新型复合钻头在双分支水平井的应用分析

张智旋 董悦

摘 要：行之有效的大位移双分支水平井设计及各项先进技术的运用，使得储层钻遇率大大提高，单井产量得以保障。**气田主力储层发育致密石英砂岩，以高研磨性著称，钻头极易磨损选型难度大。经过不断摸索，先后使用了PDC钻头、牙轮钻头，使用效果均不理想。随着对岩性认识的日益成熟，引进了“复合”钻头，作为牙轮钻头与金刚石钻头的结合体，该钻头与储层高研磨性、泥砂互层特点完美匹配，现场应用效果显著。由于其在机械钻速和进尺方面的优势，助力了水平井大提速，成为降本增效的关键环节。

关键词：高研磨性;复合钻头;大提速;降本增效

1 复合钻头介绍

1.1 复合钻头的简介

复合钻头出现于1930年，复合钻头作为牙轮钻头和PDC刀翼钻头的结合体，它兼顾两种不同类型的钻头特点，通过合理的设计同时发挥两者优点。该钻头的工作原理是：牙轮先接触地层，破碎岩层后，PDC切削齿开始工作，对岩层进行切削，两者配合下破岩切削效率大幅提高。从不同钻头井底所造形状图可清楚看到，复合钻头结合了两种不同的切削方式。

1.2 复合钻头的优势

从其钻头构造原理上来讲，该类型钻头与普通的牙轮和金刚石钻头相比有明显的优势，它既具有PDC钻头的强攻击性，又具有牙轮钻头类似的低扭矩的特征。复合钻头的优势主要表现在以下几个方面：①从钻头设计的角度上看：与普通PDC 钻头相比，扭矩输出更小，稳定性更强，在夹层中耐磨性更强，具有较好的动力和导向控制;与普通牙轮钻头相比，潜在的机械钻速较高，轴向振动（跳钻）的风险较低，钻头底部泥包几率较低;②从应用情况上看：能够保证钻头在大尺寸井眼中平滑旋转，提高机械钻速及进尺;拥有牙轮钻头稳定的工具面及造斜率，不受井型的限制;能够降低硬地层、泥砂混层等地质岩性对机械钻速的影响;降低粘滑振动对钻头的影响，提高复杂地层的可钻性。

1.3 早期复合钻头在**水平井应用情况

复合钻头于2014年开始应用在**区块，经过5井次30多趟钻的使用，二代复合钻头取得了优异的成绩，机械钻速和单钻头进尺相比三牙轮钻头有较大的提高，其中一只钻头进尺达到600m，创造当时钻头纪录。单井水平段钻头使用数量和纯钻时间相比三牙轮钻头均少，同时减少5趟起下钻时间，复合钻头单井可以节约21天钻井周期。

通过对出井钻头状态和磨损状况进行对照，其磨损、失效状况主要表现在：保径齿磨损严重，掉齿、断齿现象普遍，存在不同程度的缩径现象，牙轮密封失效，甚至发生过牙轮落井事故。

2 新型复合钻头使用情况

2.1 新型复合钻头的改进思路

由于早期复合钻头的使用过程中，钻头出井后存在较严重的磨损，钻头缩径现象明显。钻头缩径会带来多种危害，下钻遇阻、定向脱压现象时常发生。钻头巴掌处磨损严重，潜在牙轮密封失效，最终可能导致牙轮脱落。因此，针对**地层岩性特点，优化PDC布齿、优化刀翼和牙轮设计、优化碳化钨级别、选择更加稳定的复合片、水力优化设计等，通过一系列的实验室整体切削结构模拟实验，最终设计出新型的复合钻头。

2.2 新型复合钻头使用情况分析

新型复合钻头于2016年研发成功，作为XXX钻头公司第三代复合钻头系列，其型号XX1、XX2应用于XX井，与第二代复合钻头相比作业表现有大幅提高。其中新型号钻头XX1单钻进尺660m，打破**区块水平段进尺纪录，但是钻头磨损严重，无法再次使用;新型钻头XX2平均进尺和机械钻速均最高，钻头出井状态良好。

XX1钻头的设计优势表现在：更强的攻击性（冲击力）;牙轮居中布置，加强钻头中部强度，以预防钻头反取心。

XX2钻头的设计优势是：肩部布置16mm最新金刚石齿，提高肩部耐磨性能，采用保径设计，降低缩径风险。

2.2.1 XX1钻头使用情况分析

从起出来的钻头状态来看，钻头缩径严重，后期打出小井眼，导致新钻头下入困难，不得不带泵下钻，影响工作效率。具体分析失效原因有：该类型钻头保径设计较弱，钻头肩部和鼻部抗研磨性较差;由于巴掌磨损严重，牙轮轴承密封暴露，致使失效;井下振动问题导致钻头崩齿、掉齿等;弯角螺杆钻具旋转时导致钻头偏心，加剧钻头磨损等。

