馬上剛,崔 凱,何 軍,楊 浩,張 聰

(中國石油西部鉆探工程有限公司玉門鉆井公司，甘肅酒泉735200)

1 混合鉆頭簡介

1.1 混合鉆頭特點

混合鉆頭，即牙輪-PDC混合鉆頭,它融合了牙輪鉆頭和PDC鉆頭的優(yōu)點，將牙輪鉆頭的沖擊破碎和PDC鉆頭的剪切破碎這兩種破巖方式集中在同一種鉆頭上，以適應(yīng)復(fù)雜地層和特殊鉆井工藝的鉆井需要。根據(jù)鉆頭直徑的不同，常見的混合鉆頭有兩牙輪兩刀翼、兩牙輪四刀翼、三牙輪三刀翼、四牙輪四刀翼等不同設(shè)計。

1.2 混合鉆頭提速機理

1.2.1 在硬地層、硬塑性地層提速機理

在難鉆的硬地層、硬塑性地層等地層，普通PDC鉆頭以刮削方式破碎巖石，使巖石產(chǎn)生剪切滑移而破碎，但由于PDC切削齒吃入地層深度不夠，故切削效率低，機械鉆速較低。普通牙輪鉆頭以沖擊壓碎方式破碎巖石，在巖石上形成齒坑，但在硬地層、硬塑性地層等地層，由于地層硬，不能使巖石完全發(fā)生沖擊破碎，在巖石上形成齒坑小，故牙輪切削齒的破巖效率也低，因而機械鉆速也較低。而混合鉆頭同時包含牙輪和PDC刀翼，將PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，牙輪切削齒形成不連續(xù)的齒坑，對巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，PDC切削齒通過切削，將牙輪切削齒形成的不連續(xù)的齒坑連通，從而形成完整的破碎環(huán)帶，使得混合鉆頭在硬地層、硬塑性地層中具有較高機械鉆速。

1.2.2 在不均勻及軟硬交錯地層提速機理

在不均勻及軟硬交錯地層，混合鉆頭上的牙輪切削齒對巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，降低了PDC切削齒的切削載荷；同時牙輪切削齒也限制了PDC切削齒吃入地層深度，相對于普通PDC鉆頭，混合鉆頭上的PDC切削齒發(fā)生崩齒的幾率下降，因而混合鉆頭的壽命更長，從而取得比較穩(wěn)定的機械鉆速。

1.3 混合鉆頭的優(yōu)點

（1）混合鉆頭在破巖時先進行預(yù)破碎后再進行切削破碎，提高了PDC切削齒的切削效率,降低了PDC切削齒異常損壞的幾率。因此，混合鉆頭在非均質(zhì)地層鉆進能取得較高的機械鉆速和單只進尺。

（2）混合鉆頭相比PDC鉆頭，鉆進中扭矩小，并且扭矩更加穩(wěn)定，因此，在滑動鉆進中能較好地保持工具面穩(wěn)定，從而提高定向效率。

（3）由于混合鉆頭具有牙輪鉆頭的部分特征，因此，在井下復(fù)雜時可代替牙輪鉆頭進行通井作業(yè)，從而一趟鉆同時完成鉆進和通井雙重任務(wù)。

2 鴨西區(qū)塊白堊系地層巖性特征

鴨西區(qū)塊的白堊系地層僅發(fā)育下統(tǒng)，自下而上分別為赤金堡組（K1c）、下溝組（K1g）以及中溝組（K1z）。

2.1 赤金堡組地層巖性特征

主要巖性為灰綠、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰綠灰白色含礫粗砂巖和灰綠色礫巖互層。

2.2 下溝組地層巖性特征

下部為灰綠色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰綠色含礫砂巖，夾黑色泥巖、砂巖及棕褐色礫巖、礫狀砂巖；中部為灰綠色礫巖、砂礫巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾灰綠色砂巖、灰白色含礫中細砂巖；上部為灰白色、淺棕紅色、灰綠色含礫中細砂巖、礫狀砂巖，夾棕紅色泥質(zhì)粉砂巖、灰黑色泥巖薄層。

2.3 中溝組地層巖性特征

主要巖性為棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖及含礫泥質(zhì)砂巖，夾灰白色礫狀砂巖及含礫粗砂巖，局部夾灰綠色泥礫巖。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 混合鉆頭在鴨西201井應(yīng)用情況分析

