忍者齿PDC钻头在渤海油田花岗岩潜山地层的应用

马宏伟，耿立军，马志忠，袁则名，和鹏飞

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司 工程技术作业中心（天津 300459）

2.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司（天津 300452）

随着渤海油田的勘探逐渐走向深部地层，如何既能提高机械钻速又能减小井下复杂情况的发生、提高作业质量和效率显得尤为重要。受埋藏深度的影响，井深越深，地层的压实程度越高，岩石硬度增加，塑性增强，PDC钻头吃入地层的能力越差，机械钻速越低，进而导致钻井周期越长。目前渤海海域深层太古界变质岩潜山地层平均埋深4 304 m，地层岩性主要为花岗片麻岩，地层很硬，机械钻速很低。常规PDC钻头配合扭力冲击器技术，钻头单趟进尺少，机械钻速低，钻头破坏严重。针对常规PDC钻头使用效果差这一问题，开展了相关的分析和研究，开发了一种新的忍者齿PDC钻头[1-6]。忍者齿PDC钻头抗冲击性更强，钻头工作表现良好，对钻井作业提速提效有很大的帮助[7-8]。

1 常规PDC钻头+扭力冲击器技术应用效果

A井、B井是渤海海域某个同一构造上的2口探井，其井身结构数据见表1。

表1 A井、B井井身结构表

A井、B井在六开井段使用相同钻具组合如下：Φ152.4 PDC钻头+Φ127扭力冲击器+430mm×410 mm变扣+Φ120.65浮阀+Φ120.65钻铤×24 mm+Φ120.65（挠性接头+震击器）+Φ88.9加重钻杆×14+Φ88.9钻杆×120+311 mm×DSHT55B变扣+Φ139.7钻杆。

U613M钻头配合扭力冲击器在A井、B井六开井段中都进行了入井使用，地层岩性为花岗片麻岩。A井、B井使用钻井参数为钻压9～10 t，泵排量为67.7 L/s，转盘转速为60 r/min，钻井液密度为1.17 g/cm3，各井段使用情况见表2。

表2 U613M钻头在A井、B井六开152.4mm井段使用情况

图1所示A井U613M出井钻头磨损很小，而图2所示B井U613M出井钻头磨损比较严重，内锥齿及冠部齿均被磨秃。

图1 A井U613M出井照片

2 钻头磨损情况分析与改进

2.1 钻头磨损情况分析

A井和B井入井两只钻头型号为U613M且均为新钻头，由测井资料获得岩石抗压强度、岩石内摩擦角见表2。①通过A井和B井岩石抗压强度对比，在选用相同钻头时，A井的抗压强度，选用常规U613M可以承受，在扭力冲击器保护下，钻头磨损程度小；②B井的抗压强度超出相同U613M的抗冲击最高限，导致钻头严重崩齿，进而寿命大大降低（图2）；③根据以上情况，迫切需要在不减少钻头攻击性的情况下增加钻头抗冲击性能。

图2 B井U613M钻头出井照片

2.2 PDC钻头齿改进

1）选用抗冲击性更强的忍者齿，增强钻头整体抗冲击性[9-10]，忍者齿采用4象限受力模式，把受到的地层冲击力分化到4个象限，单个象限受到的冲击力远小于常规单个复合片受到的冲击力（图3）。

图3 常规复合片

2）常规PDC复合片采用平面结构；忍者齿采用中间十字棱结构，复合片呈扇形集中结构。

3）平面复合片厚度1.5 mm；忍者齿圆周厚度1.5 mm，中心厚度2 mm，从物理材质上增加了复合片整体抗冲击性。

4）忍者齿复合片呈5°斜坡，在剪切地层时，复合片边缘受到的冲击力分散到每个扇形复合片。

5）忍者齿十字棱配合扭力冲击器形成锥形吃入地层结构，与地层呈咬合状，相当于复合片镶嵌在地层中。

6）十字棱同心圆剪切地层，PDC钻头剪切地层时，十字棱在扭力冲击器作用下，形成锥形剪切地层，十字棱在每个刀翼排量呈同心圆型，在几何学上最佳剪切排列（图4）。

图4 忍者齿复合片

3 忍者齿PDC钻头在C井中的应用

C井152.4 mm井段钻具组合与A、B井相同，钻井参数为钻压9～10 t，泵排量为67.7 L/s，转盘转速为60 r/min，钻井液密度为1.17 g/cm3。

C井152.4 mm(6")花岗片麻岩井段使用忍者齿PDC钻头配合扭力冲击器，单趟钻进尺245 m，平均机械钻速4.3 m/h，比A井、B井钻头单趟进尺提高6～7倍，机械钻速提高65%～72%，提速效果明显且出井钻头磨损较轻(表3、图5、图6)。钻进过程中，各钻井参数平稳，泵压波动正常。

表3 U613M忍者齿钻头在8井五开152.4mm井段使用情况

图5 C井忍者齿PDC钻头U613M入井照片

4 结论

1）忍者齿的设计增强了PDC钻头整体的抗冲击性能，从A井、B井、C井岩石力学参数对比来看，B井与C井地层硬度相当，通过两口井出井钻头磨损分析，加上扭力冲击器对钻头切削齿的保护作用，忍者齿PDC钻头的抗冲击性能进一步提高。

2）为进一步提高忍者齿钻头的抗冲击性，可将副切削刀翼齿设计为双排齿或设计成七刀翼忍者齿PDC钻头。

3）为防止钻头喷嘴在正常钻进过程中脱落，可在钻头入井前在喷嘴与钻头本体连接丝扣处涂抹厌氧胶。

4）现场实践证明，忍者齿PDC钻头渤海油田花岗岩潜山地层提速效果明显，与邻井相比提速约65%～72%，进尺提高6～7倍。