2.2.2 XX2钻头使用情况分析

从目前已经使用的3只XX2钻头来看，其平均进尺481m，机械钻速7.6m/h，均为最佳表现;其中最后一趟钻钻头进尺582m，由于钻遇大段泥岩，被迫提前起钻。由于该型号钻头额外有保径设计，其耐磨性更强，钻头寿命更长。XX2起出后整体状态良好，整体磨损缩径不明显，掉齿、崩齿程度较轻;但是巴掌上耐磨层磨平，其中一只牙轮间隙变大，牙轮密封失效，存在牙轮脱落风险。

3 新型复合钻头进一步优化及使用方案

3.1 新型复合钻头进一步优化方案

根据第三代复合钻头在各个油田的实际使用情况，通过大量案例统计，分析了钻头的磨损状况和破坏机理，为钻头进一步优化提出了方向。

①加强钻头肩部可靠性：增加钻头肩部金刚石的总量，包括增加保径齿质量、增加刀翼数量等措施;②由于复合钻头的工作原理，牙轮部分首先对地层进行挤压破坏，以保护PDC切削齿，因此通过增加牙轮接触地层面积，减少PDC的负荷，从而降低反取心风险，提高机械钻速;③增加心部金刚石布齿体积，提高心部的耐磨性;④牙轮巴掌处加强耐磨层强度，提高耐磨性;刀翼上增加划眼齿，以修复井壁，延迟钻头寿命。

3.2 复合钻头的使用方案优化

钻头作为钻井提速的最重要的因素之一，要充分发挥其作用，但又不能過分或者不恰当的使用。过分使用超出其技术极限，钻头破坏落井产生落鱼，造成井下复杂，从而影响整个钻井周期;不恰当使用，致使钻头过早失效，达不到设计效果，降低钻井效率。通过与钻头供应商沟通，制定钻头使用指南是非常关键的，良好的钻头使用方案包括：根据地层可钻性选择合理的水力参数（喷嘴面积、流道设计等）;新钻头下钻到底充分磨合，逐渐适应井底环境;钻头破岩过程中，根据作业工况、地层压实强度选择不同的钻井参数，发挥最大效力;充分利用底部振动检测工具，根据振动级别调整钻井参数，延长钻头寿命。

复合钻头入井后，要密切关注钻压、转数、扭矩、泵压等钻井参数，特别是钻头寿命的中后期，要根据井下具体情况，做好及时起钻的准备。

复合钻头首先存在有牙轮活动部件，因此在实际操作过程中要严格遵守厂家推荐的钻头总转数，超出总转数就有牙轮密封失效、落井风险。因此，是否起钻首先看钻头总转数是否已经到了推荐总转数，其次参照机械能（MSE）、底部马达压差、钻井扭矩三个方面（如表1）。

根据钻头使用情况及钻头起出后的磨损状况，分析钻头失效的原因，进一步优化钻头设计，增加保径，提高金刚石齿数量和密度，增加倒划眼齿等。优化钻头使用方案，利用井下振动检测工具，优化钻井参数，合理使用钻头，密切关注钻头工作状况，制定行之有效的钻头起出策略，以防止钻头破坏、落井。

表1    不同时期复合钻头的对比

监测因素 具体表现 结论

机械比能（MSE）：单位时间破碎单位体积岩石所需的机械能 对于相同地层，相同机械钻速下，机械比能升高到1.5-2倍 起钻

底部马达压差 对于相同地层，相同机械钻速下，马达压差升高到1.5-2倍 起钻

钻井扭矩 对于相同地层，相同机械钻速下，钻井扭矩持续升高到1.35-2倍 起钻

4 结论

①从新型复合钻头的现场应用来看，平均钻头进尺470m，其中一只钻头660m创下纪录，为高效快速钻井提供有力支持;②XX2钻头平均进尺和机械钻速均为最高，由于其设计有保径齿，钻头出井状况良好;③由于复合仍有牙轮活动部件，牙轮轴承仍旧是薄弱环节，仍存在牙轮脱落的风险，因此需要进一步对轴承使用的可靠性、持久性等方面进行攻关，加强钻头保径和耐磨层强度等;④利用摩阻监控软件，实时监控井底扭矩、振动情况，采取各种有效的大位移、长水平段降摩减阻手段，降低扭矩摩阻对钻头的破坏，从而实现进一步提高钻头机械钻速，增加钻头使用寿命的目的。