1、大港油田深硬地層水平井PDC鉆頭研究與應用 周洪林1 李玉寧2 劉秋明1 宋輝1 姚崇華1（1中國石油渤海鉆探定向井分公司、2渤海鉆探工程技術研究院）摘 要 推廣應用PDC鉆頭是鉆井提高機械鉆速的重要技術手段，本文對定向鉆井過程中如何正確選擇與使用PDC鉆頭，以及使用中存在的問題進行了探討，針對大港油田深層沙河街以下，因其孔隙度低、巖性致密、可鉆性差及硬地層井下高溫對造斜的不利影響，應用新型PDC鉆頭提高定向工具穩定性進行分析研究。關健詞 PDC鉆頭； 高溫 ；水平井； 工具面 ； 控制1 前言快速鉆井技術體現PDC鉆頭設計創新與定向井導向技術結合。在水平井作業施工中，造斜PDC鉆頭的工具面穩

2、定性是決定軌跡控制成敗的關鍵因素，定向造斜工具面不穩無法保持穩定的造斜率，達不到設計軌跡要求，導致定向施工的失敗；鉆井進尺的快慢與所選鉆頭型號和所鉆進地層的巖性是否匹配及造斜工具外形、功率有關聯。選擇正確PDC鉆頭類型，不僅可以明顯提高鉆井的機械鉆速，同時也可以減小井下事故的發生，達到高速、低成本、安全鉆井的目的。2 PDC鉆頭的發展狀況90年代前國內水平井鉆井采用牙輪鉆頭造斜，其壽命受螺桿鉆具高轉速影響，使用時間達不到轉盤鉆井正常時間的一半。牙輪鉆頭受地層巖性、溫度、井眼曲率等諸多因素的影響，造成定向過程中牙輪落井事故頻發，其內在因素是高溫作用下牙輪軸承潤滑失效。馬達高轉速產生高溫度，硬地層

3、鉆進為提高鉆速需加相對大鉆壓，地層反作用力使馬達反扭矩不斷增加，當超過其額定值后會導致馬達失速、泵壓上升、鉆具反轉；同時，在旋轉過程中由于彎殼體鉆具與井眼軸線非同軸心，產生橫向縱向的跳動，使鉆頭產生較大沖擊動能影響了鉆頭的壽命，特別是高于150°井下高溫，如采用馬達定向，由于高溫會導致鉆頭軸承的提前失效，大港油田在鉆千米橋潛山奧陶系水平井中（高溫）、采用國內定向牙輪鉆頭的安全使用時間只有20小時就是因這些不利因素所致。PDC鉆頭在砂泥巖地層機械鉆速高、鉆頭工作壽命長、耐高溫能力強于牙輪鉆頭，更適合定向井、水平井施工。我國在如何提高PDC鉆頭性能指標，優選PDC鉆頭設計開展了工作，隨著

4、計算機技術在設計中的成功應用，低速高功率的馬達應用，PDC鉆頭顯示出它的優勢。2000年后定向鉆井技術不斷的發展，造斜鉆頭從平底、直刀翼外型、轉換成短保徑（增加側向力）、螺旋刀翼（防反轉）、適合定向的PDC鉆頭不斷推出。最新方向盤式定向鉆頭的應用，解決了在硬地層超深井眼工具面的控制問題，提高了滑動效率。通過對內、外錐的錐面高度及弧度長短，牙齒俯角、側角度設計，切屑齒材料更新及采用計算機對切屑齒平衡排列、高效的泄流槽設計，解決了定向造斜低效率的問題。3 PDC鉆頭在定向中的問題3.1 12-1/4井眼造斜工具面擺放困難大港油田千米橋古潛山水平井定向造斜點設計在3800m左右,地層為古生界,定向井

5、眼為311.1mm井眼, 如千18-19H由于PDC鉆頭的選型不當問題,初始造斜困難，此井造斜第一只鉆頭選用MD3641Z六刀翼13mm單排布齒短保徑不對稱刀翼設計的定向PDC鉆頭?？紤]設計造斜率2.7°/30m較低，馬達角度調為1.15°，定向施工中工具面無法控制亂轉，鉆至3706m3756m測斜數據表明造斜失敗，起鉆前井斜不到1°，考慮剖面符合率下入牙輪鉆頭鉆進20m井斜角達3°因鉆頭壽命到起鉆。3.2 鉆頭提前磨損千16-16H第六趟新鉆頭下入，此井深地層為中生界巖性紅色泥巖，下入MD3641Z鉆頭新度100%，自井深4069m4104m，鉆進進尺

