PDC 钻头落井打捞方法分析与应用

刘成杰，高薇薇

（1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450；2. 中海油安全技术服务有限公司，天津 300450）

近年来油价持续走低，降本增效一直为各大石油公司秉持的基本原则。如何降低油气生产成本，已然成为石油行业亟待解决的问题。从原油开采生产过程分析，原油生产成本包括勘探、开发和采油三部分，其中开发钻井成本约占三分之一。降低钻井成本最有效的手段是提高单只钻头的钻进速度和进尺，提高钻头的破岩性能[1]。

PDC (Polycrystalline Diamond Compact Bit)钻头在软地层和中等硬度地层中的破岩性能非常好，钻进速度高，使用时间长，大幅度提高钻井工作效率，提高综合经济效益，因此PDC 钻头广泛应用于钻井作业，市场占有率已达到75%～80%[2-4]。但随着PDC 钻头的广泛应用，已经出现钻头类型和地层硬度不匹配、钻头本身质量问题以及其他复杂的井下问题，为有效降低钻井成本，需根据实际情况采取最合理有效的处理方式，以最大程度实现优快钻井。

1 PDC 钻头常见故障类型

PDC 钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，包括胎体式PDC 钻头和钢体式PDC 钻头两种类型[5]。在钻井作业中，由于PDC 钻头质量、井下时间、磨损、受扭、承压、震动等多种原因[6-9]，PDC 钻头常见的故障类型有：齿韧崩裂、刀翼折断和钻头落井，前两种故障通过起钻更换钻头即可解决，第三种相对棘手。如果钻头落井事故处理方式方法不正确，将造成延误工期、甚至报废井眼等后果，造成巨大的经济损失，因此需根据钻头落井状态采取最合理的解决方法，以最大限度地减少经济损失。

2 PDC 钻头落井案例

渤海地区某油井钻水泥塞在165 m 至187 m钻速忽快忽慢，至187 m 无进尺，10 m3稠浆清扫井眼，返出少量水泥碎块，无其他异常。多次调整钻井参数后，扭矩轻微波动（1～5 kN·m），马达无工作压差，仍无进尺。起钻检查，发现钻头脱扣落井，马达母扣基本被磨平。

钻头为16″方源FMS34，钻头尺寸参数：公扣端水眼内径为76 mm，其通径长度为365 mm；钻头台肩面到刀翼根部打捞段的长度为175 mm，其打捞外径为293 mm；731 扣的扣长（扣的上端面到台肩面的距离）为133.4 mm。

3 PDC 钻头打捞方法应用分析

在常规钻井过程中，丝扣本身质量问题、人为丝扣未拧紧以及钻井参数不合理均会导致钻头意外落井。钻头落井后的状态主要有：居中、侧翻和倒翻（图1）。

图1 落井钻头状态

钻头落井情况不同采取的处理方式也不同。裸眼钻井过程中钻头落井，一般直接填井放弃；下套管过程中钻头落井，则钻头打捞更为合理。针对本次PDC 钻头落井情况分析，选择保留井眼打捞钻头。

3.1 传统磨铣落井钻头

在钻头落井处理过程中，磨铣落井钻头是常用的一种传统处理方法，通过下磨铣工具将落井钻头磨碎并随泥浆返出。但其主要用于6″和8-1/2″小钻头，而PDC 钻头硬度大，磨铣过程极其困难进程缓慢，磨铣工作平均3～4 d，工作时间长，打捞成本高[10]。

