范豐年，李福明，張曉廣

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 （天津 300452）

PDC鉆頭具有金剛石的硬度和高耐磨性，在大段軟到中硬的地層中鉆進(jìn)時，機(jī)械鉆速高，壽命長，起下鉆次數(shù)少，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。隨著技術(shù)的發(fā)展，PDC鉆頭的型號越來越多，因此在使用PDC鉆頭時，進(jìn)行合理的鉆頭選型至關(guān)重要。不同地層巖石密度、聲波時差、泥質(zhì)含量不同，則巖石的硬度、研磨性各不相同。在伊拉克M油田鉆井作業(yè)期間，通過測井資料獲取以上巖石力學(xué)參數(shù)，再結(jié)合M油田已鉆井的資料和地層巖性特征，進(jìn)行了PDC鉆頭的優(yōu)選。

1 下法爾斯地層巖性特征

M油田下法爾斯組地層為鹽膏地層，埋深3 000 m左右，沉積厚約800 m，巖性包含硬石膏、泥巖及鹽層。下法爾斯組由上到下分為5段（Mb5-Mb1），其中Mb5段上部主要為大段泥巖夾薄層石膏，下部為泥巖和石膏不等厚互層，總厚度約320 m，Mb4段主要為泥巖與石膏夾薄層鹽巖，總厚度約260 m，Mb3段為大段石膏并伴有泥巖和鹽巖夾層，總厚度約130 m，Mb2段和Mb1段厚度都在30～40 m，分別為純鹽巖和石膏[1]。

2 PDC鉆頭的選型方法

鉆頭選型最重要的依據(jù)是地層，如果在泥頁巖中鉆進(jìn)多選擇PDC鉆頭；地層研磨性較強(qiáng)時，應(yīng)選用加強(qiáng)保徑鉆頭或者外排齒加密的鉆頭；石膏、鹽巖、泥巖和一些不含石英顆粒的碳酸鹽巖研磨性很??；灰?guī)r和白云巖等屬于低研磨性的巖石，石英砂巖和粉砂巖具有較高的研磨性[2-5]。

利用測井資料選擇鉆頭，該方法主要通過伽瑪、聲波時差、中子密度等測井資料計算出巖石的彈性模量及內(nèi)摩擦角等。研究表明巖石的內(nèi)摩擦角與研磨性有很好的相關(guān)性，巖石內(nèi)摩擦角低于40°則認(rèn)為地層研磨性不太強(qiáng)，可以選用一般的PDC鉆頭鉆進(jìn)，如果巖石內(nèi)摩擦角高于40°則認(rèn)為地層研磨性比較強(qiáng)，宜選用耐磨性好的特殊加工的PDC鉆頭或天然金剛石鉆頭[6-10]。

若地層不均質(zhì)，軟硬交錯，夾層較多，應(yīng)考慮選擇抗沖擊性能好的切屑齒、并且適合鉆夾層的PDC鉆頭。

3 M油田PDC鉆頭的現(xiàn)場應(yīng)用問題及分析

下法爾斯地層鉆進(jìn)主要使用5刀翼、19 mm切屑齒的剛體鉆頭。根據(jù)M油田已鉆井的鉆頭使用情況，對7口井的PDC鉆頭在各段地層的鉆速進(jìn)行統(tǒng)計，見表1。

如表1所示，鉆頭在Mb4段的鉆速高于Mb5段，進(jìn)入Mb3段后鉆速出現(xiàn)普遍下降，而Mb2段由于鹽層的存在可鉆性較高，鉆速普遍較快。其中A-4井的第一只鉆頭，未能鉆穿整個層位（圖1）。綜合評價下法爾斯層位整體平均鉆速在3～4 m/h。因此，鉆頭選型要考慮提高鉆頭的機(jī)械鉆速和延長使用壽命。

表1 下法爾斯地層PDC鉆頭使用記錄

圖1 伊拉克M油田A-4井PDC鉆頭入井與出井照片

機(jī)械鉆速低的主要原因：①下法爾斯地層從上到下各段都含有較多的夾層，尤其是Mb5段下部和Mb4段，頻繁出現(xiàn)泥巖及硬石膏的夾層，鉆進(jìn)期間易出現(xiàn)蹩鉆現(xiàn)象，因此軟硬交錯、頻繁出現(xiàn)的夾層導(dǎo)致了切屑齒先期崩齒損壞；②繼續(xù)鉆進(jìn)Mb3的石膏層時，切屑齒吃入地層就比較困難，造成機(jī)械鉆速較低；③鉆進(jìn)Mb5段時要弱化鉆井參數(shù)，保持鉆壓3～5 kN，防止高鉆壓造成切屑齒及早磨損，A-4井第一只鉆頭鉆進(jìn)Mb5段時采用6～8 kN，導(dǎo)致鉆頭在鉆進(jìn)下部井段時鉆速過低，未能鉆穿下法爾斯層位。

