NR826M孕镶全面金刚石钻头在元坝气田的应用

刘海龙，沈立娜，刘协鲁，赵义

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 前言

元坝气田是中国石化继发现国内最大海相整装气田普光气田之后，在四川盆地发现的又一个千亿立方米储量的大型海相气田。元坝气田探区的海相井大多数是超深井，已探明含气面积155.33 km2，气藏埋深6240～6950 m，平均埋深6673 m，相比其他气田平均深度要深1000～2000 m，是目前国内发现的最深的海相气田，开采难度极高。

1 元坝地区概况及钻进难点

1.1 元坝区块地质特征

元坝气田位于四川盆地东北部，井深一般在6000 m以上，井身结构复杂，地层多变。其中自流井组珍珠冲段尤为突出，珍珠冲段地层岩性主要以砂砾岩、中砂岩、杂砂岩杂色砾岩、灰色细粒岩屑砂岩、灰色泥岩互层为主，砾石中石英含量高，地层研磨性强。

1.2 常规牙轮钻头钻遇珍珠冲地层情况

井队根据以往经验大多选用江汉三牙轮钻头钻进，在钻进过程中受砾石含量的影响，钻进速度较慢，由于砾石中多以石英为主，对钻头的使用寿命影响显著，牙轮钻头一般使用寿命在20～30 m，平均机械钻速0.57～0.70 m/h，不仅钻进速度慢，而且使用寿命短，使得钻井队频繁起下钻，钻进效率低。该地区主要钻进难点为地层坚硬，石英含量高，地层研磨性强，钻头出井情况如图1。

图1 牙轮钻头出井情况

2 NR826M孕镶金刚石全面钻头设计

2.1 钻头胎体设计

孕镶金刚石钻头的钻进效率和使用寿命主要取决于钻头的金刚石参数和胎体配方参数设计是否合理。钻头的金刚石参数包括金刚石质量、金刚石粒度、金刚石浓度，这些参数对钻头的效率和寿命有很大的影响。

孕镶钻头胎体的金刚石的浓度过高，钻头胎体横截面的金刚石与岩石的接触面积增大，单位金刚石所承受的压力较小，压入岩石的深度减小，当作用于金刚石上的压强小于岩石的抗压强度时，便不能压入岩石，主要钻进现象表现为不进尺、钻头打滑。与之相反，金刚石浓度过低，钻头胎体横截面出露的金刚石太少，一方面不能满足孔底岩石的环状面积全覆盖，另一方面单位金刚石上的压强过大，容易发生过早脱落、崩刃等现象。

金刚石浓度可参照公式(1)进行设计计算。

(1)

式中：P—作用于钻头胎体工作面上的单位面积钻进压力；d—金刚石直径，mm；d/β—金刚石的脱落高度，mm；β—常数数据，β值越小，则金刚石的脱落高度就越大；k—强度系数，钻头钻进时有一定的冲击载荷，k取0.50～0.67；σ—单颗金刚石的抗压强度；n—钻头转速，r/min；p—钻头胎体工作唇面上的单颗金刚石所承受的平均载荷；v—钻头钻进速度，m/h。

针对元坝地区地层情况，结合金刚石钻头特点，钻头在胎体上采用北京探工所研制的稀土添加预合金超细晶体铁基胎体粉末，同时添加一种自锐材料，这种材料基本不会影响胎体的强度[2]，但在钻进时可预先形成微坑，提高钻头底唇面的粗糙程度，降低与岩石的接触面积，从而帮助金刚石出刃，达到提高钻进效率的目的。经过特殊工艺处理后，使得金刚石在胎体粉末中能够均匀分布。

2.2 钻头结构设计

2.2.1 钻头冠部结构

钻头冠部结构在外形上，根据地层特性，综合钻头使用寿命和钻进效率，尤其针对中心部分薄弱环节，进行优化设计。为提高钻进效率，针对该地区地层特点，设计切削齿在井底形成多个自由面，加快碎岩速度。为确保钻头稳定性，设计出较长保径规。在钻进过程中，钻头鼻部最先接触井底，这就意味着在钻进过程中，如地层产生变化，其受到意外损害最大。因此钻头冠部形状选择较大半径的双圆弧形，内锥角α取120～125°在钻进到夹层时，使得钻头具有良好的稳定性能[3-7]。

在钻进效率较低的硬岩层，为了实现对金刚石的充分冷却，把金刚石切削面积分割为若干较小的切削自由面，因此钻头唇面设计为如图3所示的刀翼式钻头结构。

图2 钻头冠部结构设计图

在钻进过程中，钻头中心处的线速度趋近于零速度，中心处金刚石与胎体极容易损害，容易失去工作能力，在钻进过程中表现为“掏心”。针对中心处薄弱环节，结合所处的高研磨工作环境，利用金刚石复合片高耐磨特性，偏心交错布置，防止“掏心”现象产生。

