張濤，董宏偉，趙峰，馬杰，孫麟

1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 第一鉆井工程分公司（天津300280）

2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 第三鉆井工程分公司（天津300280）

福山油田位于海南省北部，主要勘探區(qū)塊福山凹陷屬于北部灣盆地的一個(gè)新生代含油氣凹陷，位于北部灣盆地南斜坡東緣，為一個(gè)近NEE向展布的中生代凹陷，總面積2 880 km2，其中陸地面積約2 100 km2。自1958年開(kāi)展普查至今，福山油田已經(jīng)建成了年產(chǎn)40×104t油氣當(dāng)量的油氣生產(chǎn)基地。但福山油田的勘探開(kāi)發(fā)仍然存在許多技術(shù)難題，其中機(jī)械鉆速過(guò)慢就是各大鉆井公司亟待解決的第一大難題，導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢的主要原因是福山凹陷地層普遍含礫，進(jìn)入潿洲組以后泥巖開(kāi)始增多，可鉆性逐漸變差。雖然砂礫巖的膠結(jié)程度較差，可鉆性好，但是礫巖的研磨性非常強(qiáng)，當(dāng)PDC鉆頭在砂礫巖井段鉆進(jìn)時(shí)由于礫巖的強(qiáng)研磨性會(huì)導(dǎo)致切削齒快速磨損，當(dāng)受到磨損的PDC鉆頭鉆遇可鉆性差的泥巖后，鉆時(shí)會(huì)明顯變慢，必須起鉆更換新的鉆頭，從而造成單只鉆頭進(jìn)尺少，機(jī)械鉆速低。通過(guò)分析福山油田地層巖性特點(diǎn)，針對(duì)性?xún)?yōu)選新型高效PDC鉆頭，解決了普通PDC鉆頭抗研磨性差、進(jìn)尺少鉆速慢的問(wèn)題，提速效果顯著。

1 福山油田地質(zhì)分層及巖性描述

福山凹陷地層依次為第四系，上第三系望樓港組、燈樓角組、角尾組、下洋組，下第三系潿洲組、流沙港組、長(zhǎng)流組。從巖性特征可以看出，福山凹陷地層從上到下普遍含礫，隨著井深的不斷增加，深部地層巖石承受的上覆壓力逐漸增大，巖石的孔隙和骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其巖石硬度、抗壓抗剪強(qiáng)度、研磨性成倍增加，從而使巖石膠結(jié)更致密、研磨性增強(qiáng)、可鉆性變差，導(dǎo)致PDC鉆頭嚴(yán)重磨損，機(jī)械鉆速明顯變慢[1-2]。

2 福山油田鉆頭應(yīng)用現(xiàn)狀

在福山油田開(kāi)發(fā)早期，主要使用牙輪鉆頭，每年完成井的平均機(jī)械鉆速在6 m/h左右，自2010年開(kāi)始推廣PDC+螺桿的復(fù)合鉆井方式，機(jī)械鉆速得到大幅提升，至2018年完成井平均機(jī)械鉆速已達(dá)到14.52 m/h，較早期速度提高了1倍以上。常規(guī)PDC鉆頭均為平面聚晶金剛石復(fù)合片，采用以圓形弧面進(jìn)行破巖的方式，鉆頭在高速切削狀態(tài)下撞上分布不均的礫石產(chǎn)生正面沖擊損傷，造成鉆頭外錐齒崩斷及復(fù)合片損傷，同時(shí)在砂礫巖的磨損下，復(fù)合片逐漸失效，最終喪失切削能力。據(jù)調(diào)研，2018年福山油田共完成42口井，平均完鉆井深3 416.98 m，平均每口井使用PDC鉆頭4.33只，單只鉆頭平均進(jìn)尺544.05 m，可以看出，仍然存在PDC鉆頭壽命短、進(jìn)尺少的問(wèn)題，導(dǎo)致鉆井周期較長(zhǎng)，鉆井成本較高。為了進(jìn)一步提高鉆井速度、降低成本，借鑒其他油田施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)性地優(yōu)選了非平面齒PDC鉆頭用以解決以上難題[3-8]。

3 非平面齒PDC鉆頭介紹

3.1 非平面齒PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非平面齒PDC鉆頭前排齒采用非平面切削齒，后排齒采用錐形齒，前排齒復(fù)合片采用凸脊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1），三條凸脊夾角呈120°，表面進(jìn)行脫鈷處理，能有效提高鉆頭的抗沖擊性和耐磨性；后排復(fù)合圓錐齒是一種圓錐形切削元件（圖2），參與地層破碎能有效分擔(dān)前排主切削齒的鉆進(jìn)負(fù)荷，有利于保護(hù)前排切削齒，大幅度提高鉆頭使用壽命[9-11]。

3.2 非平面齒PDC鉆頭的破巖機(jī)理

非平面齒PDC鉆頭（圖3）在破巖機(jī)理方面進(jìn)行了改變，依靠前排齒切削地層和后排圓錐齒壓碎地層，利用壓碎和切削復(fù)合破巖方式，有效提高鉆頭破巖功率，大幅提高機(jī)械鉆速。

