川渝X区块珍珠冲段钻头优选与应用

钟 峰 徐冰青 汪 瑶 杨 哲

（1.中国石油西南油气田公司工程与技术监督中心，四川 广汉 618300；2.中国石油西南油气田公司工程技术与监督部，四川 成都 610051）

0 引言

地层岩石可钻性是指在钻井过程中，岩石对钻头破碎岩石的相对阻抗程度，它是衡量钻头破碎岩石难易程度的标准。可钻性不仅是地层岩石特性的主要指标，而且还是影响破岩效果、制约钻井速度的主要因素［1］。川渝X 区块珍珠冲段以砾砂岩、砾页岩和纯砾岩为主，砾石硬度大，研磨性强，可钻性极差。因此，优选钻头，对缩短钻井周期、减少井下复杂、降低钻井成本都具有重要意义。

1 川渝X区块珍珠冲段钻头损害特点

钻进至珍珠冲段后会出现大量砾岩，其砾岩为石英砾，成分以石英为主（石英的摩氏硬度为7 级），砾径为1～3 mm，断口呈瓷瓦状，硅质胶结，砾间为砂质充填，致密、性硬，部分含燧石结核，具油脂光泽。在钻进过程中牙轮钻头的外排齿首先接触井底，在砾石高研磨性作用下，外排齿、巴掌保径齿、密封圈首先磨损。从川渝X 区块A1 井在珍珠冲段钻进时起出的钻头大致可以看出，外径均有所磨小，尤其是在钻入砾岩较纯的井段，最大外径磨小20～30 mm。

在钻头工作时，牙轮牙齿受到地层的反作用力造成牙轮沿轴线方向产生高频振动，使轴承腔内产生抽吸和外排作用。当密封圈损坏后，密封腔内的润滑脂流出，夹杂着各种岩屑的钻井液进入密封腔，大大降低了钻头使用寿命。夹杂着岩屑的钻井液在高压喷射状态下进入密封腔对钻头形成加倍伤害，如果不及时停止钻进，起钻会使密封圈快速减薄，最终牙轮壳体破裂造成掉牙轮事故［2］。如川渝X区块A2井在钻至井深3 188.98 m 处，扭拒增大，循环起钻，起完发现钻头2、3号牙轮壳体掉落，损失时间为53.33 h。

如果先下入钻头，巴掌磨损较早，在钻头外径磨小较多的情况下，后入井的钻头就需要长段划眼，这样后入井钻头的外排齿、巴掌保径齿、密封圈还未见进尺就已经开始磨损，甚至还未钻进就因划眼消耗1个钻头且多增加1趟起下钻［3］。

2 M钻头结构特点及珍珠冲段钻头优选

M 钻头的优点包括：①钻头寿命长，可靠性高。M钻头的牙掌轴承采用先进的全自动焊接技术，表面堆焊耐磨合金，牙轮内孔刷镀第3代高性能复合固体润滑剂，提高了轴承承载能力，复合固体润滑材料和新型合成润滑脂有效地改善了轴承工作环境，使轴承能承受高钻压。②优选齿形、齿材，确保高切削效率。M钻头根据地层岩石可钻性差异，合理匹配齿材与齿形，减小断齿，提高耐磨性，使切削齿保持持久的攻击性。③应用超硬材料和强化外排，背锥设计，防止钻头缩径。M钻头采用高密度外排齿和双排背锥布齿，可以有效地防止钻头缩径。其采用高性能金刚石复合齿作为外排齿和背锥齿，增强了钻头保径能力，延长了钻头寿命，适合于研磨性强的地层。

M钻头在外排齿中间还加密一部分球形齿，该特点非常适合珍珠冲砾石段钻进。主切屑齿为勺型齿，当其在钻压的作用下吃入尚未完全破碎的砾岩，在扭矩的作用下很容易折断牙齿形成掉齿。而加密的球形齿正好增大了外排齿与地层的接触面，使切屑齿不会吃入地层太深，减小了牙齿承受的扭矩，很好地保护了牙齿。其钻头外排或背锥镶有金刚石复合齿，可大大增强钻头保径能力。

3 现场使用效果对比

3.1 M钻头现场使用情况

川渝X区块A3井钻至井深3 205 m处，钻遇珍珠冲砾石段，选用M 钻头钻至井深3 288.6 m 处，总进尺为83.61 m，纯钻时间为110.56 h，机械钻速为0.76 m／h，共消耗M 钻头5 只，起出钻头大部分外排齿正常磨损，外径磨损小于2 mm，钻头主切削齿完好，每只钻头平均纯钻时间为22.11 h。