2.2.2 钻头切削结构

在钻进过程中，为使刀翼有效切削地层，在刀翼上采用交错交替设计孕镶切削齿。遵循等切削设计原则，由于沿径向钻头每个孕镶切削齿的切削量不同，在钻头设计中采用不等密度的布齿方式，同时孕镶切削齿依据刀翼形状设计为不等的梯形，以保持切削量的均衡。同时每个切削齿为一个独立工作单元，固定在特定的位置上，切削齿与切削齿之间既相互独立，也相互影响，每个切削齿的机械钻速和使用寿命也影响整个钻头整体的机械速度和使用寿命，如图3。

图3 切削齿设计图

布置切削齿应满足以下要求： ①切削齿布置应全覆盖钻头端面，保证钻进过程中，全面切削井底；②针对实际工作情况，结合钻头冠部结构，在钻头鼻部易磨损处布置密集，在不易磨损处布置稀疏，稀疏得当。

2.2.3 钻头水力结构

钻头水力结构设计应满足以下两方面要求：一是在泥浆泵额定功率下，使钻头获得足够大的水力能量；二是在保证钻井过程中的井底压力差情况下，减少压持效应、保护好油气储层。

以元坝地区实际钻井为例：二开钻进，钻头直径314.1 mm，泥浆密度平均2.0 g/cm3，平均排量40～42 L/s，泵压22～25 MPa。钻头的压力降可由公式(2)计算：

Pb=Pr-Psum

(2)

式中：Pb—钻头压力降；Pr—选择的钻进时的泵压；Psum—循环系统总的压力损耗。

对于相应规格的钻具组合，循环系统(包括钻柱内压耗、环空内压耗、地面管汇压耗)总的压力损耗可以根据公式计算出来。

确定钻头压力降后，钻头水路面积可由公式(3)确定：

(3)

式中：A—水路面积，mm2；Pb—钻头压降，MPa；Q—排量，L/s；c—流量系数，对于非喷嘴型钻头，流量系数取0.8；Pm—泥浆密度，g/cm3。

也可根据公式(4)确定设计的水路面积以及排量计算冲洗液通过钻头的流速是否合理。

(4)

式中：S—钻头水道在引流圆处总横截面积，cm2；Q—流量，L /s；v—冲洗液通过钻头表面的流速，m/s。

结合实际钻井施工情况，在一定泥浆泵压下，若增加钻头排量，相应需要增加钻头水路流道面积，根据计算结果可以修正钻头的水路结构，使其在满足泵压、泵量的条件下，设计满足钻进要求的水路。

3 钻头现场使用情况

3.1 钻具组合及钻进工艺参数

使用NR826M钻头钻具组合为例：∅314.1 mm孕镶金刚石钻头+3LZ244×7.0直螺杆+∅228.6 mm钻铤2根+∅311 mm扶正器+∅228.6 mm钻铤5根+接头(731×630)+∅203.2 mm钻铤7根+双公接头(631×631)+QJ203随钻震击器+接头(631×520)+回压凡尔+ ∅139.7 mm加重钻杆4根+旁通阀+∅139.7 mm加重钻杆21根+∅139.7mm钻杆。

钻进工艺参数为：钻压140～180 kN，转速90 r/min+螺杆，排量40～42 L/s，泵压22～25 MPa，泥浆密度2.0 g/cm3，泥浆黏度49～51 s。

3.2 现场使用情况

元坝地区共使用NR826M钻头4只，使用情况如表1。

表1 使用情况效果对比表

通过以上数据可以看出，常规的三牙轮钻头进尺为20～30 m，机械钻速为0.57～0.74 m/h。不仅钻头寿命短，机械钻速较低，且牙轮钻头易掉齿，严重影响井下安全，一旦发生事故，需要耗费大量的时间和财力，严重影响施工进度。相比牙轮钻头，NR826M钻头的机械钻速也有明显提升，且平均进尺都在150 m左右，使用寿命是牙轮钻头的7倍之多，大大减少了起下钻次数，从而提高了钻井效率。因此相比于常规牙轮钻头，在该井段使用NR826M钻头是提高经济效益的有效途径之一。

4 结论

NR826M金刚石钻头胎体性能良好，结构设计合理，能够满足在珍珠冲段砂砾岩、中砂岩、杂砂岩杂色砾岩、灰色细粒岩屑砂岩、灰色泥岩互层地层高速钻进需求。NR826M金刚石钻头寿命长，机械钻速高，有效缩短了施工周期，能够给施工方提高经济效益，同时解决了该地层钻进困难问题，为以后在该地层钻进过程提供了更多的选择，值得大力推广。

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