李艷波，于連杰，王 輝，宋春格

（1.中國(guó)石油吉林油田分公司鉆井工藝研究院，吉林松原 138000；2.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

1 地層巖石性質(zhì)介紹

吉林油田深井主要包括德惠、長(zhǎng)深、梨深和伊通等區(qū)塊，這些區(qū)塊深井二開所鉆地層依次為四方臺(tái)、嫩江組、姚家組、青山口組、泉頭組、登婁庫組、營(yíng)城組和沙河子組。青山口組和泉頭組存在紫紅色泥巖，地層塑性強(qiáng)、易憋跳，造成鉆頭肩部不規(guī)則磨損；營(yíng)城組存在火山巖、火山角礫巖，巖性多變，可鉆性差，造成鉆頭前期受損；沙河子組巖性相對(duì)均質(zhì)，但地層溫度和壓實(shí)強(qiáng)度高、研磨性極強(qiáng)，加速鉆頭磨損，減少鉆頭使用壽命。根據(jù)區(qū)塊內(nèi)某口井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，利用地層可鉆性分析軟件，分析地層的可鉆性等級(jí)、地層抗壓強(qiáng)度和研磨性指數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 地層可鉆性分析

2 吉林油田深井前期PDC 鉆頭損壞特征

前期青山口組、泉頭組鉆頭因塑性強(qiáng)、易憋跳，造成肩部磨損嚴(yán)重，形成復(fù)合片不規(guī)則磨損而失效。營(yíng)城組鉆頭因火山巖、火山角礫巖，巖性多變、可鉆性差，形成鉆頭崩齒受損失效（非常規(guī)磨損）。沙河子組使用鉆頭因地層巖性相對(duì)均質(zhì)，但地層壓實(shí)強(qiáng)度和溫度高、研磨性極強(qiáng)，造成鉆頭磨損速度加快，形成鉆頭常規(guī)磨損失效。

3 混合型PDC 切削齒鉆頭設(shè)計(jì)思路

根據(jù)可鉆性分析及前期PDC 鉆頭損壞特征，在吉林油田深井可以采用混合型PDC 切削齒鉆頭，提高機(jī)械鉆速和鉆頭使用壽命，設(shè)計(jì)思路如下。

3.1 斧式齒PDC 鉆頭設(shè)計(jì)

（1）碎巖機(jī)理。斧式齒PDC 鉆頭端面鑲有新型斧式脊?fàn)罹劬Ы饎偸疨DC 切削齒，形似斧刃或山脊?fàn)睿▓D1）。這種奇異的斧式PDC 切削具，在井底首先以斧刃下端接觸巖石，以強(qiáng)力點(diǎn)載荷侵入巖石，綜合常規(guī)PDC 鉆頭的剪切、牙輪鉆頭的擠壓以及錐形齒的點(diǎn)載荷壓裂等碎巖機(jī)理，可以降低約30%的切削力需求。

圖1 斧式齒PDC 鉆頭

（2）優(yōu)點(diǎn)。該新型鉆頭能夠在多種地層中提高鉆進(jìn)效率，特別有助于鉆頭在吉林大慶深井營(yíng)城組火山角礫巖中鉆進(jìn)，有效提高機(jī)械鉆速和鉆頭使用壽命。

3.2 犀牛齒PDC 鉆頭設(shè)計(jì)

（1）碎巖機(jī)理。犀牛齒PDC鉆頭端面鑲有新型犀牛角狀聚晶金剛石PDC 切削齒，形似犀牛角（圖2）。由于鉆頭形狀奇異，在井底首先以切削齒的尖角接觸巖石，形似刀尖切入地層，切入時(shí)接觸面積小，切入地層能力強(qiáng)。

圖2 犀牛齒PDC 鉆頭

（2）優(yōu)點(diǎn)。切入地層能力強(qiáng)，在同等鉆壓情況下，吃入地層深度提高20%。有助于提高鉆頭在吉林大慶深井青山口組、泉頭組強(qiáng)塑性地層吃入能力，有效提高機(jī)械鉆速。

3.3 保徑奔馳齒PDC 鉆頭設(shè)計(jì)

（1）碎巖機(jī)理。保徑奔馳齒PDC 鉆頭是常規(guī)PDC 鉆頭在近保徑及保徑部位使用奔馳齒，是一種組合式PDC 鉆頭（圖3）。奔馳齒在井底首先以三角楞接觸巖石，以楞角點(diǎn)載荷侵入巖石，形成犁式破巖機(jī)理，提高保徑部位的破巖效率，并加強(qiáng)近保徑和保徑部位的抗沖擊能力。

圖3 保徑奔馳齒PDC 鉆頭

（2）優(yōu)點(diǎn)。鉆頭近保徑、保徑部位線速度最大，易造成鉆頭保徑齒和近保徑齒崩齒、脫層，從而降低鉆頭側(cè)面周邊的切削能力，影響整體機(jī)械鉆速。采用保徑奔馳齒PDC 鉆頭提高保徑部位的破巖效率，加強(qiáng)近保徑和保徑部位的抗沖擊能力，有效提高使用壽命。