圖1 非平面切削齒

圖2 錐形齒

圖3 非平面齒PDC鉆頭

鉆頭工作時(shí)，先是前排非平面復(fù)合片凸起的楞邊接觸地層，預(yù)破碎巖石，其后復(fù)合片平面部分犁削，復(fù)合破碎地層巖石，該設(shè)計(jì)加大了金剛石復(fù)合片的抗擊能力，將主切削力由一個(gè)弧形平面轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌惹邢?，所需切削力更低。由于具有更厚的金剛石層、?zhuān)有的金剛石顆粒分布混合技術(shù)，也獲得了更好的正面抗沖擊能力，相較常規(guī)PDC復(fù)合片，破巖能力更強(qiáng)，耐磨性更好。同時(shí)后排錐形齒比常規(guī)圓柱形PDC復(fù)合片對(duì)地層施加更高的點(diǎn)載荷，以犁刮和剪切的聯(lián)合破巖機(jī)理更有效地破碎高抗壓強(qiáng)度地層。由于吃入地層的作用力通過(guò)其軸線，具有更平衡的橫向力，可以有效地降低鉆頭的橫向和縱向振動(dòng)，延長(zhǎng)了鉆頭壽命[12-15]。

4 非平面齒PDC鉆頭試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)鉆頭基本數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，2019開(kāi)始在福山油田花場(chǎng)、朝陽(yáng)區(qū)塊施工井試驗(yàn)非平面齒PDC鉆頭。針對(duì)福山油田地層特性，優(yōu)選了5刀翼16 mm復(fù)合片鉆頭，既能保證鉆頭復(fù)合片耐磨性，又能保證機(jī)械鉆速。在花場(chǎng)和朝陽(yáng)區(qū)塊8口井試驗(yàn)了8只非平面齒PDC鉆頭（表1），鉆頭型號(hào)為 Φ215.9 mmCK505R，單只鉆頭最多進(jìn)尺為2 714 m，最少為1 608 m，平均為1 920 m；最高機(jī)械鉆速為36.73 m/h，最低為17.62 m/h，平均為28.50 m/h。其中花121-18x井是一口二開(kāi)四段制井，二開(kāi)井段使用1只PDC鉆頭完鉆，一趟鉆完成了鉆塞、造斜、穩(wěn)斜、降斜，創(chuàng)造了該區(qū)塊單只鉆頭、單趟鉆進(jìn)尺最多紀(jì)錄，機(jī)械鉆速、鉆井周期、完井周期、鉆機(jī)月速4項(xiàng)指標(biāo)均刷新了區(qū)塊指標(biāo)，是福山油田鉆井歷史上首次實(shí)現(xiàn)二開(kāi)“一趟鉆”完鉆。

4.2 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

將試驗(yàn)鉆頭完成指標(biāo)與同區(qū)塊井進(jìn)行對(duì)比，為體現(xiàn)公平性，所對(duì)比的指標(biāo)都是二開(kāi)井第1只入井的PDC鉆頭完成的技術(shù)指標(biāo)?；?21平臺(tái)較同平臺(tái)其他井平均機(jī)械鉆速提高10%，平均單只鉆頭進(jìn)尺提高89%（表2），朝6平臺(tái)較同平臺(tái)其他井平均機(jī)械鉆速提高24%，平均單只鉆頭進(jìn)尺提高75%（表3），機(jī)械鉆速提升幅度較小，但是單只鉆頭進(jìn)尺有了大幅度提高，主要是由于潿洲組以上地層以砂礫巖為主，可鉆性好，鉆速快，而進(jìn)入潿洲組后泥巖開(kāi)始增多，鉆速相應(yīng)降低，所以單只鉆頭進(jìn)尺越多，機(jī)械鉆速指標(biāo)會(huì)相應(yīng)降低。

表1 試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)

表2 花121平臺(tái)試驗(yàn)井與鄰井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

表3 朝6平臺(tái)試驗(yàn)井與鄰井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論與建議

1）非平面齒PDC鉆頭采用非平面復(fù)合片與錐形齒相結(jié)合的構(gòu)造方式，以犁刮和剪切相結(jié)合的方式破巖，既增加了鉆頭的抗沖擊性和耐磨性，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，又提高了機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺。試驗(yàn)井采用的非平面齒PDC鉆頭較常規(guī)PDC鉆頭機(jī)械鉆速分別提高了10%和24%，單只鉆頭進(jìn)尺分別提高了89%和75%。

2）試驗(yàn)井除花121-18x井一趟鉆完成二開(kāi)外，其他7口井中途起鉆均是由于進(jìn)入降斜段需更換鉆具組合降斜鉆進(jìn)，起鉆前導(dǎo)向鉆時(shí)均未明顯減慢，起出鉆頭磨損較輕可二次下井。說(shuō)明了非平面齒PDC鉆頭在福山油田含礫地層鉆進(jìn)的適應(yīng)性，也反應(yīng)出在單只鉆頭進(jìn)尺方面仍有較大的提升空間。

3）花121-18x井二開(kāi)“一趟鉆”技術(shù)的成功應(yīng)用，證明了施工中若井身軌跡控制合理，使用非平面齒PDC鉆頭是能夠大幅度提高行程鉆速，減少鉆井周期，降低鉆頭成本。建議鉆具組合中加入水力振蕩器，用于緩解定向托壓，進(jìn)入降斜段后可以避免起鉆更換鉆具組合，從而實(shí)現(xiàn)一趟鉆完鉆。