秦世利，陶冶，宋吉明(.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 58067；.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司，廣東 深圳 58064)

0 引言

伴隨著油氣田開發(fā)技術(shù)的不斷提高，國內(nèi)外的鉆井工技術(shù)逐漸向高效、優(yōu)質(zhì)、快速的方向發(fā)展。PY34-1氣田位于中國南海北部海域珠江口盆地番禺33自營區(qū)塊，區(qū)域上位于中央隆起帶的中部番禺低隆起，南部緊鄰白云凹陷北緣[1]。地質(zhì)層系自上而下分別為萬山組、粵海組、韓江組、珠江組和珠海組。上部地層以松軟的沙泥巖為主，少量含礫灰質(zhì)夾層，抗壓強(qiáng)度從20.68～62.05 MPa不等，可鉆性較好，但頻繁的巖性變化和礫巖較強(qiáng)的研磨性導(dǎo)致轉(zhuǎn)差震動和切削齒磨損，嚴(yán)重影響鉆頭壽命。下部珠江組有大段的硬質(zhì)灰質(zhì)砂巖，抗壓強(qiáng)度137.90～275.79 MPa，且具有極強(qiáng)的研磨性，導(dǎo)致鉆頭機(jī)械鉆速低，鉆井經(jīng)濟(jì)效益低下[2]。

1 鉆頭使用現(xiàn)狀

近年來，隨著常規(guī)PDC的廣泛應(yīng)用，PDC鉆頭的型號和質(zhì)量上都進(jìn)行了較大的改進(jìn)，已經(jīng)在軟到硬的地層中逐漸使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。PDC 鉆頭就是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭，它以金剛石為原料加入粘合劑在高溫?zé)贫?。?fù)合片為圓片狀，金剛石層厚度一般小于1慢慢，PDC鉆頭采用圓形弧面進(jìn)行破巖，鉆遇礫巖鉆井參數(shù)稍有不當(dāng)將造成高速切削狀態(tài)下礫石沖擊損傷，導(dǎo)致刀翼外椎體破損或切削齒崩齒，如長期處于該狀態(tài)將導(dǎo)致鉆頭損壞，降低了單趟鉆進(jìn)尺，加大了作業(yè)的成本。

PY34-1氣田開發(fā)初期，12-1/4″井段主要使用常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭，平均機(jī)械鉆從速15.2～21.9 m/h不等，一次作業(yè)通常需要3～5只鉆頭才能完成該井段作業(yè)，單趟進(jìn)尺523 ～1 012 m，出井鉆頭崩齒的現(xiàn)象較為普遍，個(gè)別鉆頭縮徑現(xiàn)象嚴(yán)重。鄰井12-1/4″井段鉆頭數(shù)據(jù)如表1所示。

為了進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，降低鉆頭磨損，提高鉆頭的經(jīng)濟(jì)效益，技術(shù)人員借鑒國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，通過對該區(qū)塊地層特征和前期鉆頭使用情況深入分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)選斧形齒專利PDC鉆頭。

2 斧型齒鉆頭應(yīng)用情況

2.1 斧型齒鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證同時(shí)提供出色的切削效率(機(jī)械鉆速)和耐磨性(鉆頭進(jìn)尺)。基于鄰井分析，采用了專利技術(shù)的剛性金剛石材料的5刀翼、16 mm切削齒、鋼體鉆頭設(shè)計(jì)。為了在各個(gè)巖性地層中取得出色的機(jī)械鉆速表現(xiàn)，新的鉆頭設(shè)計(jì)采用了攻擊性的冠部形狀(斧型)和切削齒后置角[3]。

表1 鄰井12-1/4″井段鉆頭數(shù)據(jù)

鉆頭設(shè)計(jì)導(dǎo)入4D有限元動態(tài)模擬系統(tǒng)與普通的PDC鉆頭進(jìn)行模擬對比。對比使用了6組巖性，使用不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速模擬了實(shí)際鉆進(jìn)過程中可能出現(xiàn)的情況。結(jié)果顯示新的鉆頭設(shè)計(jì)在不同鉆進(jìn)參數(shù)下，機(jī)械鉆速整體提高了8%～31%[4]。新鉆頭設(shè)計(jì)的電腦輔助設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 新鉆頭設(shè)計(jì)的電腦輔助設(shè)計(jì)模型

2.2 斧型齒鉆頭破巖機(jī)理

斧型齒鉆頭改變了常規(guī)齒僅靠切削破巖的機(jī)理，利用壓碎和切削復(fù)合破巖，能有效提高鉆頭破巖效率，極大的提高了機(jī)械鉆速。這個(gè)鉆頭的作用原理為先通過切削齒凸起部斧型結(jié)構(gòu)接觸地層，預(yù)壓碎巖石，再通過后部切削齒平面部分切削，同時(shí)斧型齒刀口兩側(cè)的傾角設(shè)計(jì)使切削力減少，更有利于切削地層減小鉆進(jìn)扭矩[5]。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用成果

PY34-1-A1H井在南海東部首次引用進(jìn)口新型斧形齒PDC鉆頭，實(shí)現(xiàn)了2趟鉆完成12-1/4″井段作業(yè)，單只鉆頭進(jìn)尺、ROP和鉆井日效率均有比較明顯的提高，其中鉆井日效率較A2和A5H井平均水平提高了31%，達(dá)到了該項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。

后續(xù)連續(xù)應(yīng)用4口井，該鉆頭均有不錯(cuò)的表現(xiàn)，并且創(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、鉆井日效率均屢創(chuàng)新高。其中番禺34-1-A6H井以鉆井周期43.77 d的驕人成績，打破了中國海油石油總公司6 000～6 500 m水平井鉆井周期紀(jì)錄。

通過同區(qū)塊常規(guī)齒和斧型齒鉆頭鉆頭使用情況對比分析，新型斧形齒PDC鉆頭較常規(guī)齒平均單趟進(jìn)尺提高144.1%，單趟最大進(jìn)尺提高44.3%，平均機(jī)械鉆速提高73.5%，鉆井日效率提高82.7%。新型斧形齒PDC鉆頭提速效果明顯[6]。

PY34-1氣田斧型齒鉆頭使用情況如表2所示。

PY34-1氣田12-1/4″井段鉆頭數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表2 PY34-1氣田斧型齒鉆頭使用情況

表3 PY34-1氣田12-1/4″井段鉆頭數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)語

斧型齒PDC鉆頭在保證了鉆頭良好的切削能力的同時(shí)也增加了鉆頭的抗研磨性，提高了鉆頭的機(jī)械效率和壽命。說明斧型齒PDC鉆頭對番禺34-1地層有較強(qiáng)適應(yīng)性。

番禺34-1氣田下部高研磨性地層機(jī)械鉆速雖有提升仍然有待提高，可以考慮加入提速工具如超級馬達(dá)、水力振蕩器等工具，進(jìn)一步增加硬地層鉆頭切削效率，減小鉆頭磨損實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成12-1/4″井段。