川渝X 区块A4 井钻至井深3 188.54 处，钻遇珍珠冲砾石段，采用M 钻头钻完砾石，钻进井段为3 188.54～3312.49 m，总进尺为123.95 m，纯钻时间为150.67 h，机械钻速为0.82 m／h，共消耗5 只钻头，起出钻头大部分外径磨损小于3 mm，主切削齿完好，每只钻头平均纯钻时间为30.13 h。

3.2 其他钻头现场使用情况

川渝X 区块A5 井砾石层钻进使用H 牙轮钻头，钻进井段为3 188.56～3 225 m。当钻进36.64 m 时，共消耗此钻头3 只，纯钻时间为36 h，机械钻速为1.01 m／h，每只钻头平均使用时间为12 h，起出钻头大部分外排齿全部磨平，外径磨小大于8 mm（图1）。

川渝X 区块A6 井砾石层钻进使用S 牙轮钻头，钻进井段为3 414.69～3 439.16 m。当钻进24.47 m时，共消耗此钻头5只，纯钻时间为39.41 h，机械钻速为0.62 m／h，每只钻头平均使用7.8 h，起出钻头大部分密封圈磨薄，牙轮壳体松动，外径磨小大于10 mm（图2）。

图1 H钻头使用情况图

图2 S钻头使用情况图

川渝X 区块A7 井钻至井深3 042.15 m 时，钻遇砾石，使用了一只K 孕镶齿钻头。该孕镶金刚石钻头冠部为中长抛物线形状；15 个刀翼均为直刀翼，采用高密度单一布齿，切削面采用13×16mm 的孕镶齿，用齿83颗；钻头中心锥部采用13×8 mm 的复合片，用齿5颗；保径结构为直保径、聚晶保径。其钻进井段为3 042.15～3 045.33 m，纯钻为6 h，进尺仅为3.18 m，起出钻头冠部齿全部磨平，保径齿完好（图3）。

图3 K钻头使用前后情况图

3.3 不同钻头使用效果对比

不同钻头使用效果对比见图4。从图4 中可以看出，M钻头与其他钻头的机械钻速差距并不大，但单只钻头的使用时间却远远大于其他钻头。这是因为，在高研磨性地层里，钻头吃入岩石的能力有限，所以机械钻速不会有太大提高，但其高密度外排齿和双排背锥布齿可防止钻头缩径。高性能金刚石复合齿作为外排齿和背锥齿，其增强钻头保径能力的特点很好地克服了在珍珠冲砾石层钻进中高研磨性地层对钻头外排齿、巴掌保径齿、密封圈等的伤害，使其工作寿命大大延长。这样增加了纯钻时间，减少了起下钻时间和划眼时间，大大缩短了钻井周期，提高了周期钻速，节约了钻井成本。M钻头与S钻头使用效果对比见表1。

图4 川渝X区块珍珠冲钻头使用效果对比图

表1 M钻头与S钻头使用效果对比表

4 结论

1）针对川渝X 区块珍珠冲砾石段高研磨性以及主要对钻头外排齿、巴掌保径齿、密封圈造成伤害较大的特点，选用具有高密度外排齿和双排背锥布齿的M钻头，对增强钻头保径有较好的效果。

2）M 钻头在川渝X 区块的合理使用，不但延长了钻头的使用寿命，而且还大大降低了掉牙轮事故的发生，减少起下钻和划眼时间，大大缩短了钻井周期，是该区块钻井提速的重要选择。

3）在定向井中使用M钻头时应适当考虑缩短其使用时间，因为在定向井中因井斜的作用钻头靠向井壁一侧，其巴掌及密封腔偏磨严重，且定向时用螺杆带牙轮钻头会影响对钻头使用情况的判断。

4）因为M 钻头应付的大多是研磨性较强的地层，在钻头到底前开大排量、轻压慢转、跑活牙轮，严禁突然加压或在某段定点划眼以免钻头早期损坏。

［1］李忠慧，张春阳，楼一珊，等.钻头优选新方法及其应用［J］.天然气工业，2008，28（12）：54-56.

［2］陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术［M］.北京：中国石油大学出版社，2006.

［3］蒋希文.钻井事故与复杂问题［M］.北京：石油工业出版社，2006.