成的鉆頭振動；2 PDC固定刀翼采用獨立保徑設計，以增強鉆頭工作時的平穩(wěn)性。

圖1 “2牙輪+2 PDC固定刀翼”復合鉆頭結構Fig.1 Structure of hybrid bit with“2 rollers+2 fixed PDC cutters”

第2種PDC-牙輪復合鉆頭的切削結構為4 PDC固定刀翼和2牙輪相間布置的結構(見圖2)。該鉆頭的2牙輪采用φ14.0 mm的楔形齒、中高密度布齒方式，以提高鉆頭的抗沖擊能力；4 PDC固定刀翼成X形分布，并采用對稱式固定保徑設計，以增強鉆頭工作時的穩(wěn)定性。

圖2 “4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭結構Fig.2 Structure of hybrid bit with“4 fixed PDC cutters+2 roller”

2.2 冠部形狀設計

2種PDC-牙輪復合鉆頭均采用直線-圓弧冠部、淺內錐、短外錐和短圓弧半徑設計。該設計可以滿足大斜度井定向鉆進需要，保證鉆頭的攻擊性，提高機械鉆速。淺內錐、短外錐冠部設計有利于降低鉆頭的切向力，更有利于定向鉆進過程中工具面的控制，降低鉆頭扭矩，定向鉆進過程中可有效減少擺工具面的時間，提高定向鉆進能力，同時可以提高牙輪的破巖效率。牙輪徑向采用全覆蓋設計，增強了PDC-牙輪復合鉆頭的破巖效率，特別是增強了復合鉆進時復雜運動條件下牙輪輔助破巖的作用，并且這種設計滿足了牙輪布齒與PDC固定刀翼布齒的匹配關系。

2.3 切削結構與保徑設計

為提高破巖效率，“2牙輪+2 PDC固定刀翼”復合鉆頭PDC固定刀翼的主切削齒采用φ16.0 mm PDC復合片，后傾角設計為20°～30°。為增強刀翼本體的耐磨性，保護刀翼本體，防止鉆頭環(huán)切和掏心磨損，PDC固定刀翼心部的冠頂面設置了平鑲PDC齒(見圖1)。牙輪切削齒直徑為11.0 mm，采用高密度布齒方式(見圖3)，牙輪的切削結構設計覆蓋至外肩部，以減小因牙輪切削齒沖擊帶來的鉆頭振動，增強鉆頭的穩(wěn)定性。牙輪外排主切削齒圈參與保徑，以提高鉆頭的穩(wěn)定性和造斜能力、減小鉆頭反扭矩、增強工具面的可控性。采用短保徑、強主動保徑+被動保徑，可以在保證鉆頭側切能力和造斜性能的同時，確保鉆頭的保徑能力。

圖3 “2牙輪+2 PDC固定刀翼”復合鉆頭切削輪廓曲線及徑向布齒Fig.3 Cutting profiles and arrangement of radial teeth of hybrid bit with“2 rollers+2 fixed PDC cutters”

“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭PDC固定刀翼的主切削齒同樣采用φ16.0 mmPDC復合片，后傾角設計為20°～30°。4 PDC固定刀翼成X形分布，可以增加復合鉆頭固定保徑結構空間，增強鉆頭工作時的穩(wěn)定性。牙輪切削齒設計為φ14.0 mm的楔形齒，采用中高密度布齒方式(見圖2)，以提高鉆頭的破巖效率。該鉆頭冠頂面設置了減震齒(見圖4)，以提高鉆頭的穩(wěn)定性，減小沖擊載荷對鉆頭的振動。牙輪與PDC齒復合覆蓋區(qū)至外肩部，有利于延長PDC固定切削齒的使用壽命。4 PDC固定刀翼采用主動保徑加被動保徑方式，以提高鉆頭的穩(wěn)定性和保徑能力。

圖4 “4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭切削輪廓曲線及徑向布齒Fig.4 Cutting profiles and arrangement of radial teeth of hybrid bit with“4 fixed PDC cutters+2 rollers”

2.4 水力結構設計

“2牙輪+2 PDC固定刀翼”復合鉆頭設置了4個噴嘴，心部為2個φ13.0 mm噴嘴，外部為2個φ16.0 mm噴嘴(見圖1)，以提高清洗效果、防止發(fā)生泥包鉆頭?！? PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭設置了6噴嘴，心部為2個φ13.0 mm噴嘴、外部為2個φ13.0 mm噴嘴，2 PDC固定刀翼間有1個φ13.0 mm噴嘴(見圖2)，以提高清洗和冷卻效果。

