雅布赖区块金刚石钻头个性化设计及应用

樊思成，王晓彦，田东彬，沈雪峰，周学超

（1.中国石油集团渤海石油装备中成机械制造有限公司，天津 300280；2.中国石油技术开发有限公司，北京 100028）

0 引言

玉门油田雅布赖区块位于雅布赖盆地西部凹陷萨尔台凹陷内，地层差异性较大，邻井可参照性差，上部地层倾角较大，实钻过程中易井斜，井身质量难以控制。新河组中部以下地层为灰绿色和深灰色泥岩，这种泥岩压实作用强烈、研磨性高、可钻性差，切削齿吃入困难、机速衰减明显，这些因素都制约了钻井提速[1]。

图1 新河组上部地层可钻性

1 雅布赖区块地层可钻性分析

图2 新河组下部地层可钻性

针对这一地质特征，如何优选钻头类型，从而达到钻井提速目的，是当前急需解决的问题，而地层可钻性分析是优选钻头的基础。2014年，在雅布赖区块进行了3次现场试验，并且根据现有的测井数据，结合渤海中成特色技术，进行了地层可钻性分析。由于该区块新河组地层岩性复杂、可钻性差，以此地层为例进行重点分析。

从图1可知，雅布赖区块新河组上部（1100～2200）m地层可钻性分析结果。抗压强度（34.82～201.37）MPa，均值83.7 MPa，方差 26.3；内摩擦角 29.9°～46.4°，均值 34.75°，方差 2.61；可钻性极值3.2～6.83，均值4.85，方差 0.64。

从图2可知，雅布赖区块新河组下部（2200～3000）m地层可钻性分析结果。抗压强度（67.95～199.87）MPa，均值137.7 MPa，方差 24.5；内摩擦角 33.81°～46.25°，均值 40.1°，方差 2.43；可钻性极值4.51～6.81，均值为5.97，方差0.41。

根据可钻性分析结果，结合地质分层标准，可以得知雅布赖区块（1100～3000）m 属于中硬-硬地层，局部（2400～2900）m 井段属于硬地层。

2 个性化金刚石钻头设计

针对雅布赖区块地质特点，分别从冠部形状、布齿方式、防卡防泥包等方面进行优化设计。

（1）冠部形状。综合考虑冠部剖面形状对破岩效率、钻头寿命和稳定性的影响，选择双锥型冠部剖面作为金刚石钻头的基本剖面形状，冠部形状一般包括内锥、冠顶和外锥3部分。选择“直线-圆弧-圆弧”形最为基本冠部轮廓曲线设计模式[2]（图 3）。

在图3所示的坐标系中，这种直线-圆弧-圆弧剖面可以表示为式（1）。

图3 冠形剖面设计

剖面参数按式（2）计算。

式（1）和式（2）中

θ——钻头冠形圆弧对应的弧度，

t——钻头冠形圆弧半径比值，mm

Dp——冠部外径，mm

r0——冠部半径，mm

α——内锥半角，（°）

R1——内圆弧半径，mm

R2——外圆弧半径，mm

H2——外锥高度，mm

H1——内锥高度，mm

r02——外圆弧圆心径向坐标，mm

利用式（1）和式（2），给定钻头冠部外径 Dp、冠顶半径 R0、内锥半角α、内圆弧半径R1、外圆弧半径R2就可以确定出具体的冠部剖面形状。

采用这种剖面形状基于的设计理念：冠顶及外锥采用圆弧连续性过渡且较为平缓从而可消除集中点载荷，增加穿硬夹层能力，这种剖面线形相对较长，可以布置更多的切削齿，提高耐磨性，从而延长钻头使用寿命，更浅的内锥可增加心部齿切入地层能力，提高切削效率，亦可使所受载荷更均匀，提高抗冲击性能。

（2）布齿结构。采用螺旋刀翼及规径结构（图4），采用这种螺旋结构可以分散切削齿切削地层时的径向切削力，控制钻头与井壁的接触应力，从而使钻头产生抗回旋运动效果。通过螺旋式刀翼还能使切削齿自然呈现侧倾角，有助于钻井液携带岩屑和清洗井底，同时螺旋式保径与常规保径相比，增加了与井壁的接触面积，保证了钻头具有良好的稳定性和抗冲击性能[3]。

图4 布齿结构

（3）防卡及防泥包设计。针对该区块地层失水严重导致井壁掉块，在钻头接头与冠部连接处容易堆积，形成卡钻问题，采用等宽水槽设计，有效解决了卡钻风险。针对钻头出现的泥包现象，采用专业水力分析软件，对井底流场进行模拟，分析水力分布状况，超深宽水槽的水力结构，优化的流道设计，从而提高钻头中心部位的岩屑运移，并强制冷却金刚石钻头的鼻、肩部齿。经过分析改进的水力结构使钻头在钻井施工过程中，消除了滞流、回流区域，有效杜绝水眼堵塞、钻头泥包现象，解决了因为岩屑运移不畅而导致机械钻速不高的问题。

3 现场应用及对比分析

针对玉门油田雅布赖区块地层个性化设计的金刚石的钻头在雅探601井和雅探603井进行了现场试验，钻头平均进尺217.3 m，平均机械钻速2.94 m/h。相比邻井其他厂家钻头平均值，进尺提高了34.5 m，提高幅度18.9%，机械钻速提高了0.83 m/h，提高幅度39.3%。

4 总结

针对玉门油田雅布赖区块进行了地层可钻性分析，基于分析结果对金刚石钻头进行个性化设计，经过现场应用取得良好效果，得到3个结论。

（1）地层可钻性分析为钻头选型设计提供了有力支撑，钻头的试验效果也验证了可钻性分析结果的正确性。

（2）针对雅布赖区块个性化设计的钻头经现场成功应用，机械钻速提高39.3%，加快了玉门油气开发的步伐，综合经济效益提高，为进一步市场推广使用打下坚实基础。

（3）建立一套基于地层可钻性为基础的金刚石钻头个性化设计新方法。