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《金剛石與磨料磨具工程》2017年第2期

摘要:近年來隨著長慶油田水平井的大規模開發，PDC鉆頭在斜井段使用過程中，仍然存在了一些影響斜井段快速鉆進的因素。本文通過對斜井段使用的混合鉆頭基本情況和試驗數據的分析，明確了該類型的鉆頭能夠在一定程度上解決在斜井段施工中出現的工具面不穩定、復合增斜率差、滑動效率低等問題。

關鍵詞:混合鉆頭;復合增斜率;斜井段;機械鉆速;破碎環帶

混合式鉆頭是指整合了PDC刀翼和牙輪的特殊鉆頭，其理念最早出現于20世紀30年代，但在當時被人們認為是不合理的，但科技的進步為混合式鉆頭的誕生奠定了基礎。目前國際上最先進的混合鉆頭是貝克休斯公司的kymera系列鉆頭，國內的鉆頭廠家也已經開始對混合式鉆頭進行研發。此次所用的混合鉆頭是KPM1642ART型混合鉆頭。

1混合鉆頭的基本參數及特征

1.1混合鉆頭基本參數

該鉆頭的型號KPM1642ART，鉆頭尺寸φ215.9mm。由兩個牙輪和四個PDC刀翼組成（主切削齒尺寸φ16mm），牙輪設計比PDC高2mm，共有6個水眼（16#*3個+14#*3個），保徑長度100mm，排泄槽面積7985mm2,推薦轉速45-160Rpm,推薦鉆壓60-160KN。

1.2混合鉆頭破巖機理

該鉆頭采用混合切削機構。混合鉆頭同時包含牙輪和刀翼，牙輪鉆頭比PDC高2mm，在使用過程中，牙輪切削齒先接觸地層，對巖石產生預破碎，形成不連續的齒坑，PDC切削齒通過切削，將牙輪切削齒形成的不連續的齒坑連通，從而形成完整的破碎環帶。

2混合鉆頭應用背景及目的

2.1應用背景

在長慶油田水平井開發過程中，PDC鉆頭在斜井段應用中通過不斷的選型和改進，解決了PDC使用壽命短、進尺少、機械鉆速差等一些問題，基本上滿足了斜井段施工要求。但是隨著鉆井提速，PDC在斜井段使用過程中，仍然存在了一些影響斜井段快速鉆進的因素，其中就包括滑動效率低、工具面不穩定、復合增斜率差、鉆頭容易泥包等一系列問題。為了進一步提高機械鉆速，減少施工周期，就必須解決以上出現的各項問題。2.2應用目的為了進一步驗證此類型的鉆頭是否能夠解決PDC鉆頭在斜井段施工中出現的工具面不穩定、復增斜率差、滑動效率低

3混合鉆頭的使用情況

3.1使用情況

今年在蘇里格區塊施工的水平中，斜井段共計使用混合鉆頭4只。從區域上來說，使用混合鉆頭的4口水平井屬于同一區域內，目的層和所鉆遇地層一致，井眼方位一致，并且在使用過程中，鉆具組合、鉆井參數和泥漿性能基本一致。根據統計表所知，平均進尺559米，純鉆88小時，機械鉆速6.35米/小時，滑動機械鉆速3米/時，復合機械鉆速9.94米/時，平均增斜率在14度/100米。滑動比率24.42%。

3.2磨損情況

該類型鉆頭使用的純鉆時間達到80小時后，各別牙輪曠動情況比較嚴重，其它牙輪都有不同程度的曠動情況。PDC復合片都有不同程度的磨損。整體來說在鉆頭使用到80小時時，要根據現場使用情況，復合過程中每米的鉆時、扭矩的變化、以及入窗前的剩余進尺情況等，來判斷是否需要及時起鉆，還是在保證鉆頭安全的情況下繼續鉆進。