3.4 后排平面齒PDC 鉆頭設(shè)計(jì)

（1）碎巖機(jī)理。后排平面齒PDC 鉆頭是將常規(guī)PDC 平齒作為輔助切削齒同軌布置在PDC 齒后排進(jìn)行聯(lián)合破巖（圖4）。即在鉆頭工作初期，以完好鋒銳的PDC 齒接觸地層巖石，充分發(fā)揮其剪切破巖效率高的優(yōu)勢(shì)。此時(shí)，低于前排PDC 齒布置的后排齒不參與破巖，主要起到控制吃入深度和分擔(dān)軸向沖擊力的作用，以保護(hù)前排PDC 齒，避免因瞬時(shí)吃入深度過大而受沖擊損壞，同時(shí)提高鉆頭穩(wěn)定性。當(dāng)前排PDC 齒磨損到一定程度，難以有效吃入巖石時(shí)，后排齒開始接觸巖石并承擔(dān)主要破巖任務(wù)，以提高整體破巖效率和使用壽命。

圖4 后排平面齒PDC 鉆頭

（2）優(yōu)點(diǎn)?？刂沏@頭吃入深度，提高鉆頭穩(wěn)定性。鉆頭在使用后期，后排齒接替前排齒起到切削作用，從而解決營(yíng)城組、沙河子組高研磨性硬地層中常規(guī)PDC 鉆頭鉆速慢、壽命短等問題。

3.5 后排錐形齒PDC 鉆頭

（1）碎巖機(jī)理。后排錐形齒PDC 鉆頭是將常規(guī)PDC 平齒放置于刀翼前排，后排配置錐形PDC 齒（圖5）。輔助的錐形切削齒同軌布置在PDC 齒后排進(jìn)行聯(lián)合破巖。這兩種PDC 切削齒碎巖機(jī)理不同，常規(guī)平面PDC齒以切削方式破巖，而具有超厚聚晶金剛石表層的錐形切削齒以點(diǎn)載荷破巖。這兩種碎巖機(jī)理通過綜合作用后，碎巖效果明顯提升，不僅鉆頭在硬地層中的鉆進(jìn)效率大大提高，PDC 鉆頭耐用性也明顯增加。

圖5 后排錐形齒PDC 鉆頭

（2）優(yōu)點(diǎn)?？刂沏@頭吃入深度，提高鉆頭穩(wěn)定性，前排齒以切削方式破巖，后排齒以犁式破巖。兩種碎巖機(jī)理綜合作用，提高鉆進(jìn)效率和鉆頭耐用性。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果

升平庫平1 井位于松遼盆地東南斷陷區(qū)，該井為二開水平井，混合型PDC 切削齒使用在水平段第三只，主要在營(yíng)城組內(nèi)鉆進(jìn)，巖性以火山流紋巖為主。水平段第一、二只鉆頭采用復(fù)合鉆頭，第一只鉆頭進(jìn)尺114 m，機(jī)械鉆速3.0 m/h；水平段第二只鉆頭進(jìn)尺108 m，機(jī)械鉆速2.56 m/h；混合型PDC 切削齒215.9 mmJKP-6 鉆頭在水平段第三只應(yīng)用，進(jìn)尺229 m，機(jī)械鉆速3.13 m/h。該鉆頭進(jìn)尺較前兩只鉆頭進(jìn)尺（平均進(jìn)尺111 m）提高了106%，為水平段節(jié)省了一趟鉆；該鉆頭機(jī)械鉆速創(chuàng)該井水平段最高指標(biāo)，較前兩只鉆頭平均機(jī)械鉆速2.77 m/h 提高了13%。

5 結(jié)論

（1）斧式齒PDC 鉆頭能夠提高強(qiáng)研磨性地層鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速，以及強(qiáng)沖擊性地層鉆進(jìn)時(shí)的使用壽命。

（2）犀牛齒PDC 鉆頭能夠提高鉆頭在強(qiáng)塑性地層中吃入能力，提高鉆頭在該類地層中鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速。

（3）保徑奔馳齒PDC 鉆頭，加強(qiáng)近保徑和保徑部位的抗高線速度對(duì)切削齒的強(qiáng)沖擊力，提高鉆頭使用壽命。

（4）后排平面齒PDC 鉆頭，在前排齒受到一定磨損后，后排齒配合前排齒切削地層，有效提高鉆頭使用壽命。

（5）后排錐形齒PDC 鉆頭，控制鉆頭吃入深度，提高鉆頭穩(wěn)定性，前排齒以切削方式破巖，后排齒以犁式破巖。2 種碎巖機(jī)理綜合作用，提高機(jī)械鉆速和鉆頭使用壽命。