新型PDC钻头在准噶尔盆地中拐凸起的应用

阮 彪，徐小龙，杨 洪，曾东初，严 康

（1.中国石油新疆油田分公司勘探事业部，新疆克拉玛依834000；2.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）

1 概述

中拐凸起位于准噶尔盆地西部隆起，北部、西部与克百断裂带和红车断裂带毗连，东与达巴松凸起相邻，呈鼻隆形态，东北翼以斜坡向玛湖凹陷过渡，南翼向沙湾凹陷和P1井西凹陷倾斜。中拐凸起为长期继承性古隆起，紧邻三大生烃凹陷，为油气运移有利指向区，二叠系地层逐层向凸起上削蚀尖灭，沙湾凹陷发育佳木河组巨厚烃源岩，佳木河组最厚2000m以上，上乌尔禾组发育区域盖层，生储盖关系配置良好，具备形成规模油气藏的有利条件。

2014～2016年新疆油田在准噶尔盆地中拐凸起部署实施了ZJ-3井、ZJ-4井、ZJ-5井和ZJ-6井等几口探井。从已钻井的数据资料来看，这几口井在该地区二叠系、三叠系主要使用的是牙轮钻头，由于该地层段易坍塌失稳，导致机械钻速慢，钻井周期长，影响该地区探井钻井的效率。为了加快该地区的机械钻速，提高钻井效率，在ZJ-7等井中采用了新型的PDC钻头，与邻井使用的钻头相比，该PDC钻头具有较大的优势，使得机械钻速明显提高。

2 新型PDC钻头的介绍

在准噶尔盆地中拐凸起使用的是四川奧格特金刚石钻头有限公司(以下简称OGT公司)生产的CS系列的新型PDC钻头，该公司研发投放市场的PDC钻头有100多种型号。新型结构的PDC钻头分别进行了加强保径设计、抗冲击设计、划眼齿设计以及双排切削齿设计。

2.1 模型设计技术

OGT公司采用ProE大型三维设计软件，采用基于Matlab的布齿优化设计技术，采用独特的切削力学分析工具，以保证所有设计都是平衡、稳定的设计。同时，根据地层情况和使用参数等的不同，针对个性进行布齿参数的优化，以保证钻头具有优良的攻击性、持久性。这样保证了钻头具有优秀的钻进性能。

通过对钻头三维模型的模拟，并对钻头在切削岩石的受力进行了分析，从力学分析的角度，保证钻头的结构设计合理，保证钻头本体具有较高的强度和安全，以保证钻井过程中不发生刀翼断裂等恶性事故。

2.2 钻头特性及设计特点

采用大型流体分析软件，对钻头流场进行流体分析，以优化水力结构，保证钻井液对钻头具有最佳的排屑、冷却能力，以及保证钻井液对钻头本体具有较小的冲蚀性。OGT公司生产的钻头有四刀翼、五刀翼和六刀翼。其有如下特点：（1）优化的钻头冠部形状和切削结构，力平衡设计，钻头具有强的攻击性；（2）采用CFD计算流体动力学分析技术，模拟仿真井底流场，优化钻头水力性能，使切削齿和钻头及时得到清洗和冷却，提高钻速和延长钻头使用寿命。同时，采用多喷嘴设计，适合快速钻进；（3）选用高性能切削齿，使钻头适合在中硬和硬地层中钻进，获得较高钻速和较长进尺。

