刀翼式孕镶金刚石钻头设计及在哈山101 井的应用

2019-10-30张进双张增宝王学才

石油钻探技术 2019年5期

张进双，张增宝，王学才

（1. 中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2. 中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心，山东东营 257000；3. 中石化胜利石油工程有限公司塔里木分公司，山东东营 257000）

准噶尔盆地哈山区块二叠系—石炭系火成岩发育[1]，分布广、厚度大，岩石硬度高、研磨性强、可钻性差，钻井过程中井眼失稳、地层漏失、蹩跳钻、断钻具和卡钻等井下故障频发，难以实现安全高效钻进[2]。国外Smith 公司针对强研磨性硬地层钻井提速技术难题，研发了孕镶金刚石钻头和高速涡轮钻具，但孕镶金刚石钻头采用长保径设计，仅适用于井壁稳定地层；高速涡轮钻具掉块卡钻风险高，处理困难。国内前期进行了多种钻井提速技术探索，哈山3 井上部地层采用“PDC 钻头+扭冲钻具”和VTK 垂直钻井技术，取得了良好的提速效果，但进入火山岩地层后钻头进尺变短、机械钻速变慢；空气钻井技术提速效果良好，但地层出水使其应用受限（哈山201 井地层出水量达到了33 m3/h）；哈深2 井在应用自激振荡式旋冲工具钻进火山岩地层时蹩跳钻严重，钻速不足0.25 m/h[3-5]。为此，笔者针对哈山区块火山岩地层特征和钻井技术难点，对孕镶金刚石钻头的刀翼结构和水力流道进行了优化设计，采用了新型预合金胎体合金材料，优选高品质抗磨天然金刚石晶体，通过大量试验获得了钻头最佳烧结温度，设计了刀翼式孕镶金刚石钻头，并与大扭矩高速螺杆钻具配合在哈山101 井进行了应用，机械钻速和钻头进尺大幅提高，实现了火山岩地层提速技术的突破。

1 地质特征和钻井难点

1.1 地质特征

哈山区块位于准噶尔盆地西部隆起哈山山前构造带前缘冲断带，南邻玛湖凹陷，北部以达尔布特断裂为界与和什托洛盖盆地相接，有利勘探面积约1 000 km2，邻区发现了百口泉、乌尔禾、风城和夏子街等4 个油田，具有较好的油气地质条件。该地区地表出露石炭系、二叠系和白垩系地层，其余被第四纪地层覆盖。石炭系地层火山岩发育，厚度达2 000.00 m 以上，上部风城组主要为灰色、深灰色泥岩，夹凝灰质砂岩、白云质泥岩，下部佳木河组主要为深灰色、灰色火山角砾岩和深灰色火山岩。随着井深增加，地层岩石抗压强度升高，哈山区块岩石力学试验结果表明，上部地层岩石单轴抗压强度158.44～288.79 MPa，硬度1 647～2 307 MPa，深部火山岩地层围压60 MPa 条件下的抗压强度达530.6 MPa（见表1），岩石可钻性级值普遍在10 以上。

表 1 哈山区块岩石力学试验结果Table 1 Test results of the mechanical performance of coring rock in Hashan Block

1.2 钻井技术难点

钻进不同岩性地层时的钻速差异很大，哈山区块上部凝灰岩地层可钻性好、钻速较快，玄武岩地层次之。该区块地层岩心力学试验结果发现，下部地层岩石强度高、可钻性差，围压条件下岩心的抗压强度甚至高于川东北地区须家河组二段地层，其中火山岩地层岩石硬度高、研磨性强，破岩难度极大，钻井提速面临巨大挑战。

1）下部地层强度高，PDC 钻头易崩齿和断齿；牙轮钻头进尺少、机械钻速低，起下钻频繁[6]。哈深2 井完钻井深5 238.26 m，共使用钻头162 只，平均机械钻速仅0.73 m/h（见表2）。哈山101 井上部井段气体钻井发生燃爆后转换为常规钻井，平均单只牙轮钻头进尺10.72 m，纯钻时间30.86 h，机械钻速0.35 m/h，掉齿磨损严重（见图1）。

表 2 哈山区块部分完钻井的钻井技术指标Table 2 Drilling technical indicators of some drilled wells in the Hashan Block

2）哈山区块受地壳运动和造山运动影响，区域构造地应力异常，钻井过程中易发生井眼失稳、剥落掉块等井下故障，卡钻风险高。哈深2 井采用“常规孕镶金刚石钻头+高速螺杆钻具”复合钻进时发生卡钻事故，采取多种解卡措施无法解卡，被迫提前完钻。哈山101 井钻进过程中扭矩波动幅度大，钻井泵时有憋压（压力增幅约1.0 MPa），振动筛始终有掉块返出（见图2）。

图 1 哈山101 井火山岩地层牙轮钻头出井形貌Fig. 1 POOH morphology of roller bit after drilling in the volcanic rock formation of Well Hashan101

图 2 哈山101 井稠浆携岩返出掉块Fig. 2 Caving returns carried out by viscous mud of Well Hashan101

2 刀翼式孕镶金刚石钻头设计

孕镶金刚石钻头是一种自锐性钻头，以微剪切和研磨联合作用方式破碎岩石，用于钻进致密难钻地层和强研磨性软硬交错地层，是强研磨性、高抗压强度和高温地层提速的有效工具。不同火山岩地层岩性和物理力学性质差别大，钻头结构、地层岩性变化、岩石特性直接影响钻头的使用寿命和钻进速度[7-8]，通过优化钻头结构、胎体性能、烧结工艺和水力流场，可以提高孕镶金刚石钻头的性能[9]。针对常规孕镶金刚石钻头易发生阻卡、中心易磨损及本体强度不足等问题，在总结前期现场应用经验的基础上，根据哈山区块火山岩地层特征，进行了特种孕镶金刚石钻头结构和水力流道防卡优化设计，研发了新型胎体合金材料和切削齿，在此基础上设计了刀翼式孕镶金刚石钻头。

