库车深部复杂砾岩地层PDC钻头优化与应用研究

郭学良，熊明勇，孙本法，聂荣国

（1.西南石油大学石油工程学院，四川成都610500；2.川庆钻探公司塔里木工程公司，新疆库尔勒841000；3.西南石油大学应用技术学院，四川南充637001）

·石油与钻掘工程·

库车深部复杂砾岩地层PDC钻头优化与应用研究

郭学良*1，熊明勇2，孙本法2，聂荣国3

（1.西南石油大学石油工程学院，四川成都610500；2.川庆钻探公司塔里木工程公司，新疆库尔勒841000；3.西南石油大学应用技术学院，四川南充637001）

库车山前克拉苏构造带地质情况复杂，康村组下部—苏维依组地层含大段砾石层，可钻性差，常规PDC钻头不适应该含砾地层。为此，在深入分析了区块含砾地层物性和区块含砾地层PDC钻头失效方式的基础上，有针对性的设计了适合于砾石层的PDC钻头。通过采用耐磨性和抗冲击性较好的Ø16mm切削齿，中等布齿密度、肩部和鼻部双排齿设计，冠部形状采用浅锥和中等抛面长度设计，保证钻头具有较好的攻击性和抗冲击性。优化设计出的Ø333.4mmPDC钻头在KS和DB区块进行了现场应用，直接钻穿吉迪克组含砾地层，与邻井同层段钻井数据相比，KS区块钻头单只进尺和机械钻速分别提高194.02%和182.25%，DB区块钻头单只进尺和机械钻速分别提高329.5%和216%。试验结果表明，设计的PDC钻头在该区块砾石层中使用效果良好，适合于该地层。

PDC钻头；砾石；库车山前；钻头设计；抗冲击性

1 概述

库车山前克拉苏构造带地质情况复杂，康村组下部—苏维依井段含大段砾石层，研磨性强可钻性差。现有PDC钻头，主要通过采用肩部双排齿设计和增加减震齿等方法[1,6]，来应对砾石层对钻头的损害。但此类钻头在该区块应用效果差，钻头机械钻速低，鼻部易损坏、磨损严重，单只进尺短等问题。因此在该区块钻井过程中，不得不更换牙轮钻头钻穿砾石层，再使用PDC钻头钻进，这样不仅浪费了大量的时间，同时也增加了钻井成本。针对这一问题，在分析了该地层砾石层物性和PDC钻头损坏形式的基础上，对PDC钻头进行优化改进，设计出了适合该地层的PDC钻头，并在DB和KS区块进行了现场试验。

2 砾石层物性及岩石力学特征分析

克拉苏构造带位于塔里木盆地库车坳陷，该区域康村组以中厚—厚层状褐色泥岩、灰褐色泥岩与浅灰色粉砂岩、泥质粉砂岩、灰质粉砂岩、褐灰色粉砂岩呈不等厚—略等厚互层，局部夹中厚层杂色砂砾岩、含砾砂岩。该层砾石成分以变质岩为主，其次为火成岩块，偶见石英砾、呈棱角状；吉迪克组为薄—巨厚层状褐灰、浅灰色灰质细砂岩、粉砂岩、含砾粉砂岩、灰质粉砂岩、泥质粉砂岩与薄—巨厚层状褐色泥岩、粉砂质泥岩、灰质泥岩、褐灰色含砾细砂岩呈略等厚互层。该层砾石成分以变质岩、火成岩块为主，偶见石英砾、呈次棱角状。砾岩颗粒间胶结致密，有少量微裂缝，不存在粘土型矿物，呈钙质胶接，胶接强度高[2]。

根据测井解释及实验室测定分析，该区域康村组下部及吉迪克组抗压强度最高达32000psi，平均15000psi；内摩擦角最大为46°，平均为39.5°；PDC钻头可钻性级值在3.06～6.28。地层软硬互层，可钻性差，同时砾石中含石英颗粒，研磨性强，破碎难度较大，易导致钻压波动和跳钻现象的发生。另外该区块地层倾角大平均40°，地层自然造斜能力强，井斜控制难度大。

