混合钻头技术特点及应用

混合钻头技术特点及应用

郑兵

中石化石油机械江钻公司，湖北省武汉市， 430223

摘要：相对于PDC和牙轮钻头，混合式钻头是一种新型高效钻头，它紧密结合了牙轮钻头和定齿钻头，可以充分发挥两种钻头的优点。自“十二五”以来，我国石化行业的勘探开发形势仍然不容乐观，这显然为加快钻探工作提出了新的挑战。深部和超深部硬地质构造的加速仍然遇到“钻井速度慢，时间长，成本增加”的难题。它已成为阻碍深层天然气资源开发和设计的技术缺陷之一，而加速的重要性取决于钻头。

关键词：混合钻头；技术特点；应用

1.混合钻头简介

1.1 混合钻头的技术特点及类型

混合式钻头由圆锥和PDC刀片组成，充分结合了两种类型钻头的优点。 PDC切削齿部分可以以较低的WOB速度提供更快的ROP，而圆锥形部分可以减少钻柱的振动，这对钻穿夹层中的硬岩层是有利的。它具有连续低转矩的特性，可以提高中间层形成的耐久性，并且在硬质中间层形成和硬质形成中更快，更稳定。同时，它可以与各种钻井工具一起使用，并且处理井下复杂性的能力比PDC钻头更强。当电动工具不能用于井喷和泄漏的同一复杂层时，这将显示出明显的优势。因此，钻孔的中心仅由主刀片上的PDC刀具切割，而钻孔较困难的外部则由圆锥和固定刀片上的PDC刀具破碎在一起。锥体向刀片的后侧偏移，以便在刀片的前面留下排屑通道和刀片插入口所需的空间。

1.2 混合钻头的优点

（1）混合钻头另外还包括锥体和刀片，它们结合了PDC钻头和锥体钻头的优点。圆锥钻齿会产生不可持续的齿坑，并导致岩层的预破碎。 PDC钻孔根据牙的钻头，将圆锥钻的齿产生的不连续的牙坑连接到中国，然后产生详细的破碎带，从而促使混合钻头在坚硬的环境中具有更高的ROP。塑性变形的地质构造。 （2）在没有对称，硬，软重叠的地质构造中，混合钻头上的圆锥滚子钻齿引起岩层的预破碎，降低了PDC圆锥钻子和圆锥滚子的钻探负荷。钻齿限制了PDC钻齿的穿透深度比PDC钻头深。降低了混合钻头的PDC钻齿中碎屑的可能性，因此，混合钻头的使用寿命更长。 （3）翻转锥上的钻齿可通过减少扭转振动来改善钻头的稳定平衡，而具有刮削作用的PDC钻齿可钻出光滑的井眼，从而降低了钻头的回弹力。与传统的PDC钻头相比，混合钻头的麻花振动降低了50％。粘滑状态仅在低速比的条件下发生，并且钻头在高速旋转条件下的旋转也大大减少。钻头在工作中更稳定，可以防止钻头在初始阶段被破坏。

2.钻头设计技术特点

2.1冠部轮廓设计：鉴于胜利油田的多夹心地层的特征，树冠轮廓设计是基于等磨损和等切削原理的组合来确定适合于钻进多钻头的冠轮廓形状。 三明治形成。

2.2钻探的总体设计：钻头探的总体设计包括诸如钻齿的尺寸，钻探角度，齿的相对密度以及齿的方式等要素。设计计划充分考虑了基本PDC钻头销毁的关键特性：切屑掉落，崩裂，溶出分层和过度损坏，旨在避免PDC钻头的最初销毁。钻孔结构－复合钻孔结构，是通过选择某种齿分布和相对密度的方法来完成的。 （1）钻齿的大小；根据要钻探的地质结构的特征，直径通常为13mm和16mm，也有8mm和19mm。根据钻头的规格和地质结构的特点，选择合适的合成热稳定性规格。多晶金刚石被用作辅助钻探组件，以产生复合钻探结构，以利于钻入坚硬的屏障。 （2）钻探角度：根据钻探的地质结构的软硬程度，从PDC钻头的岩层特征和破岩特性，以及从低到高的地质结构强度，钻齿的钻削角度从小到大逐渐变化，钻齿后的倾斜角度是从垂直于螺旋叶片线法线方向的角度获取的。 （3）齿的相对密度：具有合适的多层地质结构的钻头的齿的相对密度是根据所钻地质结构的强度和可磨性确定的。当钻头在硬，软地质结构的边界条件下工作时，很容易引起振动，这会导致钻头的前端和弧过渡区折断，塌陷，溶解并分层。它将在早期被销毁。因此，适当布置相同的轨道齿可以增加布齿的相对密度并提高PDC钻齿的抗冲击性。（4）钻齿的布置方法：PDC钻头一般采用两种齿分配方法：刀翼式和张开式。根据硬，软地质构造的重叠特征，刀翼式齿形的选择非常容易产生复合钻探结构，可以提高将煤和岩石清理并带入软地质构造中的实际效果，并且硬屏障提高了制冷的实际效果。