2.1 钻头结构及水力流道优化

前期针对高研磨性砂砾岩地层钻井提速难题，综合考虑钻头寿命、钻井效率及配套使用高速螺杆钻具，增大了钻头保径长度，以提高其工作稳定性；钻头设计为双锥形15 刀翼结构，切削齿在井底平衡均布，以增大岩石接触面积（见图3（a））。

为了能够适应哈山区块火山岩地层抗压强度高、胶结致密、井壁易剥落掉块的特点，并满足提高机械钻速、延长钻头使用寿命和防卡的要求，对刀翼式孕镶金刚石钻头进行了以下改进：1）刀翼数量减少为9 个（见图3（b）），刀翼间宽度设计超过2.5 cm；2）进一步强化保径部分的防卡设计，优化水力流道，将2 个刀翼合并为1 个，形成宽刀翼排屑槽（有3 个比较大的水路从井底连通到外保径），配合斜倾角弯流道设计，掉落岩块落入排泄槽可受到向上的推力，从而防止钻头被卡死；3）钻头保径部位布设倒划眼切削齿，使钻头在划眼作业时具有一定的切削能力。

图 3 刀翼式孕镶金刚石钻头改进前后的结构对比Fig. 3 Structural comparison of the blade-type impregnated diamond drill bit before and after improvement

2.2 新型预合金钻头胎体材料的研发

胎体预合金超细粉末材料要求能牢固地烧结，不同材料微观表面上的原子要相互作用成键，成键能力越强，烧结越牢固。浸渍合金的选择遵循以下原则：1）结构对应原则，即合金表面上原子分布有一定对应关系，各有2 个或3 个未成对电子；2）共价成键原理，不同合金未成对电子互相配对形成结构稳定的共价键；3）低熔点原则，即在烧结过程中熔融态的浸渍合金保留有序结构，与金刚石晶面充分接触并实现化学冶金结合，同时所选择的浸渍合金在烧结时对金刚石的浸蚀作用尽量小。

通过多次钻头烧结试验，获得了新型预合金胎体材料的最佳烧结温度，此时金刚石与胎体粉末不发生化学反应，胎体中的金刚石石墨化程度小，依然呈黄亮色（见图4（a）），钻进时金刚石颗粒能够保持良好的切削性能。由预合金粉末扫描电镜图（见图4（b））可以看出，粉末颗粒中包孕了预合金粉末的多种金属材料，胎体中各元素分布均匀、合金化程度高，未出现粉末元素机械混合偏析现象，胎体的力学性能得到了很大改善，强度提高30%～50%。

图 4 金刚石钻头晶体形貌和胎体粉末扫描电镜图Fig. 4 Crystal morphology of diamond bit and scanning electron micrograph of matrix powder

2.3 钻头整体设计

为了提高刀翼式孕镶金刚石钻头的综合性能，对其进行了整体设计。针对哈山区块火山岩的强研磨特性，增大了金刚石颗粒含量和工作层厚度，以提高钻头进尺、延长使用寿命。胎体上二次镶焊切削齿，设计为“表镶层+孕镶层”，表层为天然金刚石颗粒，内层为胎体中添加高品级人造金刚石单晶的孕镶层。表层天然金刚石消耗完后，孕镶层胎体可继续工作，增大钻头进尺。钻头中心线速度比较低、耐磨性差，利用复合片耐磨性高、抗冲击韧性好的特点，在钻头中心部位进行非干涉式偏心布齿，增强钻头中心部位的抗磨性，从而实现钻头工作面整体均匀磨损。

3 现场应用

哈山101 井上部井段采用气体钻井技术，钻速较高[10]，但三开φ215.9 mm 井段钻至井深2 977.65 m时发生燃爆，形成了大肚子井眼，于是转换为转盘钻井方式，单只牙轮钻头进尺10.72 m，机械钻速仅为0.35 m/h，钻井过程中掉块较多，蹩跳钻频繁。为提高该井火山岩地层钻井效率，应用了“刀翼式孕镶金刚石钻头+高速螺杆钻具”的提速技术，单只钻头进尺和机械钻速大幅度提高。

3.1 钻具组合和钻井参数

钻具组合为：φ215.9 mm 刀翼式孕镶金刚石钻头+随钻打捞杯+φ172.0 mm 高速螺杆钻具+单流阀+减振器+φ158.8 mm 钻铤×17 根+随钻上下震击器+φ158.8 mm 钻铤×2 根+φ127.0 mm 加重钻杆×14 根+φ127.0 mm 钻杆。

钻井参数为：钻压60～80 kN，排量30 L/s，转盘转速30～50 r/min，泵压22 MPa，高速螺杆钻具输出转速500 r/min。

3.2 防掉块卡钻措施

上部井段采取的防掉块卡钻技术措施为：1）采用加长高速螺杆钻具，提高工作扭矩，以防憋停；2）钻具组合中加入减振器防止跳钻，去掉稳定器，尽可能降低卡钻风险；3）钻具组合中加入随钻上下震击器，提高处理井下复杂情况的能力；4）提高钻井液的抑制防塌封堵性能，采用强触变钻井液（塑性黏度大于35 mPa·s），间断泵入稠浆塞清洗携岩。