3.1.1 應(yīng)用情況鴨西201井共使用兩只混合鉆頭，第一只?216mm KPM1642ART混合鉆頭采用兩牙輪四刀翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，PDC刀翼選用16mm復(fù)合片、單排布齒，鉆進井段3993～4254m，進尺261m，純鉆112.83h，機速2.31m/h；第二只?216mm KPM1642DRT混合鉆頭采用兩牙輪四刀翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，PDC刀翼選用16mm復(fù)合片、雙排布齒，鉆進井段4366～4600m，進尺234m，純鉆66h，機械鉆速3.55m/h。兩只鉆頭所鉆地層均為白堊系下溝組，巖性為灰色粉砂質(zhì)泥巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖、深灰色泥巖、灰色熒光泥質(zhì)粉砂巖、灰色含礫不等粒砂巖。

3.1.2 提速效果分析

從表1的對比可以看出：鴨西201井第一只混合鉆頭鉆進進尺261m，相比上一只常規(guī)PDC鉆頭單只進尺提高了128.95%；平均機械鉆速2.31m/h，相比上一只常規(guī)PDC鉆頭平均機速提高了43.47%。

表1 鴨西201井第一只混合鉆頭與同井常規(guī)PDC鉆頭使用情況對比

從表2的對比可以看出：鴨西201井第二只混合鉆頭為其它井使用的舊鉆頭(前期在其它井純鉆43.33h)，在本井進尺234m，相比上一只常規(guī)PDC鉆頭進尺提高了108.93%；平均機械鉆速3.55m/h，相比常規(guī)PDC鉆頭平均機速提高了86.84%。

表2 鴨西201井第二只混合鉆頭與同井常規(guī)PDC鉆頭使用情況對比

3.1.3 磨損情況分析

鴨西201井第一只混合鉆頭?216mm KPM1642ART起出鉆頭PDC切削齒磨損、兩個牙輪分別斷齒5顆、9顆，牙輪軸承未見曠動，見圖1；第二只混合鉆頭?216mm KPM1642DRT起出后PDC切削齒輕微磨損、兩個牙輪軸承曠動5～8mm，見圖3；而 在兩只混合鉆頭之間井段使用的一只常規(guī)PDC鉆頭?216mm M1352JA起出后鉆頭切削齒磨損嚴重，形成5mm深的凹槽，完全報廢，見圖2。對比分析可看出：同等地層條件下，混合鉆頭磨損程度明顯小于常規(guī)PDC鉆頭。

圖1 KPM1642ART起出情況

圖2 M1352JA起出情況

圖3 KPM1642DRT起出情況

3.2 混合鉆頭在鴨西1-25井應(yīng)用情況分析

3.2.1 應(yīng)用情況

鴨西1-25井使用的?216mm KPM1642ART混

合鉆頭采用兩牙輪四刀翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，PDC刀翼選用16mm復(fù)合片，單排布齒。鉆進井段3998～4244m，進尺246m，純鉆62.33h，機速3.95m/h，地層巖性以灰色泥巖、灰色砂巖、灰白色泥質(zhì)粉砂巖及深灰色白云質(zhì)泥巖為主。

3.2.2 提速效果分析

從表3的對比可看出：鴨西1-25井單只混合鉆頭鉆進進尺246m(本井完鉆，該鉆頭仍可繼續(xù)使用)，相比上一只常規(guī)PDC鉆頭進尺提高了54.72%；平均機械鉆速3.95m/h，相比常規(guī)PDC鉆頭平均機速提高了35.74%。

表3 鴨西1-25井混合鉆頭與同井常規(guī)PDC鉆頭使用情況對比

4 結(jié)論

(1)在鴨西區(qū)塊白堊系地層應(yīng)用，使用三只混合鉆頭相比常規(guī)PDC鉆頭平均提速46.89%，最大提速86.84%；單只進尺平均提高92.47%，最大提高128.95%。

(2)從鴨西201井白堊系地層相鄰井段三只不同鉆頭的磨損情況分析得出：同等地層條件下混合鉆頭的磨損程度明顯小于常規(guī)PDC鉆頭。

(3)?216mm混合鉆頭采用螺桿鉆具復(fù)合鉆進，最高單只純鉆時間112.83h，使用壽命達到或高于同尺寸、同等使用條件下的牙輪鉆頭。