新型专利PDC在南海东部海上油气田的应用

秦世利，陶冶，宋吉明(.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 58067；.中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司，广东 深圳 58064)

0 引言

伴随着油气田开发技术的不断提高，国内外的钻井工技术逐渐向高效、优质、快速的方向发展。PY34-1气田位于中国南海北部海域珠江口盆地番禺33自营区块，区域上位于中央隆起带的中部番禺低隆起，南部紧邻白云凹陷北缘[1]。地质层系自上而下分别为万山组、粤海组、韩江组、珠江组和珠海组。上部地层以松软的沙泥岩为主，少量含砾灰质夹层，抗压强度从20.68～62.05 MPa不等，可钻性较好，但频繁的岩性变化和砾岩较强的研磨性导致转差震动和切削齿磨损，严重影响钻头寿命。下部珠江组有大段的硬质灰质砂岩，抗压强度137.90～275.79 MPa，且具有极强的研磨性，导致钻头机械钻速低，钻井经济效益低下[2]。

1 钻头使用现状

近年来，随着常规PDC的广泛应用，PDC钻头的型号和质量上都进行了较大的改进，已经在软到硬的地层中逐渐使用，取得了较好的经济效益。PDC 钻头就是聚晶金刚石复合片钻头，它以金刚石为原料加入粘合剂在高温烧制而成。复合片为圆片状，金刚石层厚度一般小于1慢慢，PDC钻头采用圆形弧面进行破岩，钻遇砾岩钻井参数稍有不当将造成高速切削状态下砾石冲击损伤，导致刀翼外椎体破损或切削齿崩齿，如长期处于该状态将导致钻头损坏，降低了单趟钻进尺，加大了作业的成本。

PY34-1气田开发初期，12-1/4″井段主要使用常规PDC钻头和牙轮钻头，平均机械钻从速15.2～21.9 m/h不等，一次作业通常需要3～5只钻头才能完成该井段作业，单趟进尺523 ～1 012 m，出井钻头崩齿的现象较为普遍，个别钻头缩径现象严重。邻井12-1/4″井段钻头数据如表1所示。

为了进一步提高机械钻速，降低钻头磨损，提高钻头的经济效益，技术人员借鉴国内外成功经验，通过对该区块地层特征和前期钻头使用情况深入分析的基础上，优选斧形齿专利PDC钻头。

2 斧型齿钻头应用情况

2.1 斧型齿钻头的结构设计

为保证同时提供出色的切削效率(机械钻速)和耐磨性(钻头进尺)。基于邻井分析，采用了专利技术的刚性金刚石材料的5刀翼、16 mm切削齿、钢体钻头设计。为了在各个岩性地层中取得出色的机械钻速表现，新的钻头设计采用了攻击性的冠部形状(斧型)和切削齿后置角[3]。

表1 邻井12-1/4″井段钻头数据

钻头设计导入4D有限元动态模拟系统与普通的PDC钻头进行模拟对比。对比使用了6组岩性，使用不同的钻压、转速模拟了实际钻进过程中可能出现的情况。结果显示新的钻头设计在不同钻进参数下，机械钻速整体提高了8%～31%[4]。新钻头设计的电脑辅助设计模型如图1所示。

图1 新钻头设计的电脑辅助设计模型

2.2 斧型齿钻头破岩机理

斧型齿钻头改变了常规齿仅靠切削破岩的机理，利用压碎和切削复合破岩，能有效提高钻头破岩效率，极大的提高了机械钻速。这个钻头的作用原理为先通过切削齿凸起部斧型结构接触地层，预压碎岩石，再通过后部切削齿平面部分切削，同时斧型齿刀口两侧的倾角设计使切削力减少，更有利于切削地层减小钻进扭矩[5]。

2.3 现场应用成果

PY34-1-A1H井在南海东部首次引用进口新型斧形齿PDC钻头，实现了2趟钻完成12-1/4″井段作业，单只钻头进尺、ROP和钻井日效率均有比较明显的提高，其中钻井日效率较A2和A5H井平均水平提高了31%，达到了该项目的预期目标。

后续连续应用4口井，该钻头均有不错的表现，并且创造了该区块单只钻头、单趟钻进尺最多纪录，机械钻速、钻井周期、钻井日效率均屡创新高。其中番禺34-1-A6H井以钻井周期43.77 d的骄人成绩，打破了中国海油石油总公司6 000～6 500 m水平井钻井周期纪录。

通过同区块常规齿和斧型齿钻头钻头使用情况对比分析，新型斧形齿PDC钻头较常规齿平均单趟进尺提高144.1%，单趟最大进尺提高44.3%，平均机械钻速提高73.5%，钻井日效率提高82.7%。新型斧形齿PDC钻头提速效果明显[6]。

PY34-1气田斧型齿钻头使用情况如表2所示。

PY34-1气田12-1/4″井段钻头数据对比如表3所示。

表2 PY34-1气田斧型齿钻头使用情况

表3 PY34-1气田12-1/4″井段钻头数据对比

3 结语

斧型齿PDC钻头在保证了钻头良好的切削能力的同时也增加了钻头的抗研磨性，提高了钻头的机械效率和寿命。说明斧型齿PDC钻头对番禺34-1地层有较强适应性。

番禺34-1气田下部高研磨性地层机械钻速虽有提升仍然有待提高，可以考虑加入提速工具如超级马达、水力振荡器等工具，进一步增加硬地层钻头切削效率，减小钻头磨损实现一趟钻完成12-1/4″井段。