牙轮－PDC混合钻头在迪北103井的应用试验

许京国 陶瑞东 郑智冬 杨静 张建荣

中国石油渤海钻探第三钻井公司

迪北区块位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区库车县境内，西偏南方向靠近库车县。构造位置处于塔里木盆地库车坳陷依奇克里克冲断带下盘迪北1号大型断鼻构造东翼。根据依南2井、迪西1井、迪北101井和依南5井等邻井的钻探情况，预计迪北103井在中新统吉迪克组、渐新统苏维依组、古近系库姆格列木群将钻遇砾石含量高、软硬交互频繁、可钻性差的地层，钻头选型困难［1－2］，单只钻头进尺低已成为该区域钻井提速的公认难题；牙轮－PDC混合钻头具有PDC切削及牙轮钻头高抗压强度的优点，因此在迪北103井尝试应用了444.5mm牙轮－PDC混合钻头，克服了迪北区块苏维依组地层砾石含量高，地层软硬交互频繁、可钻性差的难题，一趟钻钻穿吉迪克组砂砾岩段、苏维依组、库姆格列木群组［3］，进尺342m，纯钻时间201.5 h，平均机械钻速1.70m／h，刷新了444.5mm 牙轮－PDC混合钻头（Kymera钻头）单只进尺世界纪录，同时创迪北区块吉迪克组、苏维依组单只钻头最高进尺纪录，该钻头的成功应用有效缩短了迪北103井的钻井周期，降低了钻井成本。

1 牙轮－PDC混合钻头技术特点

1.1 牙轮－PDC混合钻头技术参数

图1 444.5mm牙轮－PDC混合钻头形状图

表1 444.5mm牙轮－PDC混合钻头规格型号表

表1 444.5mm牙轮－PDC混合钻头规格型号表

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1.2 牙轮－PDC混合钻头技术特点

贝克休斯Kymera混合式钻头技术是将牙轮钻头和PDC钻头合二为一的专利技术，具有金刚石切削及牙轮钻头高抗压强度的优点，具有PDC钻头优越的切削能力和持久的工作能力，同时具有牙轮钻头的强度，能够同时发挥PDC钻头优越的切削破岩机理及牙轮钻头的冲击破碎机理，牙轮切削齿形成不连续的齿坑，对岩石产生预破碎，PDC切削齿通过切削作用，将牙轮切削齿形成的不连续的齿坑连通，从而形成完整的破碎环带，使得混合钻头在硬塑性地层中具有较高的机械钻速；在不均匀及软硬交错地层，混合钻头上的牙轮切削齿对岩石产生预破碎，有效降低了PDC切削齿的切削载荷，同时牙轮切削齿限制了PDC切削齿的吃入深度，相对于PDC钻头，有效降低了混合钻头PDC切削齿崩齿的概率，因而混合钻头使用寿命更长［5－6］。与PDC钻头相比较，Kymera钻头具有更低、更平稳的钻进扭矩，定向钻进更易控制，多夹层地层钻进时寿命更长，可靠性更高，同时扭转振动更低。与传统的牙轮钻头相比较，Kymera钻头具有更高的机械钻速，更小的轴向振动（钻头跳动），同时所需要的钻压更小。适用于硬质夹层、结核状地层、塑性泥岩地层，尤其是含细砾地层。由于具有PDC钻头的攻击性，所以具有钻速快的特点，同时又具有牙轮钻头的低扭矩特性，所以运转平稳，轴向振动小，方向控制性好，寿命长［7－12］。

2 牙轮－PDC混合钻头在迪北103井的试验应用情况

2.1 迪北103井概况

迪北103井是塔里木盆地库车坳陷东部依奇克里克构造带迪北斜坡上的1口以侏罗系为目的层的评价井，设计井深5 000m，设计井身结构见图2。该井的444.5mm井眼需从井深20m钻至深度3 030m，下入365.1mm技术套管。根据依南2井、迪西1井井、迪北101井和依南5井等邻井钻探情况，结合周边露头资料和地震资料预测迪北区块地层层序，444.5mm井眼钻遇的岩性在吉迪克组、苏维依组、库姆格列木群砾石含量高、软硬交互频繁、可钻性差、钻头选型困难，无论是牙轮钻头，还是PDC钻头，机械钻速和钻头进尺都很低，单只钻头进尺低已成为该区域钻井提速的公认难题。

图2 迪北103井井身结构图

2.2 牙轮－PDC混合钻头试验情况

Kymera系列钻头已先后在美国、加拿大、巴西、沙特、挪威等多个国家使用，鉴于牙轮－PDC混合钻头在国外类似地层应用的成功经验，技术人员针对这一问题与贝克休斯公司进行反复论证，最终决定在迪北103井尝试应用贝壳休斯的444.5mm牙轮－PDC混合钻头，该钻头从2 524m入井，钻进至2 866m起出，进尺342m，一趟钻钻穿吉迪克组砂砾岩段、苏维依组、库姆格列木群组，平均机械钻速1.70m／h，钻头新度40%，PDC 3个刀翼冠部和肩部复合片严重损坏，1号牙轮轴承失效，3个牙轮牙齿磨损1／4；1个水眼被堵死（图3）。

图3 迪北103井使用后的444.5mm牙轮－PDC混合钻头图

2.3 钻具组合

2.4 钻井参数

该井钻进参数见表2。

表2 PDC＋牙轮复合钻头在迪北103井钻井参数表

3 应用效果分析

迪北104井此井段共使用了5只PDC钻头和1只牙轮钻头，单只钻头平均进尺只有45.33m，平均机械钻速只有0.66m／h（表3）；迪北101井采用缩小经验尺寸的方式提速，333.3mm井眼用了6只PDC钻头和1只牙轮钻头，单只钻头平均进尺只有45m，平均机械钻速也只有1.14m／h。

表3 迪北区块吉迪克组—库姆格列木群组钻速统计表

4 认识与建议

1）牙轮－PDC混合钻头大幅度提高了迪北103井吉迪克砂砾岩段和苏维依组库姆格列木群地层的钻井速度，与邻井相近井段相比机械钻速提高了50%～157%。

3）建议进一步扩大牙轮－PDC混合钻头应用范围，以综合评估其经济性和可行性。

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