孕镶金刚石钻头配合螺杆钻具在乌参1井应用

吴仲华，温林荣，丁世清，何育光，赵哲龙，付晓颖

(1.胜利石油工程公司 钻井工艺研究院，山东 东营 257017；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070)



孕镶金刚石钻头配合螺杆钻具在乌参1井应用

吴仲华1，温林荣1，丁世清1，何育光1，赵哲龙2，付晓颖2

(1.胜利石油工程公司 钻井工艺研究院，山东 东营 257017；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070)

随着国内外深井、超深井钻井数量逐年增加，常规牙轮钻头和PDC钻头采用常规钻井方式在可钻性差的研磨性地层中已无法获得令人满意的技术经济指标。目前，孕镶金刚石钻头配合高速涡轮钻具钻该地层取得了一定的技术效果，但是该技术钻井成本高，涡轮钻具压差大对钻井设备要求高。研究的孕镶金刚石钻头配合螺杆钻具钻井模式应用于乌参1井的火成岩地层钻井，取得了降低钻具压差和钻井成本的技术经济效果，并对现场应用进行了分析研究，为今后孕镶金刚石钻头研制和技术推广应用给出建议。

孕镶金刚石钻头；火成岩；可钻性；应用

国内四川须家河、新疆准噶尔盆地的油藏属于火成岩地层，东北吉林营城组以下属于火成岩和砂泥岩地层，具有强研磨性，都需要采用孕镶金刚石钻头钻进才能取得比较好的钻井效率。自2009年以来，国外的孕镶钻头配合高速涡轮技术已经在国内一些油田获得了成功应用[1-6]，但是成本高、压耗大，多数井仍然采用牙轮或PDC钻头钻进，致使作业进度慢、周期长、作业效率很低。为适应现场需求，突破国外的技术垄断，降低钻井成本，提高国内深井、超深井综合技术水平，近几年，国内多个单位在致力于孕镶金刚石钻头的研制，但与国外水平均存在不同程度的差距。胜利石油工程公司钻井工艺研究院于2003年研制出孕镶金刚石取心钻头，在大陆科钻1井变质岩地层中的机械钻速达到了1.6 m/h；2006年，研制出常规全面钻进用孕镶金刚石钻头，在四川大邑1井须家河地层进行了4次试验，达到了预期效果，但存在钻头心部掏空问题；2011年，研制的YK216型孕镶金刚石钻头配合中高速螺杆钻具首次在乌参1井应用，取得了较好的技术和经济效果，证明该技术在硬度高、研磨性强、可钻性差的火成岩地层中具有适用性。

1　乌参1井基本情况

乌参1井是中石化部署在新疆维吾尔自治区阿勒泰地区福海县境内的1口重点探井，由塔里木胜利钻井公司70162钻井部承钻，设计井深7 000 m，目的层为石炭系，钻探目的包括：建立乌伦古地区地层层序；揭示其烃源岩发育特征；了解各层系储层发育特征及含油气性；通过VSP验证地震波阻地质属性；为深化研究乌伦古地区成藏条件及勘探开发提供基础资料。其中，四开累计进尺1 290 m，用时161 d，日均进尺8.01 m/d。四开215.9 mm井眼所钻地层为石炭系巴塔玛依内山组，除上部有少量凝灰质泥岩、凝灰质砂岩、火山角砾岩和细砾岩外，以下均为大段连续的巨厚凝灰岩。四开后共下入钻头44只，其中取心钻头2只，完成进尺9.35 m；通井钻头7只，完成进尺1 m；正常全面钻进钻头35只，其中国产牙轮32只，合资企业产PDC钻头2只，国外进口牙轮1只，统计钻头数据如表1。

表1　各厂家钻头钻进数据

从表1可以看出，四开以来，35只钻头的累计进尺只有1 279.65 m，平均单只进尺仅为36.56 m，平均机械钻速也只有0.70 m/h。四开岩心如图1，钻头磨损严重程度如图2。

图1　四开岩心照片

a　PDC钻头

b　牙轮钻头

2　孕镶钻头与中高速螺杆钻具特点

2.1孕镶金刚石钻头

结合孕镶钻头在川西地区的应用情况，依据乌参1井石炭系地层特点，该钻头采用刀翼加圆柱形孕镶齿相结合的复合切削结构(如图3)。

a　端部

b　外形

其技术特点：

1)圆柱形孕镶齿与刀翼式孕镶体相结合，综合了PDC钻头和孕镶钻头两者的技术优势，增加了钻头对地层的适应性，不仅具有金刚石钻头的性能特点，而且可以在硬地层中钻遇相对软的岩层时发挥PDC钻头的切削作用。