6、55m，鉆速1.05 m/h，純鉆9.04小時后連續擺工具面超過4小時無法到位，起鉆發現PDC磨損嚴重（圖1）。3.3 堵水眼造成鉆頭失效圖1千16-16 PDC磨損 圖2千18-19鉆頭水眼堵千18-19 H下入FM3643Z鉆頭由4875m鉆到4936m時，由于奧陶系地層高溫（井下靜止溫度超過175）導致馬達脫膠，振動篩返出大塊膠皮，繼續鉆井至4945m，鉆時快速下降無進尺,起出后發現兩個12.7mm水眼填滿膠皮鉆頭報廢，本趟鉆純鉆時間為14.02h（圖2）。4 12-1/4井眼鉆進問題分析4.1 PDC鉆頭選型不適合定向造斜（1）鉆頭剖面選型不合適、造成定向加壓時鉆頭發生回旋。針對不同的

7、鉆井需要、應采用不同的鉆頭型號，直井段用鉆垂直井眼的鉆頭，如選用長保徑鉆頭對穩斜有利。對于初使造斜的PDC鉆頭，剖面的選擇首要解決工具面的穩定性，而淺內錐短外錐的鉆頭能夠解決這一問題（圖3）。合理的內錐、鼻部、側面、屑部決定初使定向造斜成功率。（2）牙齒尺寸及分布沒有與地層匹配合理。內錐非混合布齒，牙齒的俯斜角較小。控制好牙齒的俯角需根據不同的地層軟、硬強度確定合理的角度，正常軟地層角度小一些，硬及研磨性強的地層設計大一些的俯角，控制其吃入地層的深度，防止馬達失速。（3）鉆頭流道設計不適合定向鉆井。高效泄流槽設計是加快鉆進速度的重要因素，只有在鉆進過程中高速的清理井下的巖屑，才可能減少其堆積造

8、成的所謂的托壓，泥包。合理的水眼數量及位置設計，及流道水力學設計是最好的解決方案。（4）鉆頭刀翼的數量與地層匹配。多刀翼可增加鉆頭的穩定性，所以此類鉆頭是硬地層定向造斜首選，但是更多的刀翼由于相對泄流面積較小，泥包的風險相對大，所以對于易泥包地層可鉆性好地層，在滿足定向需要前提下可減少刀翼。（5）鉆頭冠部齒數量不足，切屑齒數量少，無法平衡地層反扭矩。造成鉆頭回旋無法擺住工具面（圖4）。（6）灰巖、鈣質泥巖、火成巖無減震齒設計，專業的減震設計可以平衡在井底產生的徑向震動載荷，使鉆頭在井下工作更加平穩，防止鉆頭出現PDC齒先期破壞，同時防止鉆頭修邊齒與保徑齒吃入地層，引起鉆頭發生回旋，圖6為有減震

9、齒的PDC鉆頭。圖3 不適合定向PDC鉆頭（12-1/4） 圖4 方向盤式定向PDC鉆頭（12-1/4） 4.2 工具面擺放困難分析（1）PDC切屑齒無法均勻吃入地層。PDC鉆頭冠部剖面對地層沖擊力太大造成反扭力，加之刀翼螺旋保徑導角不合理也易造成反扭力。常規做法是硬地層的角度要大一些，也就是說增加鼻部與外錐面積與地層更多的接觸，否則由于接觸面積小，將造成某一個爬坡刀翼過深切入地層，而產生瞬時間上的滯動，鉆頭產生動載，而其它刀翼還沒完全切入，鉆頭在井下打滑，使工具面不穩定。（2）PDC切屑齒直徑大。如硬地層采用19mm牙齒造成吃入巖性太深地層反扭矩大，另一方面外錐剖面角度不應太急否則鉆頭沖擊力

10、大，造成過載，工具面亂動，理想的PDC在外錐上應多布齒，由于鉆頭磨損主要在外錐上，應選中弧度的剖面其與地層接觸適中，減少鉆頭沖擊力。（3）PDC鉆頭沒選用淺內錐、螺旋刀翼、螺旋保徑PDC鉆頭。因為此剖面增加了牙齒切入地層接觸面積，螺旋刀翼設計技術可以避免與井壁和直接碰撞接觸。采用螺旋刀翼與螺旋保徑設計的鉆頭以更加平穩的方式切削地層，鉆頭保徑段與井壁的接觸也更加平緩。（4）泥漿性能差，固相含量高于7%井眼潤滑性能差摩阻高，不能支持定向鉆具在小鉆壓下工作和實鉆中出現擺不上工具面等情況。（5）保持合理的剛性防止鉆具彎曲，使鉆頭無法接觸井底而無進尺。如馬達本體穩定器尺寸過足影響鉆頭有效的進尺，井斜超過

