賀 慶

(中國石化華東油氣分公司石油工程技術研究院)

中石化華東油氣田蘇北工區(qū)屬于復雜小斷塊油氣藏，儲層薄且產狀多變，在鉆井過程中，對儲層的判斷往往需要通過巖屑錄井等手段實現。PDC鉆頭在提高鉆井速度、降低鉆井成本、增加經濟效益的同時，受破巖方式所限(對軟地層刮切，對硬地層刮切為主，剪切為輔)，在鉆進時生成的巖屑顆粒較小，尤其是膠結松散的砂巖地層，巖屑顆粒以粉末為主，不能滿足地質錄井對巖屑顆粒粒徑的要求，降低了地質錄井的準確性，尤其是在探井和水平井實施過程中，為獲取能夠滿足要求的巖屑，在鉆至儲層前，需提前更換牙輪鉆頭，一方面降低了機械鉆速和鉆井效率；另一方面增加了鉆頭消耗和鉆井成本。

因此，研制一種既能滿足快速鉆進需要，又能滿足地質錄井需要的PDC鉆頭，對蘇北工區(qū)勘探開發(fā)工作的進一步提速提效有著重要意義。

一、微取心PDC鉆頭的研制

蘇北工區(qū)自上而下鉆遇東臺組、鹽城組、三垛組、戴南組、阜寧組和浦口組，巖性以砂巖、泥巖為主，地層可鉆性在3～6之間。蘇北工區(qū)微取心PDC鉆頭的研制主要包括常規(guī)破巖結構設計和微心結構設計。常規(guī)破巖結構主要包含剖面輪廓設計、穩(wěn)定性設計、布齒設計選擇等常規(guī)PDC鉆頭所涉及到的內容[1-4]，其主要目的是實現微取心鉆頭的正常鉆進，達到一定的機械鉆速和使用壽命；微心結構主要包無中心鉆頭設計和限制器及限制方式研究等，其主要目的是實現微巖心的形成，滿足地質錄井需要，同時保證鉆井安全，不至于形成鉆頭磨心。

1.常規(guī)破巖結構

1.1 剖面輪廓設計

微取心PDC鉆頭剖面輪廓設計采用等磨損原則，設計鉆頭冠部剖面輪廓采用三段制(直線-圓弧-圓弧)剖面，如圖1所示。

圖1 微取心PDC鉆頭冠部輪廓剖面圖

1.2 PDC鉆頭穩(wěn)定性設計

通過專用軟件進行計算機工況仿真分析，通過調整刀翼角度，將徑向不平衡力與設計鉆壓比降低至1%以下，有效的控制了鉆頭切削巖石的振動，提高了鉆頭的穩(wěn)定性，減少了切削齒的先期損壞，進而保證了鉆頭的使用壽命。調整后的微取心鉆頭刀翼分布如圖2所示。

圖2 微取心鉆頭刀翼分布圖

1.3 布齒設計

布齒設計應結合鉆頭的具體使用工況從切削齒尺寸優(yōu)選等4個方面統(tǒng)籌考慮，平衡機械鉆速和使用壽命。

(1)切削齒尺寸的優(yōu)選。蘇北工區(qū)整體可鉆性在PDC鉆頭可鉆范圍內，切削齒大小選用?16.0 mm復合片，以尋求較高機械鉆速，并兼顧使用壽命。

(2)布齒密度。采用?16.0 mm切削齒31個，密度等級為2，屬于中～低密度布齒范圍。復合片平均間距為4.3 mm，符合機加工要求。

(3)切削齒后傾角設計。切削齒后傾角設計因綜合考慮壽命和鉆進速度[5]，根據地層可鉆性等參數確定。所研制PDC 鉆頭最終采用后傾角設計值為15°～20°。

(4)布齒方法。設計微取心PDC鉆頭切削齒布置采用等磨損原則。圖3為微取心PDC鉆頭最終確定的布齒圖。

圖3 微取心鉆頭布齒圖

2.微取心PDC微心結構方案

微取心 PDC 鉆頭區(qū)別于常規(guī) PDC 鉆頭特征是鉆頭中心軸線區(qū)域沒有設置切削齒[6]，即微取心PDC鉆頭為無中心切削齒PDC鉆頭。微取心PDC鉆頭微心結構方案主要包括無中心結構和返出流道兩部分方案。