圖2為下法爾斯地層的巖石力學(xué)評價圖，除Mb5段上部2 200～2 300 m和Mb3段下部2 800～2 900 m地層內(nèi)摩擦角均值較高約40°，地層研磨性稍強(qiáng)，剩余井段地層內(nèi)摩擦角均值約35°，多數(shù)井段地層研磨性不高，考慮選用一般耐磨性強(qiáng)度的PDC鉆頭。

4 鉆頭個性化改進(jìn)

鉆頭結(jié)構(gòu)是鉆頭保持優(yōu)異性能的關(guān)鍵，因此需要合理的設(shè)計鉆頭結(jié)構(gòu)?？傮w來說，下法爾斯地層鉆進(jìn)的主要問題有機(jī)械鉆速過低、鉆頭使用壽命低、切屑齒崩齒等，通過對鉆頭出井情況的深入分析，考慮改進(jìn)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，同時對切屑齒進(jìn)行輔助改進(jìn)。

圖2 下法爾斯地層巖石力學(xué)參數(shù)評價結(jié)果

4.1 鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對M區(qū)塊的地層特性和鉆進(jìn)工況，對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下改進(jìn)：

1）針對PDC鉆頭出現(xiàn)的崩齒現(xiàn)象，在鉆頭刀翼的肩部位置設(shè)計減震節(jié)，且盡量靠近鉆頭心部，對內(nèi)外排齒都起到保護(hù)作用。

2）考慮到鉆頭穩(wěn)定性鉆頭采用5刀翼結(jié)構(gòu)，對保徑采用一定的螺旋角度，增大與井壁的接觸，保證鉆頭在井底的穩(wěn)定切屑，減輕不穩(wěn)定工況造成的鉆頭崩齒及正常磨損，延長鉆頭的使用壽命。

3）鉆頭的切入地層的能力隨著切屑角的增大而減小，但過小的切屑角容易導(dǎo)致切屑齒過早損壞。因此綜合考慮區(qū)塊內(nèi)地層的特點、鉆頭的機(jī)械鉆速、穩(wěn)定性和使用壽命，減小PDC鉆頭切屑齒后角2°～3°至18°左右，并從內(nèi)錐到外錐，后角逐漸由小變大，使破碎的巖石快速排出井底，防止重復(fù)破碎，如圖3所示。

圖3 PDC切屑齒后角

4.2 切屑齒改進(jìn)

1）由于鉆進(jìn)期間地層夾層較多，采用金剛石含量更高的復(fù)合片，提高切屑齒的耐用性和抗沖擊性，從而延長使用壽命。

2）減少心部切屑齒倒角至0.2 mm，減少應(yīng)力集中，以提高切屑齒切入地層的能力，提高機(jī)械鉆速，降低鉆頭使用初期出現(xiàn)崩齒的可能性，并較大程度提高了切屑齒抵抗軸向和切向沖擊載荷的能力，如圖4所示。

圖4 鉆頭心部切屑齒倒角

5 改進(jìn)型鉆頭的應(yīng)用

綜合改進(jìn)措施，優(yōu)選出了適合下法爾斯地層的鉆頭，推薦采用NOV DFR519S和BESTE TS1952SS鉆頭，相應(yīng)的鉆井參數(shù)：鉆壓60～100 kN，轉(zhuǎn)速70～90 r/min，排量 40 L/min，泵壓 15～18 MPa。鉆具組合：311.15 mm PDC鉆頭+浮閥接頭+2根203.2 mm鉆鋌+308 mm扶正器+8根203.2 mm鉆鋌+203.2 mm隨鉆震擊器+變扣接頭+15根127 mm加重鉆桿。具體鉆頭型號及應(yīng)用效果如表2所示。

鉆頭與優(yōu)選之前相比，下法爾斯地層每一段的機(jī)械鉆速都有所提高，單只鉆頭能夠鉆穿整個層位，其中平均鉆速提高65%，表明該地層鉆頭的優(yōu)選結(jié)果是合理的，全井段提速明顯，大大節(jié)省了鉆井周期。

6 結(jié)論與建議

1）將已鉆井的鉆頭使用統(tǒng)計結(jié)果和地層的巖石力學(xué)性質(zhì)結(jié)合起來，對鉆頭進(jìn)行個性化設(shè)計，能夠有針對性地優(yōu)選出適合本區(qū)塊的PDC鉆頭，從而達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

表2 下法爾斯地層PDC鉆頭優(yōu)選結(jié)果及記錄

2）下法爾斯地層鉆進(jìn)的主要難點位于Mb5-Mb3段，對鉆頭在每一段地層的使用情況進(jìn)行跟蹤和分析，能夠有效地改善當(dāng)前鉆頭的破巖效率。

3）選用金剛石含量更高的鉆頭復(fù)合片，可提高鉆頭的抗沖擊性，延長復(fù)合片的使用壽命。

4）對切屑齒后角及心部切屑齒倒角進(jìn)行調(diào)整，能夠有效提高鉆頭在下法爾斯地層鉆進(jìn)的破巖能力。

5)隨著鉆井?dāng)?shù)量的增加，對M油田的下法爾斯地層認(rèn)知程度會進(jìn)一步的提高，在以后的使用過程中，需要繼續(xù)對PDC鉆頭的使用進(jìn)行研究和探索。