PDC鉆頭在中深井中的應用

前言

　　中深井[1]主要是指井深在1500米-3500米之間，其技術難點主要有：1、直井段難以控制井斜，直井段井斜超標，加大斜井段難度；2、穩斜段長，井身軌跡難以控制，易出現井下復雜情況及后期施工困難；3、使用牙輪鉆頭其壽命短，起下鉆次數多，難以縮短鉆井周期，且起下鉆次數多易造成井下復雜情況。因此選擇適合地層的鉆頭及鉆具組合以增加純鉆進時間，減少起下鉆時間，從而縮短鉆井周期。

　　一、 PDC鉆頭的性能機理

　　1.PDC鉆頭的材料

　　與牙輪鉆頭的不同之處是PDC鉆頭沒有運動部件。PDC鉆頭的胎體可用鋼和碳化鎢兩種材料來制造。鋼體PDC鉆頭[2]的主要缺點是抗沖蝕性能不如混合體鉆頭，鋼體鉆頭一般用于鉆軟到中等研磨性地層和鉆大井眼。

　　PDC鉆頭的技術進步：首先是采用了抗研磨性和抗沖擊性更好的人造金剛石材料；其次是聚晶金剛石薄片與碳化鎢圓片接觸面的幾何形狀也有了改進；PDC鉆頭的熱穩定極限也由原先的700℃提高到1150℃。

　　2.切削機理

　　PDC鉆頭的破巖機理是剪切。鉆頭的剪切作用在破巖時起主要作用，而牙輪鉆頭的破巖機理為沖擊壓碎，巖石的抗壓強度約是抗剪強度的3倍，因此剪切破壞比壓碎容易。

　　3.穩定性

　　PDC鉆頭的穩定性對鉆井效率來說是極其重要的因素。抗渦旋和降摩擦保徑塊等技術的應用使PDC鉆頭更加穩定。PDC鉆頭水馬力、切削件和動態穩定性的改進導致PDC鉆頭的機械鉆速和壽命大幅度增長。

　　二、 優選鉆頭及鉆具組合提高機械鉆速

　　中深井井深一般在1500米-3500米，完鉆層位一般在沙河街組，巖性較單一，復雜地層較少。下面以濟陽坳陷東營凹陷濱南-利津斷裂帶區塊所鉆的幾口井為例論述分析。

　　一開鉆具組合：ф346.1牙輪鉆頭+177.8mm鉆鋌（3柱）+127mm鉆桿，表層井深在200-250米之間。

　　二開鉆具組合為：ф215.9PDC鉆頭（四翼） +177.8mm無磁DC（1根）+177.8mmDC（6根）+ 127mm加重鉆桿DP+127mm普通鉆桿或采用PDC鉆頭+直螺桿鉆井模式，二開快速鉆進采用二檔車，鉆壓3-4噸，機房轉速1250轉/分鐘，進入東營組之前改為小循環及時處理鉆井液，一般鉆進至造斜點或東營底進入沙一段起鉆換鉆頭。

　　定向段鉆具組合：如果造斜點在東營組或東營組之上可以先用HJ517牙輪鉆頭定向，鉆具組合為：ф215.9牙輪鉆頭（HJ517）+172mm動力鉆具 （1根）+回壓凡爾+定向接頭+158mm無磁DC （1根）+127mm加重鉆桿（5-6柱）+127mmDP。進入沙一段或井斜達到設計井斜起鉆換鉆具結構為：ф215.9PDC（五翼）+172mm動力鉆具 （1根）+208mm欠尺寸扶正器+回壓凡爾+定向接頭+158mm無磁DC （1根）+127mm加重鉆桿（5-6柱 ）+127mmDP。

　　三、 應用實例分析

　　施工的濱64-斜55、濱64-斜56、利33-斜82井都位于濟陽坳陷東營凹陷濱南-利津斷裂帶區塊。

　　由以上三口井可以看出，PDC鉆頭的純鉆進時間長，在濱64-斜55井單只PDC鉆頭純鉆進時間81小時，節省了起下鉆時間，從而大大提高機械鉆速，縮短鉆井周期。濱64-斜56井和利33-斜82井，在沙二段定向鉆進機械鉆速均達到15米/小時以上。濱64-斜55井完鉆井深2465米，水平位移313.62米，鉆井周期僅用8天4小時。

　　利33-斜82井穩斜段下入PDC鉆頭+動力鉆具+欠尺寸扶正器穩斜穩斜鉆具組合，鉆壓4-6噸復合鉆進，1751-2202米井斜數據如下表：

　　從表中全角變化率可以看出這套穩斜鉆具很好的控制了井斜方位。

　　結論

　　1、選擇合適的井段使用PDC鉆頭，能夠有效的提高機械鉆速，降低鉆井成本，提高經濟效益。

　　2 、PDC鉆頭在深井應用，能大大的減少起下鉆次數，安全系數大，沒有掉牙輪風險，事故發生率小。

　　3、在東營、沙河街組易斜井段下入PDC鉆頭，采用小鉆壓高轉速鉆穿該井段，能有效的控制井斜。

　　4、選擇適合地層的鉆頭可以提高機械鉆速，減少起下鉆次數，縮短建井周期，節約鉆井成本。