2.3钻头水力发电的总体设计：PDC钻头的水电结构与钻头的工作特性和使用寿命的长短有关。除了地质结构强度，可磨性和瞬时载荷对PDC钻齿的影响外，另一个关键因素是PDC钻头的基础材料和钻齿会受到水力发电的侵蚀，从而危害钻头的使用寿命。关于PDC钻头的水力结构和钻头的磨损特性，混合钻头的水力发电的总体设计如下：（1）调节喷嘴的方向角和喷出角度：可以用作冷却PDC钻头，清洁井和运煤基本上，适当调节喷嘴的方向角可以减少水力发电对钻齿和刀体的磨损。 （2）提升钻头铣槽的深层：大大降低了从喷嘴水射流反射面到钻头体的动能，扩大了钻头表面的过电流总面积，减轻了侵蚀喷水器对钻头基体的清洁。

2.4稳定性设计：混合钻头可靠性设计的关键包括以下几个方面。 （1）力平衡设计：根据“力平衡标准”设计方案，钻头可以显着降低钻头的钻孔效果引起的矿井振动，提高钻头的可靠性。 （2）螺旋叶片设计方案：螺旋叶片可以降低钻头的车削效果，有利于压井液带入煤，岩石，清理井眼，以及高钻头的可靠性。 （3）同一轨道上的齿布置设计方案：同一轨道上的齿布置有利于将钻头修复到垂直中心旋转，提高其可靠性，并在某些关键部位增加了钻齿的相对密度。 （4）混合齿分布设计方案：混合钻头的钻孔总体设计。主要的钻削部件是PDC钻齿，在软边界到硬边界条件下，它很容易减少钻头引起的各种振动。

3.现场应用

该井为具有高密度，高强度的陆地地质构造的预探井。特别是徐家河组已发育并发育了大面积的夹层砂，泥岩互层，其地质构造可钻性较差。茅口组的地质构造已经发育并发育出大范围的硅质石灰岩地质构造。王家坪组和灯影组的地质构造硅质含量较高，因此几乎没有可用的钻头。对于下面的小孔，由于钻探设备长，刚度低，不能将钻探压力合理地传递给钻头，导致机械钻探速度降低。

邻井在自流井组进尺243m，消耗了4个圆锥滚子钻头，平均ROP为1.76m / h。钻头严重损坏。因此，有必要选择具有更强的抗冲击性和耐磨性的钻头。为了更好地探索新的加速方法，该井在第二，第三和中场钻探中使用了混合钻头技术。

3.1 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，在千佛崖至自流井段开通了马深1井。选择了三台Baker Hughes KM633混合钻头，录像长度为532.97m，平均ROP为1m / h。井中的钻井设备包括：⌀444.5mmKM633钻头浮动阀阻尼器731×830连接器⌀279.4mm钻collar×3 831×730接头437mm牵开器⌀241.3mm钻collar×3 731×630接头⌀203.2mm钻×时颈圈×7弯曲的短轴631×520接头入口阀⌀139.7mm加重型钻具×12521×ZY540接头connector139.7mm钻具。主要钻井参数：钻井压力160〜245kN，速比75r / min，排量57L / s，垂直压力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须家河组平均机械钻速提高1.4倍，整体表现很好，适应自流井组段地层。

3.2 三开⌀311.2mm井眼国产混合钻头的应用效果分析

马深1井的三孔⌀311.2 mm井孔，使用了江汉生产的KPM163三维RT型混合钻头。地质构造为王家坪组。岩层为深灰色硅质石灰石和深灰色沙质石灰石。岩石层是粉状的。细砂密度高，可钻性差，进尺10.05m，机械钻速0.89m / h。井中的钻井设备包括：⌀311.2mmKPM163三维RT混合扭钻浮球阀631×730连接器阻尼器⌀228.6mm钻collar×2 731×630连接器⌀308mm牵开器⌀203.2mm钻collar×11弯短631×520接头⌀178mm进气阀⌀139.7mm加重钻具×12521×ZY540接头⌀139.7mm钻具。主要钻井参数：钻井压力185kN，转速60r / min，排量43L / s，垂直压力21MPa。如表2所示，由于地质构造含硅量较高，且岩层坚硬而重叠，钻头复合片的承载力参差不齐，复合片在早期被破坏，钻进时间为缓慢地放慢速度，并减少镜头行进，而牙轮钻头具有很高的镜头行进，并且机械钻孔速度略有提高。分析认为，国产混合钻头复合板材的抗磨性和抗冲击性不足。复合材料薄板在早期被破坏，后部的PDC刀片形成支撑点，这损害了圆锥体，使其无法进入地质结构。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

4.结论与建议

4.1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。

4.2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。

参考文献：

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.