2)钻头主刀翼在钻头心部搭接相连，中间布置高性能PDC复合片，加强了钻头心部的切削能力，防止钻头心部过早掏空。

3)采用水眼加辐射式流道相结合的水力结构，在钻头心部以水眼代替常规的水槽，增加了钻头心部的强度；辐射式水道的过流方式，使钻头冠部得到有效的冷却和清洗。

4)钻头保径同样采用孕镶金刚石条，确保了钻头在研磨性硬地层中的保径性能。

5)针对该井火成岩地层岩性，尤其是石英含量(根据对该井该地层岩心与岩样的分析，石英含量约为47%)，通过试验合理确定金刚石颗粒的品级、粒度、浓度以及胎体的强度、硬度等。

2.2中高速动力钻具

孕镶金刚石钻头的切削机理主要靠研磨与犁削，其工作原理类似于砂轮，因此，它更适合于高转速、小钻压。由于国外涡轮钻具的价格昂贵，工具压耗高，提速不提效，该井配套使用国产中高速螺杆钻具，主要技术参数如表2。

表2　中高速螺杆钻具技术参数

3　乌参1井施工方案

3.1施工难点

1)作业深度达到5 640 m，井底温度超过150 ℃，对井下动力钻具性能要求高。

2)最大井斜14.22°，垂直投影成“弓”形，停泵非旋转摩阻达200 kN，不利于钻压传递与井下工况判断。

3)地层异常致密、坚硬且具有相当高的研磨性与极差的可钻性。

4)由于井况限制，不能下入随钻打捞杯、减震器和扶正器，对钻头的工作稳定性不利。

3.2技术方案

该井前期使用PDC钻头，均出现下钻困难和长时间、长井段划眼问题，其中四开第28只钻头(型号为FMH3843ZR)下钻至5 123 m遇阻，划眼过程中多次蹩停顶驱，划眼至5 141 m，考虑钻头磨损较为严重后起钻。起出发现PDC钻头的外排牙齿全部崩断，内排齿完好，刀翼有崩缺，PDC钻头报废。考虑孕镶钻头的冠部形状类似于PDC钻头，可能会出现类似的技术难题，如果按已有方案配合涡轮钻具钻进，其较长的多稳定器结构设计和“软特性”非常不利于划眼作业。此外，涡轮钻具自身压降(6.5 MPa)比螺杆钻具自身压降(4.8 MPa)高1.7 MPa，立管压力接近25 MPa。所以根据该井实际工况和上述作业难点，采用中高速螺杆钻具配合孕镶钻头钻进方案。

4　施工过程

4.1井眼准备

4.2钻进情况

钻具组合：YK216孕镶钻头+ø172 mm高速螺杆+随钻测斜仪+158.75 mm无磁钻铤×1根+158.75 mm钻铤×9根+ø158 mm随钻震击器+158.75 mm钻铤×3根+加重钻杆×2柱+钻杆(加装10只防磨接头)。

钻井液体系为聚磺防塌水基泥浆，主要性能参数为：密度1.35 g/cm3、黏度92 s、塑性黏度43 mPa·s、切力8/23、固相含量12%、含砂量0.3%、pH值10。

泥浆性能优良，可满足作业要求。

井口配钻具、试验螺杆钻具工作正常(如图4)。由于进行了PDC钻头通井，整个下钻过程非常顺利，然后循环、冲洗井底、排稠浆，初始加压10～30 kN完成钻头井底造型，偶有轻微蹩跳。造型结束后，进入正常钻进阶段，钻压最终优化到80～100 kN，顶驱转速40 r/min，钻头转速为300～330 r/min，排量24 L/s，泵压维持在23 MPa。连续正常钻进至5 640 m后出现加钻压100 kN后蹩泵，上提钻具，各项参数正常，再次接触井底后小钻压钻进时泵压正常，加压钻进再次出现蹩泵现象(其间转矩与泵压波动情况如图5)，遂决定循环3 h后起钻。

图4　钻头入井

图5　综合录井仪记录下的转矩与泵压(中间栏)曲线

4.3钻进效果

钻进井段5 576～5 640 m，进尺64 m，纯钻时间74 h，平均机械钻速0.86 m/h，取得了多项令人满意的技术经济指标。YK216型孕镶钻头的纯钻时间、单只进尺和机械钻速比四开其他35只钻头分别提高41.17%、74.34%和22.86%，如表2。YK216型孕镶钻头单只进尺是国产牙轮平均水平的1.74倍；是合资企业PDC平均进尺的4.75倍。创自四开以来22 m/d的最高日进尺记录，为以前平均日进尺8.01 m/d的2.75倍。