11、70°時鉆具躺在下井壁，穩定器過小的環空間隙影響井筒巖屑的上返，產生較大的摩擦阻力。（6）選擇高扭矩、高鉆速的馬達。如8-1/2井眼擺工具面相對容易,一方面是接觸面積小，地層產生的扭矩?。涣硪环矫媸窍鄬π〕叽绲鸟R達(6-3/4)馬達鉆速達180rpm200rpm以上,高鉆速小鉆壓更適合PDC鉆頭。而12-1/4井眼在大港油田硬地層不易擺工具的原因,不考慮穩定器外形產摩阻，是因為使用的馬達（9-5/8）轉速只有80rpm110rpm之間，沒有產生高轉速，馬達轉動形成的井眼高部位的高速流區攜帶巖屑能力不如高轉速馬達，造成此井眼清潔較差、機械鉆速低,司鉆為加快鉆進只有增加鉆壓,則地層反扭矩

12、增大，當大于馬達產生的額定扭矩時，馬達反轉工具面亂跑。（7）鉆頭泄流槽截流面積小，無引導槽道，破碎巖屑不能按一定方向引導快速脫離鉆頭第一時間破碎的巖屑，上返不及時會在鉆頭及馬達穩定器低邊沉積，鉆頭、鉆具重復碾壓，造成泥包影響鉆頭切屑能力。4.3 定向鉆具對PDC鉆頭的影響（1）馬達脫膠造成水眼堵。泥漿無法冷卻PDC鉆頭齒在短時間造成局部高溫，當井下溫度超過350時，PDC碳化鎢快速磨損失效，造成PDC晶片損壞，直接造成鉆頭無進尺；同時，不規則的定子橡膠在高溫高壓下脫落堵水眼，泵壓上升要及時處理。防止局部的水力循環短路，造成高溫損壞鉆頭。（2）鉆具剛性不合理。造斜鉆具盡可以減少剛度，防止穩定器及

13、剛性結構掛井壁及托壓的發生。對于目前的馬達尤其12-1/4井眼的9-5/8馬達為重復使用，所以馬達前端多為可換套滑套其最大外徑達至293mm與井眼間隙只有9mm，對在硬地層施工的水平井十分不利，這種結構的馬達只適合上部軟地層及常規定向井。由于了馬達彎殼前剛性較大，相對泄流面積較小，相對返速較高，與上部環空形成一個渦流，影響前部巖屑的快速帶出，造成沉積，影響鉆進速度，而進一步造成PDC鉆頭對這些巖屑的重復破碎，易造成鉆頭與穩定器泥包。（3）定向鉆具剛性及穩定器數量影響。馬達穩定器本體幾何形狀是影響鉆頭造斜因素之一，穩定器倒角，及泄流面積的大小，穩定塊棱邊的幾何形狀，影響機械鉆速及增降斜效率。井眼

14、井斜超過70°以后，下部剛性鉆具軸向上受壓，不在受拉，向下傳送的鉆壓在此井段，而被分解成平行的較小的推力，大部分的力分解在下井壁之間，如導角大于30°，穩定器的臺肩相對陡，此穩定器在馬達彎曲力作用下，吃入一部分下井壁形成一個死角楔形，要想克服它只有加大鉆壓，當超過臨界摩阻力后，快速釋放的鉆壓對于螺桿鉆具將產生制動。圖5千18-19實鉆軌跡的鉆頭跳動 圖6千18-19設計軌跡的鉆頭跳動（4）馬達彎角大，實鉆井眼曲率超標。高的導向馬達角度將在井段中產生很大的狗腿角，連續的曲率將使井眼側向力增大，對下部鉆具產生偏磨，在滑動過程中側向力加劇了外錐牙齒的偏磨；在旋轉鉆井中，大角度馬達