3.2 公锥打捞

PDC 钻头落井后，在井下属于满眼情况，居中状态可以直接使用专用打捞工具和传统打捞方法，采用钻头顶端水眼公锥打捞，或者采用母锥、母扣与钻头丝扣造扣、对扣的方法。

根据出井马达母扣端照片（图2），判断钻头公扣丝扣已被磨损，故选择公锥造扣内打捞，公锥椎体尺寸结构如图3 所示。

图2 出井马达母扣照片

图3 公锥椎体尺寸

应用公锥打捞作业时，多次变换角度、旋转转速等参数，公锥均很难成功进入钻头水眼。打捞钻具组合：

（1）公锥（打捞径65～100 mm）+短钻杆（3 m）+变扣+15-3/4″扶正器+8″钻铤1 柱+变扣+加重钻杆（4 柱）+钻杆

（2）公锥（打捞径65～100 mm）+短钻杆（3 m）+变扣+16″扶正器+8″钻铤1 柱+变扣+加重钻杆（4 柱）+钻杆

（3）公锥（打磨坡角，打捞径40～97 mm）+钻杆单根（9.5 m）+16″扶正器+变扣+加重钻杆（4 柱）+钻杆

（4）公锥（打磨坡角，打捞径40～97 mm）+短钻杆（3 m）+变扣+16″扶正器+8″钻铤（1 根）+15-3/4″扶正器+变扣+加重钻杆（4 柱）+钻杆

（5）公锥（打磨坡角，打捞径65～100 mm）+短钻杆（3 m）+变扣+16″扶正器+8″钻铤（1 根）+15-3/4″扶正器+变扣+加重钻杆（4 柱）+钻杆

分析公锥打捞过程，首先尝试将公锥打磨坡角，以具有一定引入效果，提高公锥进入钻头水眼机率，但未能成功。上提公锥显示单侧面有明显造扣痕迹，据此判断公锥插入钻头与井眼间环空，致使公锥打捞方法失败。根据多次打捞失败情况，采取下铅模打铅印（图4）。铅印显示井下钻头歪斜、不居中，且钻头公扣破损，传统打捞方法束手无策，打捞钻头难度较大，急需一种更合理的打捞方法。

图4 井下钻头铅印

3.3 改进钻头流道的一把抓打捞

分析多次失败数据和公锥铅印，提出两趟钻打捞方法。

3.3.1 第一趟钻：引鞋扶正、居中钻头

钻具组合：269.9 mm 打捞筒(配381 mm 加大引鞋)+变扣+加重钻杆+变扣+393.7 mm 扶正器+变扣+加重钻杆+钻杆。

打捞筒加大引鞋具有很强的扶正、引导井下钻头的功能（图5），即使本体与套管之间有丝扣掉块，也可通过旋转将钻头转动活动并居中；且381 mm 加大引鞋可恰好套入钻头本体，如图6 所示；同时可开泵冲洗钻头，确保井底清洁，为后续打捞作业扫清障碍。

图5 扶正引鞋

图6 引鞋扶正、钻进模拟

3.3.2 第二趟钻：改进的钻头流道打捞工具“一把抓”打捞PDC 钻头

钻具组合：一把抓工具+大小头+变扣+加重钻杆+变扣+393.7 mm 扶正器+8″钻铤+变扣+加重钻杆+钻杆。

根据钻头流道应用61PPF 327.7 mm 套管加工满足要求的“一把抓”工具（图7）。

图7 改良“一把抓”

（1）每个爪的宽度为5～10 cm 渐变形态，5个爪翼均匀分布，精确定位；

（2）增加爪翼长度至60 cm，加工爪翼呈弓形，末端内收，直径320 mm，弓形最大外径360 mm，受压后可发生屈曲变形，以防止折断；

（3）为保证爪翼更容易产生形变，爪翼末端200 mm 壁厚打薄至7 mm（原套管壁厚10 mm）；

（4）5 个爪翼通过钻头流道下入井底后，通过下压产生内收形变抓住钻头。

钻头流道打捞工具打捞PDC 钻头过程：

（1）通过钻杆下放打捞工具至井下钻头附近，精确定位；

（2）旋转钻头调整遇阻位置及角度，确保爪翼顺利通过流道，包住钻头；

（3）继续施加压力使爪翼屈曲变形，爪爪相扣，包裹落井钻头，并成功打捞（图8）。

3.4 PDC 钻头打捞程序建议

两趟钻打捞方法首先根据铅印判断井底钻头状态，若确定为歪斜情况，第一次下钻根据钻头型号尺寸选择合适的扶正引鞋，扶正歪斜钻头；第二次根据钻头尺寸制作流道打捞工具，完成钻头打捞，尤为适用于井下钻头歪斜、不居中情况。此次钻头打捞过程验证了两趟钻打捞方法对落井钻头歪斜情况的可操作性和有效性，避免了公锥打捞的多次下钻，节省时间，降低作业成本。

图8 成功打捞脱扣钻头

4 结论与认识

（1）面对落井PDC 钻头倾斜、不居中，常规打捞困难、打捞成本高的复杂情况，优化打捞方法，加大引鞋扶正、居中落井钻头，清洁井眼，确保后续打捞作业顺利进行，首次应用即取得良好效果，明显缩短打捞工期，降低成本。

（2）记录打捞过程的各种参数，分析数据参数和失败的征兆，有利于提出更加合适的打捞方法。

（3）根据钻头流道改进钻头打捞工具，增强打捞工具在钻头与流道间的通过性，提高钻头打捞的成功率。

（4）打捞工具“一把抓”需进一步研究结构设计及材质选择，形成足够强度通用型标准设计参数。