混合钻头技术特点及应用

王天宇

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257000）

1 混合钻头简介

1.1 混合钻头的技术特点及类型

混合钻头由牙轮和PDC刀翼组成，充分结合了2种钻头的优势，PDC切削齿部分能在较低钻压下提供较快的机械钻速，牙轮部分能减轻钻柱振动，从而利于钻穿夹层中的硬岩层段[1]。具有连续的低扭矩特点，能提高夹层地层的耐用性，在硬夹地层和硬地层中更快、更平稳。同时能够配合多种钻具使用，应对井下复杂能力较PDC钻头更强，这在喷漏同层复杂层中不能使用动力工具情况下显现出明显优势。

混合钻头的类型包括2种，即两牙轮两刀翼的较小直径钻头及三牙轮三刀翼的较大直径钻头。

这2种钻头分别基于可靠的四刀翼和六刀翼PDC钻头设计，用截锥牙轮代替了辅助刀翼。因此，井眼中心部位仅由主刀翼上的PDC切削齿切削，而更难钻的井眼外部则由牙轮和固定刀翼上的PDC切削齿共同破碎。牙轮向刀翼的后侧偏置，以便在刀翼的前面留出排屑通道和镶装喷嘴所需要的空间[2]。

1.2 混合钻头的优点

（1）混合钻头同时包含牙轮和刀翼，将PDC钻头和牙轮钻头两者的优势结合起来，牙轮切屑齿形成不连续的齿坑，对岩石产生预破碎，PDC切屑齿通过切屑，将牙轮切屑齿形成的不连续的齿坑联通，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。

（2）在不均匀和软硬交错的地层，混合钻头上的牙轮切削齿对岩石产生预破碎，降低了PDC切削齿的切削载荷，牙轮切削齿限制了PDC切削齿的吃入深度，相对于PDC钻头，混合钻头PDC切削齿发生崩片的几率下降，因而混合钻头的使用寿命更长。

（3）滚动牙轮上的切削齿通过减少扭转振动可以改善钻头的动态平衡，而起刮削作用的PDC切削齿则可钻出平滑的井底，从而可以减小钻头回弹现象。与传统的PDC钻头相比，混合钻头的扭转振动减小了50%，粘滑现象只在较低转速情况下发生，而在高转速情况下的钻头回旋也大幅减小，从而使钻头工作更加平稳，避免钻头发生早期破坏[3]。

2 现场应用

在马深1井现场应用了混合钻头，取得了良好的效果。下面介绍其在马深1井的实际应用情况。

马深1井位于四川省通江县新场乡，构造位置为四川盆地川东北通南巴构造带马路背构造高部位。本井实际完钻井深8418m，完钻层位灯影组。本井于2014年6月开钻，2016年1月完钻，钻井周期593d，全井平均机械钻速1.84m/h。

本井是一口预探井，陆相地层岩石致密、硬度大，特别是须家河组发育大段砂泥岩互层，地层可钻性差。茅口组地层发育大段硅质灰岩地层，吴家坪组和灯影组地层硅质含量高，可选用钻头少。对于下部小尺寸井眼，由于钻具长、刚性低，钻压无法有效传递到钻头上，造成机械钻速低[4]。

邻井在自流井组进尺243m，消耗4只牙轮钻头，平均机械钻速为1.76m/h，钻头磨损严重。因此，需优选抗冲击和抗研磨性更好的钻头。为了探索新的提速手段，本井在二开、三开、五开中使用混合钻头钻井技术。

2.1 二开∅444.5mm井眼贝克休斯混合钻头的应用效果分析

如表1所示，马深1井二开在千佛崖至自流井组井段，优选了3只贝克休斯KM633型混合钻头，进尺532.97m，平均机械钻速为2m/h。

入井钻具组合为：∅444.5mm KM633钻头+浮阀+减震器+731×830接头+∅279.4mm钻铤×3根+831×730接头+437mm扶正器+∅241.3mm钻铤×3根+731×630接头+∅203.2mm钻铤×7根+曲性长轴+随钻震击器+631×520接头+旁通阀+∅139.7mm加重钻杆×12根+521×ZY540接头+∅139.7mm钻杆。