3 现场使用情况

3.1 ZJ-6井

位于准噶尔盆地西部隆起中拐凸起南斜坡的ZJ-6井，主探二叠系佳木河组二段，兼探侏罗系八道湾组。采用311.2mmCS419RG钻头在井段497～3195m，第一只钻头从二开一开始下入，497m钻灰塞后进入地层，钻进吐谷鲁群、三工河、八道湾上层段至3195m八道湾中部层段因地层录井提出钻头，该只钻头进尺2698m平均钻速30.5m/h提出创中佳地区钻头同井段钻头最高纪录。311.2mmCS516RGNT钻头在井段3200～3811m，第二只钻头取芯作业完后3200m井段入井(八道湾中部地层)，在钻进八道湾组底部砂砾岩夹层时采用降低转速参数钻进保护了钻头，因此该钻头钻穿八道湾底界后进入白碱滩150m后机速变慢提钻，该只钻头提出后完好程度达80%以上，进尺611m，平均机械钻速9m/h达到预定指标。如图1所示是ZJ-6井的设计数据与实钻数据的对比图。利用CS系列的PDC钻头，节省了钻时162.1h。

图1 钻井设计与实钻数据的比对图

3.2 ZJ4-H井

ZJ-4-H水平井是川庆钻探承钻的一口预探井，吐谷鲁群为大套棕褐色、灰褐色泥岩、砂质泥岩夹泥质粉砂岩薄层，底部为绿灰色砂砾岩，根据地层预测和实钻资料，在1120～1250m井段为砾石层段，其中较纯的砾石层30～50m；从提高机械钻速考虑，使用了适应软-中等地层硬度的四刀翼、19mm切削齿、六水眼设计、抗磨齿、攻击力强的311.2mmCS419RG型号钻头，为了提高钻夹层的能力，钻头做了抗减震设计。第一只钻头在较高的平均机械钻速的前提下取得了非常高的进尺，创造了中拐区块进尺最高的记录，使用效果优秀。

八道湾组底砾岩和白碱滩组使用311.2-CS519RG钻头，五刀翼、19mm、七水眼设计，钻头钻穿八道湾组砾砂岩进入白碱滩组后机械钻速比邻井明显降低更换钻头。克拉玛依组为棕褐色泥岩、砂质泥岩夹灰色中、细砂岩，岩石可钻性比较差，推荐布齿密度大、抗磨抗冲击性能好的311.2-CS516RGN钻头，五刀翼、16mm齿、八水眼设计。如表1所示是该井二开钻头的使用情况。全井使用PDC钻头3只，平均钻速17.53m/h，达到设计的要求；在钻头选型、钻头质量上达到国产钻头的较好水平。

表1 ZJ-4-H井二开段钻头使用情况

3.3 ZJ-7井

中拐凸起所钻地层百口泉组上部为灰褐色、杂色砂砾岩；下部为浅灰绿色砂砾岩。与下伏地层不整合接触。上乌尔禾组主要为褐色、灰褐色泥岩、粉砂质泥岩、含砾泥岩夹薄层砂岩及砂砾岩，与下伏佳木河组不整合接触。在百口泉组和上乌尔禾组地层易坍塌失稳，导致整体机械钻速都不高，如表2所示是已钻井在百口泉组到上乌尔禾组间机械钻速的对比。前几口井均采用的是牙轮钻头，可见钻头的使用没有达到预期的效果。ZJ-7井利用新型CS516DRGT的PDC钻头后，机械钻速达到4.16m/h，钻井速度得到明显的提高。

4 结论

（1）从所钻井的数据分析可以看出，从三叠系百口泉组到二叠系上乌尔禾组地层，新型CS系列的PDC钻头比牙轮钻头在机械钻速上有了明显的提高，纯钻时间也大大的缩短了。

（2）对新型PDC钻头的切削结构、稳定性等方面进行了设计，研制的钻头在易坍塌失稳段能够快速钻进，减少了钻井复杂的发生，ZJ-7井的平均机械钻速达到了4.16m/h，使得该地区的整体机械钻速有了明显的提高，从而加快了钻井的效率。

表2 ZJ-7与邻井的机械钻速对比

（3）从现场钻头的使用情况看，使用CS系列的PDC钻头在钻进过程中，达到了预期的设计要求，使得中拐凸起二叠系、三叠系的机械钻速得到了显著的提升，可以在该地区进行推广使用。