3 砾地层PDC钻头优化研究

3.1 砾石地层中PDC钻头主要失效形式

含砾地层中由于砾石颗粒的存在，使得地层非均质性强。钻井过程中容易发生憋跳现象，从而导致切削齿受到较大的冲击载荷，造成PDC钻头刀翼鼻部和肩部的齿蹦齿或复合片的剥落[4-5]。由于切削齿的蹦齿和复合片的剥落，使钻头失去部分或全部的切削能力，导致钻头过早的失效。图1是KS2-2-5吉迪克组PDC钻头出井照片。

图1 PDC钻头磨损情况

由图1可以清晰地看出该钻头出现了严重的冲击破坏，切削齿蹦齿严重，复合片大块剥落；切削齿的基底碳化钨部分也迅速磨损断裂，且基底碳化钨磨损面平整，说明地层有较强的研磨性。因此，PDC钻头在库车山前含砾地层的失效形式主要是复合片受到较大的冲击载荷，导致切削齿蹦齿或者切削齿上的金刚石复合片掉落，造成钻头的先期损坏。使得钻头在该研磨性地层中快速磨损，机械钻速迅速降低，钻头进尺短。

3.2 PDC钻头优化结果

该区块含砾地层埋深在3000m以上，地层压实作用强、胶结强度高，可钻性差，地层倾角大，因此在优化PDC钻头时，要兼顾提速、抗冲击性以及钻头的稳定性等方面的因素，以保证钻头安全平稳的在砾石层中快速钻进。因此，进行了以下设计：（1）采用Ø16mm高抗研磨性和抗冲击性强的复合片，选择中等布齿密度，保证低钻压下切削齿单齿比钻压适中，从而保证攻击性的同时保护切削齿[1,3]。（2）在鼻部和肩部主切削齿后面增加后排齿[6-7]，主切削齿高度略高于辅助齿12mm，辅助齿在钻遇砾石产生振动时，可以有效地限制主切削齿吃入深度，同时承担部分冲击载荷，平衡轴向钻压，减少钻头的振动，降低PDC钻头主切削齿金刚石层蹦裂几率，有效地保护主切削齿，使主切削齿可以保持长时间的锋利，以保证机械钻速。另外，当主切削齿磨损1～2mm后，辅助切削齿开始切削岩石，有利于提高钻头的寿命。（3）采用3主3副刀翼设计，保证钻头的平稳工作。（4）冠部形状采用浅锥和中等抛面长度设计，浅锥使钻头兼具一定的稳定性和攻击性；而中等抛面长度保证了钻头的侧向切削能力，有助于防斜，同时增加了鼻部和肩部布齿数量，有利于延长钻头在研磨性地层的使用寿命[8]。

4 应用效果分析

根据优化方式设计的钻头，在大北克深区块进行了实验，在各区块均取得了比较理想的效果。

KS区块吉迪克组含3套砾岩，可钻性极差，对钻头的冲击破坏特别明显，邻井该层位耗费钻头的数目在3～5只，严重制约着整体钻进效率，针对这一难题，根据钻头设计思路，在KS2-2-5井吉迪克组深部砾石层实验钻头FX65D，该钻头采用XJDBS的优质切削齿，具有极好的抗冲击性，并配合双排齿设计，钻头耐磨性高，获进尺305.30m，机速3.50m/h。图2是同区块该地层平均使用钻头个数、平均机械钻速、平均使用时间和平均进尺与该井对比情况。

从图2可以看出该井数据与同区块同地层数据相比，钻头使用数量大大减少，机械钻速同比提高182.25%，该层段耗时比平均用时减少70.08%，钻头单只进尺增加194.02%。通过对比分析可知，该实验钻头在吉迪克组成功应用，成功解决了该地层钻速慢、机械钻速低的问题。

考虑到DB区块吉迪克组含砾地层，可钻性差，在DB208井自康村组顶部—苏维依组底部试验3只MM65、Msi616、FX65DX钻头,表1是3只钻头的使用情况。

从表1可以看出，3只钻头均取得了较好的机械钻速，在进入吉迪克组中下部后，由于可钻性变差，机械钻速有一定的下降，但与邻井相比始终保持较高的机械钻速，图3是该井与同区块同层段井钻头平均进尺、机械钻速对比图。