3.3使用效果

(1)滑動情況：該鉆頭滑動工具面比較穩定，配1.5度單彎螺桿，正常情況下在井斜小于10°時，滑動一根增斜2-2.5°/根；井斜大于10°時，滑動一根增斜2.5-3.5°/根°，在井斜大于70度后，滑動7米，增斜2.5°左右。復合情況：去除各別井因為螺桿或是地層傾角原因造成的復合增斜率比較低的情況，該鉆頭一般情況下井斜小于30°時，復合增斜率0.5-0.8°/根;井斜30°-70°時，復合增斜率0.6-1°/根;井斜70°后，復合增斜率0.8-1.5°/根。

(2)在使用過程中發現該類型的鉆頭對鉆壓十分敏感，在10噸鉆壓時每米鉆時3-5分鐘，8噸鉆壓每米5-7分鐘。

(3)在滑動過程中發現，該類型鉆頭的反扭角和牙輪鉆頭反扭角變化規律有些像，都和鉆壓有很直接的關系，一定的鉆壓和加壓頻率，反扭角有一定值，相比牙輪更為敏感，隨鉆壓的變化，反扭角變化也比較大，但在施工過程中工具面不會像PDC一樣隨鉆壓的輕微變化而突變。

(4)在鉆遇砂巖時復合增斜率明顯高于鉆遇泥巖時的復合增斜率，同比每根增0.2-0.5度。(5)在所施工井中，未發現混合鉆頭泥包現象，但在同一井眼施工過程中，混合鉆頭起出后，更換PDC鉆頭入井后出現泥包現像。

4對比分析

4.1復合情況對比

(1)井斜5-30度之間，混合鉆頭復合增斜率相比PDC鉆頭復合增斜率每根提高0.2-0.5度不等。

(2)井斜30-50度之間，有兩口井復合增斜率相比PDC鉆頭每根提高0.5-0.8度不等，有一口井應用的混合鉆頭復合增斜相比PDC鉆頭略微有些低，每根降低0.1-0.2度。

(3)井斜50-70度之間，混合鉆頭復合增斜率相比PDC鉆頭每根提高0-0.5度不等。

(4)0度以后混合鉆頭復合增斜率相比PDC鉆頭提高0.1-0.5不等。

(5)混合鉆頭平均機械鉆速相比PDC鉆頭提高1-1.5m/h左右。

4.2滑動情況對比

(1)合鉆頭在0-10度之間滑動增斜率比PDC鉆頭每根提高0.5-1度。

(2)在10度之后混合鉆頭滑動增斜率每根都在2.5度以上，比PDC鉆頭滑動增斜率每根提高0.5度以上。

(3)混合鉆頭滑動機械鉆速比PDC鉆頭每根提高1-2度左右。

(4)在滑動過程中，混合鉆頭沒有出現拖壓現象，而PDC鉆頭在滑動過程中出現拖壓現象。

5結語

(1)在同區域內，鉆遇地層一致、目的層一樣、方位一致，同樣的鉆具組合情況下復合增斜率相比PDC鉆頭較高，達到了試驗目的。

(2)滑動增斜率相對于PDC鉆頭較高。

(3)滑動時工具面相對比較穩定，平均滑動機械鉆速達到3m/h，未出現比較嚴重的托壓現象。

(4)平均進尺和平均機械鉆速較高，在所使用井中有一口實現了斜井段一趟鉆。

參考文獻：

[1]高元.貝克休斯公司Kymera混合型鉆頭[J].石油鉆探技術,2012,40(2):40.

[2]胡大梁.嚴焱誠.李群生等.混合鉆頭在元壩須家河組高研磨性地層的應用[J].鉆采工藝.2013.36(6):8-12.

[3]許京國.陶瑞東.鄭智冬等.牙輪+PDC混合鉆頭在迪北103井的應用試驗.天然氣工業.2014,34(10):71-74.

作者：韓佩章；侯博；王凱 單位：川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司