钻井参数：钻压160～240kN，转速75r/min，排量57L/s，立压23～24MPa。

表1 马深1井二开∅444.5mm井眼KM633混合钻头使用统计

通过表1可以看出：KM633型混合钻头机械钻速比千佛崖组（1.38m/h）平均机械钻速提高1.45倍，整体表现很好，适应自流井组段地层。

2.2 三开∅311.2mm井眼国产混合钻头的应用效果分析

马深1井三开∅311.2mm井眼使用江汉产KPM1633DRT型混合钻头1只，钻进地层为吴家坪组，岩性为灰色硅质灰岩和灰色泥质灰岩，岩性胶结致密，可钻性较差，进尺10.05m，机械钻速0.89m/h。

入井钻具组合为：∅311.2mmKPM1633DRT混合钻头+浮阀+631×730接头+减震器+∅228.6mm钻铤×2根+731×630接头+∅308mm扶正器+∅203.2mm钻铤×11根+曲性长轴+随钻震击器+631×520接头+∅179mm旁通阀+∅139.7mm加重钻杆×12根+521×ZY540接头+∅139.7mm钻杆。

钻井参数：钻压180kN，转速60r/min，排量43L/s，立压21MPa。

如表2所示，由于地层硅质含量较高，岩性较硬交错，导致钻头复合片受力不均，复合片先期损坏，钻时逐渐变慢，进尺较少，和牙轮钻头进尺相当，机械钻速略有提高。分析为国产混合钻头复合片抗研磨及抗冲击能力不够，复合片先期损坏，后PDC刀翼形成支撑，影响牙轮吃入地层，使得钻头机械钻速随刀翼磨损增大而降低，最后导致混合钻头进尺较少。

表2 三开∅311.2mm井眼同层位混合钻头与常规钻头对比表

2.3 五开∅165.1mm井眼贝克休斯混合钻头的应用效果分析

马深1井五开∅165.1mm井眼使用贝克休斯KM322型混合钻头，钻进地层为灯影组，岩性为灰色白云岩、灰色硅质白云岩互层，岩性软硬变化。由于地层岩性影响，该钻头进尺较少，钻进井段8057.97～8104.55m，进尺46.58m，机械钻速0.94m/h。

入井钻具组合为：∅165.1mmKM322混合钻头+浮阀+∅120.6mm钻铤×1根+∅160mm扶正器+∅120.6mm钻铤×8根+旁通阀+∅88.9mm加重钻杆×17根+311×ZY390接头+∅101.6mm钻杆×473根+ZY391×ZY540接头+∅139.7mm钻杆。

钻井参数：钻压80kN，转速60r/min，排量16.5L/s，立压16MPa。

表3 五开∅165.1mm井眼同层位混合钻头与常规钻头对比表

如表3所示，混合钻头与牙轮钻头、PDC单趟进尺相当，但机械钻速并不理想。

3 结论与建议

（1）牙轮+PDC混合钻头采用混合切削方式，牙轮钻头通过冲击对地层进行预破碎，然后PDC刀翼进行切削，有效地对PDC复合片进行保护。比常规PDC钻头工作稳定，在钻软硬交错地层时都能够获得较高的机械钻速。

（2）混合钻头兼具牙轮和PDC钻头的优势，能够适应千佛崖组、自流井组砂泥岩互层地层的使用要求，机械钻速是普通牙轮钻头的2倍以上；但对研磨性较强的细砂岩、含砾砂岩地层还不能完全适应，PDC复合片抗研磨性还需进一步攻关。

（3）混合钻头在吴家坪组、灯影组含燧石、含硅质比较硬的地层，PDC复合片容易先期损坏，进尺少，机械钻速下降比较明显。

[1]邹德永，于鹏，杨光.硬地层破岩工具最新进展[J].石油机械，2013，41（6）：1-5.

[2]王福修.PDC钻头新技术[J].石油工程技术，2011，9（1）：42-46.

[3]胡大梁，严焱诚，李群生，郭忠志.混合钻头在元坝须家河组高研磨性地层的应用[J].钻采工艺，2013，36（6）：8-12.

[4]陈明，等.马深1井钻井工程设计与施工[J].石油钻探技术，2017，45（4）：15-20.