由图3可知，该井平均单只进尺相比DB204同层段提高499%，相比DB205同层段提高160%，平均提高329.5%；平均机械钻速相比DB204同井段提高313%，相比DB205同井段提高119%，平均提高216%。说明根据优化思路设计出来的钻头，在该区块康村组—苏维依组成功应用，取得了良好的实验效果。

5 结论

（1）依据地层物性和钻头损坏特征，优化设计出的钻头在山前深部含砾地层取得了较好的应用效果，成功解决了康村组下部—苏维依组地层机械钻速慢、单只钻头进尺短的问题。同时，由于机械钻速的加快和起下钻的减少，避免了裸眼井段长时间浸泡在钻井液中，减少了井下复杂事故。

（2）设计的钻头在KS区块应用，与同区块同层段数据相比，单只钻头机械钻速提高182.25%，进尺增加194.02%；同样在DB区块，实验钻头数据与同区块同层段钻头数据相比，单只机械钻速提高216%，进尺增加329.5%，提速效果非常明显。

图2 KS2-2-5与区块均值对比

表1 康村组—苏维依组钻头使用情况

（3）观察钻头出井情况，其主切削齿有轻微的磨损，属于正常磨损的范围，说明鼻部和肩部采用双排齿设计以及使用优质切削齿，能够有效防止PDC钻头在砾石层钻进过程中的蹦齿现象，保护了主切削齿的正常工作。

图3 DB208与同区块井对比图

[1]蒋金宝.山前构造砾石层大尺寸钻头优化设计与现场试验[J].石油钻探技术,2013,41(4):69-72.

[2]王延民,梁红军,李皋，等.塔里木DB区块砾石层特征及对优快钻井影响[J].新疆地质,2012,30(1):113-115.

[3]刘志鹏,曾恒,周学军，等.适用于特定地层的PDC钻头个性化设计[J].天然气工业,2013,33(3):59-62.

[4]李宬晓,董学成,梁红军，等.泥砾岩地层PDC钻头失效研究[J].西部探矿工程,2012:86-89.

[5]孔栋梁.底砾岩地层PDC钻头损坏机理及钻头优化设计研究[D].山东东营:中国石油大学（华东）,2011.

[6]高绍智,张建华,李天明，等.适用于砾石夹层钻进的PDC钻头[J].石油钻采工艺,2006,28(4):20-21,28.

[7]李天明,李大佛,陈洪俊，等.用于砾石夹层钻进的新型PDC钻头的研制与使用[J].探矿工程:岩土钻掘工程,2006,33（8）: 57-60,60.

[8]杨庆理.复杂地层PDC钻头个性化设计及应用研究[D].山东东营:中国石油大学（华东）,2007.

PDC Bits Optimization andApplication in Depth of Kuqa Complex Conglomerate Formations

GUO Xue-liang1,XONG Ming-yong2, SUN Beng-fa2,NIE Rong-guo3

(1.Oil Engineering College,Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500,China;2.Tarim Engineering Company Chuanqin Drilling Corporation,Kurle Xinjiang 841000,China;3. Application Technology College,Southwest Petroleum University, Nanchong Sichuan 637001,China)

The Kelasu piedmont structure belt in front of the Kuqa Mountains have very complex geological environment,where contains thick gravel layers from the bottom of Kangcun to Suweiyi formation,is hard for drilling,so the conventional PDC bit is unsuitable for this gravel layer.Basis on analyzing physical nature of the gravel layer and the characteristics of invalid PDC bit in the gravel layer,the suitable PDC bit for the gravel layer has been designed.By using 16mm abrasion-proof and shock resistance cutters,mid density cogging distribution,double-row cogging on shoulder and nose,crown adopting shot crone and medium parabolic,ensure that the bit have well performance on attack and shock resistance.The designed 333.4mm PDC bits has been tested in KS and DB area.Compared with adjacent well,footage and penetration speed of single bit in KS area has rose by 194.02%and 182.25%,footage and penetration speed of single bit in DB area has rose by 329.5%and 216%.The test results show that the designed PDC bits are well used in the gravel layer block and suitable for the formation.

PDC bit；gravel；Kuqa piedmont；bit design；shock resistance

TE921

A

1004-5716(2015)03-0034-04

2014-08-25

郭学良（1989-），男（汉族），四川内江人，西南石油大学石油工程学院在读硕士研究生，研究方向：特殊工艺井钻井技术与井壁稳定性研究。