3 現(xiàn)場試驗

“2牙輪+2 PDC固定刀翼”和“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭分別在南堡油田NP2-33井和NP5-28井進行了試驗。NP2-33井采用“2牙輪+2 PDC固定刀翼”復合鉆頭鉆進定向井段，進尺315.00 m，平均機械鉆速11.00 m/h，與采用牙輪鉆頭的鄰井相比，平均機械鉆速提高了75 %，進尺提高了87.5 %。NP5-28井采用“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭鉆進定向井段，進尺328.00 m，平均機械鉆速10.9 m/h，與采用牙輪鉆頭的鄰井相比，進尺與機械鉆速均提高3倍以上，與采用PDC鉆頭的鄰井相比，機械鉆速提高了33%。這說明2種不同切削結構的復合鉆頭在大斜度井定向井段均具有良好的適應性。上述2口井試驗過程中，未出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，扭矩與采用牙輪鉆頭時相近，工具面穩(wěn)定,且循環(huán)出的巖屑的粒徑與采用牙輪鉆頭時相當，達到了地質卡層與巖屑錄井的要求。下面以NP5-28井為例介紹PDC-牙輪復合鉆頭的具體試驗情況。

NP5-28井是部署在NP5號構造的一口預探大斜度井，設計井深4 283.00 m，最大井斜角55.9 °，最大位移1 150.00 m，垂深3 776.00 m。造斜點在井深2 576.00 m處，設計造斜率2.1°/30m，造斜井段長798.00 m。定向井段上段為泥巖、粉砂質泥巖和細砂巖地層，下段為泥巖、泥巖夾細砂巖和粉砂巖地層。該井定向井段鉆至井深3 060.00 m時，滑動定向鉆進托壓達到300 kN左右，無法實現(xiàn)有效定向鉆進，于是起鉆進行“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭鉆進試驗。

試驗所用鉆具組合為φ215.9 mmPDC-牙輪復合鉆頭+φ172.0 mm×1.25°螺桿+φ172.0 mm無磁鉆鋌1根+φ177.8 mm MWD+φ177.8 mm無磁鉆鋌1根+φ127.0 mm加重鉆桿15根+φ127.0 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓30～100 kN，轉速30 r/min，排量32 L/s，泵壓17～19 MPa。

試驗井段為3 060.00～3 388.53 m，井斜角由31.9 °增至54.9 °，方位角13.97 °。PDC-牙輪復合鉆頭在試驗井段共進行了7次定向鉆進，前3次定向鉆進每復合鉆進20.00～25.00 m，滑動鉆進10.00 m，后4次定向鉆進每復合鉆進約10.00 m，滑動鉆進5.00 m。該鉆頭滑動鉆進總進尺55.00 m，純鉆時間11.7 h，平均機械鉆速為4.70 m/h；復合鉆進總進尺273.00 m，純鉆時間18.4 h，平均機速14.86 m/h。試驗過程中，扭矩波動不大，與采用牙輪鉆頭時接近?；瑒鱼@進時的造斜率達(8.5°～12.0°)/30m，復合鉆進時的自然增斜率為1.5°/30m，表明該復合鉆頭造斜率高，工具面易控制，方位相對穩(wěn)定。

PDC-牙輪復合鉆頭定向鉆進循環(huán)出巖屑的粒徑約為4.0～7.0 mm，與鄰井采用牙輪鉆頭鉆進循環(huán)出巖屑的粒徑(約2.0～4.0 mm)相當，滿足巖屑錄井要求，并有利于判別地層的巖性。

試驗結束，起出“4 PDC固定刀翼+2牙輪”復合鉆頭觀察發(fā)現(xiàn)：PDC固定刀翼的切削齒磨損輕微且磨損均勻，心部齒沒有明顯磨損，冠頂、外錐部前排齒有輕微磨損；牙輪齒有較小程度的磨損，磨損較為均勻，且磨損高度不超過0.5 mm；2個牙輪均能轉動，軸承密封未失效，軸承未出現(xiàn)曠動；鉆頭保徑較完好，鉆頭未縮徑，覆焊層無明顯沖蝕現(xiàn)象，噴嘴完好、通暢。

4 結論與建議

1) PDC-牙輪復合鉆頭在大斜度井定向井段的滑動鉆進定向效果與牙輪鉆頭相當，機械鉆速明顯高于牙輪鉆頭，能解決大斜度井定向井段摩阻扭矩大、托壓嚴重和工具面不穩(wěn)定的問題，并能夠提高大斜度井定向井段的鉆進速度。

2)PDC-牙輪復合鉆頭破碎巖石產生的巖屑粒徑比PDC鉆頭破碎巖石產生的巖屑粒徑大，與牙輪鉆頭破碎巖石產生的巖屑粒徑相當，有利于巖屑錄井。

3) 2種切削結構的PDC-牙輪復合鉆頭在大斜度井定向井段均表現(xiàn)出了良好的適應性，取得了較好的效果，建議進一步探索PDC-牙輪復合鉆頭在不同井深、層位、巖性條件下的鉆井效果。

4) 建議進一步加強PDC與牙輪鉆頭的匹配關系、冠部形狀、布齒密度、切削能量分配等方面的研究，以擴大PDC-牙輪鉆頭的應用范圍。

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