此外，中高速动力钻具配合孕镶钻头钻井，低钻压、高转速，这有利于井斜控制，起钻多点测斜数据表明，本趟钻将井斜从5 567 m的4.05°降到了5 628 m的3.14°(仪器距井底12 m)，防斜打直效果明显。

4.4孕镶金刚石钻头磨损分析

钻头(如图6)出井后，经测量与外观观察，情况如下：

1)孕镶块未出现掉块、脱层、金刚石脱落，钻头保径尺寸和入井前一致，钻头制造工艺可靠。

2)从孕镶金刚石层的磨损情况来看，切削部位的最大磨损量为44%，最小磨损量为20%，表明金刚石的品质、粒度和胎体配方适合该井作业地层。

3)钻头心部两颗PDC片脱落，导致心部出现高12 mm、直径30 mm的掏空。说明心部结构仍需改进，心部强度仍需强化。

4)钻头上部胎体保径出现掉块，分析原因是由于胎体具有耐磨及硬脆特性，从断口较新来看，可能起钻过程中被井壁碰撞所致，应该从设计上适当增加保径条的宽度。

a　端部

b　外形

5　结论

1)YK216型孕镶钻头配合中高速螺杆钻具在乌参1井的纯钻时间、单只进尺和机械钻速比该井四开井段使用的35只钻头的平均值分别提高41.17%、74.34%和22.86%。为解决新疆准噶尔盆地石炭系硬度极高、研磨性极强、可钻性极差的凝灰岩地层钻井提速问题提供了一种新的思路和方法。

2)钻头心部结构需要进一步改进，同时需要加强钻头针对地层的个性化技术研究。

3)建议国内尽快开展低压耗高速涡轮或高速螺杆的研制工作，解决制约国产孕镶金刚石钻头发展的瓶颈问题。

[1]卢芬芳，徐昉，申守庆.史密斯Neyrfor公司的新型涡轮钻具技术[J].石油钻探技术，2005(1)：65-65.

[2]曹立明，常晓峰，孟祥卿.涡轮钻具及孕镶钻头在元坝124井的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011(10)：31-32.

[3]成海，郑卫建，夏彬，等.国内外涡轮钻具钻井技术及其发展趋势[J].石油矿场机械，2008，37(4)：28-31.

[4]符彦惟，冯进.涡轮钻井技术与新型涡轮钻具的产业化[J].石油矿场机械，2001，30(2)：1-5.

[5]杨顺辉，武好杰，牛成成，等.特种孕镶块加强PDC钻头的研制与试验[J].石油钻探技术，2014，42(6)：111-114.

[6]董明键，肖新磊，边培明.复合钻井技术在元坝地区陆相地层中的应用[J].石油钻探技术，2010，38(4)：38-40.

Application of Diamond Impregnated Bit with Downhole Positive Displacement Drill Motor in Well Wucan 1

WU Zhonghua1，WEN Linrong1，DING Shiqing1，HE Yuguang1，ZHAO Zhelong2，FU Xiaoying2

(1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Engineering Co.，Dongying 257017，China；2.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)

With the increasing of the deep and ultra-deep well drilling year by year at home and abroad，the conventional drilling mode with tri-cone bits and PDC bits has been unable to obtain satisfactory technical and economic indicators in drilling of abrasive formations.At present，the impregnated diamond bit matched with the high speed turbine drill has obtained certain technical effect，but the cost of drilling and pressure difference of the turbine drill for the drilling equipment are high.In this paper，the drilling mode was studied with the impregnated diamond bit matched with downhole positive displacement drill motor which was successfully applied on the well Wucan1 to drill igneous rock formation.The drilling pressure difference and cost of drilling were reduced，so the drilling technology and economy effect are perfect.For the future of diamond impregnated drill bit development and technology application，the corresponding conclusion and suggestion were gave by analyzing and studying of the field application.

diamond impregnated bit；igneous rock；drillability；application

1001-3482(2016)05-0083-05

2015-10-18

吴仲华(1972-)，男，山东临沭人，高级工程师，现从事石油钻完井工具及装备的研发及管理工作，E-mail：philipwzh@126.com。

TE921.107

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.019