2.1 無中心結構

無中心結構即鉆頭的幾何中心無切線齒參與切削巖石。無中心結構設計的關鍵是限制器尺寸和角度的設計。

研究的微取心鉆頭主要在蘇北工區(qū)使用，考慮到蘇北工區(qū)屬斷塊油氣藏，定向井偏多，主要鉆井方式為采用復合鉆井和滑動鉆井相結合的方式，在螺桿的選用上主要采用帶扶正器的單彎螺桿，所以限制器尺寸不易過大，設計最終采用16 mm復合片作為限制器。

限制器的角度即斜切面是一個能將巖塊前端推離中軸線的工作面，該角度的設計主要考慮到兩個方面，一方面角度過大，可能會造成所形成大塊巖屑對鉆頭本體的沖擊破壞，影響鉆頭的使用壽命和鉆井安全；另外一方面角度過小，就達不到折斷巖心的目的，所形成巖心會與復合片限制器摩擦，造成磨碎，影響巖屑大小，參考有關文獻資，斜平面角度α，設計在30°≤α≤ 60°范圍內，本次設計采用60°方案。

2.2 返出流道

返出流道主要是保證所形成大直徑巖屑能夠返出井口，返出流道的設計與常規(guī)流道設計基本類似，設計主要在以下兩個方面做出了優(yōu)化。一是水眼的設置，該流道水眼為此次設計鉆頭的最靠近幾何中心水眼，且水眼尺寸最??；二是返出流道較其他流道要深，具體深度設計師根據所采用限制器的尺寸和深度決定，本次設計返出流道較其他流道深23 mm。

微取心鉆頭微心結構如圖4所示。

圖4 微取心鉆頭微心結構

二、現場應用情況

1.現場應用

HD516L型微取心PDC鉆頭研制后，在蘇北工區(qū)溱潼凹陷北1井入井試驗。該井設計井深1 508 m，鉆頭入井井深904.00 m。

試驗鉆具組合：?215.9 mm微取心PDC鉆頭+1.0°×?172 mm單彎螺桿+浮閥+?165 mm無磁鉆鋌×9 m+?165 mm鉆鋌×27 m+?127 mm加重鉆桿×171 m+?127 mm鉆桿。鉆井參數：鉆壓20～60 kN，轉速40～45 r/min+螺桿；排量32 L/s，泵壓11 MPa。

試驗鉆頭純鉆10.91 h，鉆井井段904.00～1 107.00 m，進尺 203.00 m，平均機械鉆速18.63 m/h，鉆頭起出新度95%，見圖5。

圖5 微取心鉆頭新舊對比圖

2. 應用分析

2.1 鉆速指標對比

研制微取心PDC鉆頭應用效果與區(qū)塊鉆頭應用效果進行對比，結果見表1。

表1 微取心PDC鉆頭鉆速指標對比

由表1可知，該鉆頭平均機械鉆速18.63 m/h, 其中復合鉆進23.92 m/h，滑動鉆進平均機械鉆速9.32 m/h。該機械鉆速指標大于工區(qū)牙輪鉆頭的機械鉆速4.71 m/h；大于工區(qū)的平均機械鉆速16.32 m/h；與工區(qū)最高平均機械鉆速25.41 m/h，有一定差距。

研制微取心PDC鉆頭應用效果與該井同地層牙輪鉆頭應用效果進行對比，結果見表2。

由表2可知， HD516L型微取心PDC鉆頭與HJ517G型牙輪鉆頭相比機械鉆速提高13.6 m/h，提高幅度270.3%。

2.2 返出巖屑情況

能大量返出>5 mm粒徑的巖屑，通過現場地質人員確認，該粒徑大小已能夠清晰辨別巖性，并與牙輪鉆頭鉆進返出巖屑粒徑大小基本相當。

表2 微取心PDC鉆頭與牙輪鉆頭效果對比

三、結論

(1)微取心PDC鉆頭的研制主要包括常規(guī)破巖結構設計和微心結構設計。

(2)現場試驗說明，研制鉆頭能形成巖屑粒徑大小能夠達到地質辨別的要求，并且機械鉆速高于牙輪鉆頭。