15、彎殼體產生剎車帶作用，鉆具在旋轉中會產生某一時間的滯動，帶來轉盤扭矩的大幅變動，并產生劇烈震動，不穩定動載影響了鉆頭的壽命。圖5實鉆井眼鉆頭轉盤鉆速為80rpm井時鉆頭動載，由于井眼狗腿控制差造成縱向最高跳動為50mm，橫向跳動15mm，圖6為設計平滑剖面的縱、橫移動情況縱向最高值只為6mm，橫向移動為7mm。4.4 定向施工不合理操作對PDC影響（1）不合理擺放工具面方法對鉆頭的損害。大鉆壓憋鉆具硬擺工具面，造成PDC鉆頭頻繁反轉，馬達蹩泵，高速的回旋使PDC鉆頭磨禿，是長時間擺不上工具面原因之一。（2）長時間小排量鉆進，增加井下高溫造成鉆頭無法有效的冷卻。實踐證明，合理的排量在深井中可以降

16、低溫度30°左右，而小井眼6施工中10 l/s12 l/s排量只能降溫710有，因此保證足夠的排量PDC鉆頭才可以確保達到或接近設計壽命。（3）不合理的劃眼方式損壞鉆頭牙齒。PDC鉆頭劃眼必需開泵，保證足夠的排量冷卻鉆頭，并能降低鉆頭表面的溫度，而大幅的上下滑動井眼，由于彎馬達的軸線上偏移如常規172mm馬達1.5°的彎殼體將有22mm偏移量，此時鉆頭外錐齒吃入地層，上下快速的運動產生大量的熱量，如此時加壓將使馬達產生彎曲，PDC齒吃入地層更深，硬地層與PDC齒間產生高熱，PDC牙齒有關數據表明當溫度超過350°時其將加速損壞，由于側向牙齒吃入地層深、泥漿不能有效

17、的對其冷卻，鉆頭齒達到臨界溫度牙齒損壞，這是大段劃眼，沒有及時開泵，鉆頭外錐齒磨禿的主要原因之一。5 PDC鉆頭優選應用對于大港油田東部地區奧陶、中生界、沙河街地層，在12-1/4井眼水平井及定向井作業，過去因PDC鉆頭選型不當擺工具面困難，實鉆滑動造斜時工具面360°轉圈的變化無法穩定，雖然控制鉆時，多方努力無效而起鉆換牙輪鉆頭，造成機械鉆速緩慢鉆井無法提速。為解決上述實鉆中發生的問題，通過與PDC鉆頭廠家合作、優選PDC鉆頭切屑齒、優化內外錐剖面、刀翼數量及角度目前取得了較好的效果。實鉆中總結出大港油田硬地層造斜鉆頭應選用小齒(13mm、16mm)、多刀翼（67）、螺旋短保徑（角

18、度大于30°）、混合布齒（相差35mm）、高效泄流通道的鉆頭，這樣可以在造斜初期為快速定向獲得一個穩定的工具面，以提高造斜速度。另外，在實鉆中發現，馬達穩定器剛性及其外形也決定了PDC鉆頭、能否實現初始造斜成功的關鍵，對于可換套穩定器盡可能不使用，由于它的過流截面積小在水平井眼中巖屑難以順利返出、造成托壓，可以通過優化為固定設計的小導角直棱穩定器加以解決。圖7 中7-72H井定向鉆頭 圖8 千16-16H井定向鉆頭通過嘗試使用適合大港油田深硬地層水平井鉆井的DBS鉆頭，配合高效馬達（保證12-1/4排量不低于55 l/s），降低井筒摩阻，控制地層造漿，改善鉆井液流變性和提高攜巖能力防

19、止鉆頭泥包。實現了在中7-72H、港372-5H井從造斜至水平段入窗一趟鉆完成。千1819H水平井段單只鉆頭進尺達到245 m（4535m4780m），在此基礎上對千1616H 井使用的PDC鉆頭型號進行優選，增加了一個刀翼和減震齒，創出了在奧陶系地層單只鉆頭一趟鉆完成590m（4492m5082m）水平井段的油田記錄，如圖7、圖8。 表1 DBS抗高溫高效定向鉆頭在大港水平井實鉆參數井號 鉆頭地層進尺(m)井眼尺寸(mm)純鉆時間(h)機械鉆速(m/h)刀翼數據剖面類型牙齒尺寸(mm)溫度()中7-72HFM3643z沙河街22103147311.11954.863137080港372-5HFM3643z沙河街23742941311.11125.163137080千18-19HFM3643z奧陶45354780215.9485.16313170180千16-16HFMH3743R奧陶44925082215.91025.573131601706 結論選