孟　鹏，邵冬冬，2，严　沾，蒋　涛，华祝春

(1.江苏石油工程有限公司 钻井处，江苏 扬州 225261；2.中国石化集团 江苏油田博士后科研工作站，江苏 扬州 225009)①



PDC钻头复合钻井技术在苏北油区的应用

孟鹏1，邵冬冬1，2，严沾1，蒋涛1，华祝春1

(1.江苏石油工程有限公司 钻井处，江苏 扬州 225261；2.中国石化集团 江苏油田博士后科研工作站，江苏 扬州 225009)①

摘要：为了提高苏北油区钻井机械钻速，采用了PDC钻头多种复合钻进的钻具组合方法。其中水力脉冲接头配合PDC钻头复合钻井是将常规复合钻进的高转速破岩与脉冲接头、脉冲喷嘴进行组合，把机械能与水利能有效结合的清岩模式；在复合钻井的高效破岩效果下，加上水力脉冲技术，可充分体现多重钻井的提速作用。分析了PDC钻头、螺杆钻具、脉冲接头以及脉冲喷嘴不同的结合方式在苏北油区的应用，结果表明复合钻井技术不同组合方式比常规复合钻井平均机械钻速提高24.44%～123.9%，取得了良好的应用效果。

关键词：PDC钻头；复合钻井；螺杆钻具；脉冲工具

目前，苏北油区开发已经进入缓慢期，大量开发后形成了多断层、构造破碎、复杂小断块油藏，增加了开采难度，如何快速提高钻进速度成为首要任务[1-2]。PDC钻头配合螺杆钻具复合钻井技术已成为钻进过程的主流钻井技术，高效的应用效果得到了普遍认可。在复合钻进的基础上，增加脉冲接头与喷嘴的组合方式，是另一种高效复合钻井技术。

脉冲射流复合钻井技术是基于PDC钻头在“螺杆钻具+转盘钻动”的机械破岩与井底脉冲射流更好地携带岩屑的水力能量相结合的一种提高机械钻速的方法。采用多种钻具的不同组合方法在苏北油区的应用是一种新的尝试，旨在寻找更好的组合配置，提高钻井机械钻速。

1PDC破岩机理

PDC钻头主要依靠冠部来进行岩石切削，不同于牙轮钻头的压入地层，依靠牙齿纵向压裂力破坏岩石的抗压强度的破岩机理。PDC钻头主要是以金刚石颗粒沿着剪切面进行切削，图1为切屑过程示意[3-4]。破岩时主要克服岩石的抗剪强度，而克服岩石的抗剪强度比克服岩石的抗压强度的破岩方式要易于进行。

图1　切屑过程示意

在塑脆性岩石中，在W和T的同时作用下，垂直压力在比岩石硬度小得多的条件下，切屑刃就可以沿θ角切入岩石，使其产生体积破碎。岩石破碎分为3个过程：首先刃前岩石沿剪切面破碎后，T力减小，切削刃向前推进，碰撞刃前岩石；其次在扭力T作用下压碎前方的岩石，使其产生小剪切破碎，扭力T增大；最后刀翼或切削齿继续压挤前方的岩石(部分被压成粉状)，当扭力T增大到极限值时，岩石沿剪切面破碎，然后扭力突然变小。碰撞、压碎及小剪切、大剪切这3个过程反复进行，形成破碎塑脆性岩石的全过程。

根据PDC钻头的破岩机理可以看出：在W钻压较小，在旋转力为定量的情况下，钻头旋转的速度与切削效率成正比关系，复合钻进中螺杆钻具加上转盘驱动的复合钻井技术能增加切削岩石的速度，达到提高钻进速度的目的。

PDC钻头目前还是存在一定的局限性。适合在软至中硬地层中使用，对于地层中存在的夹层与类似玄武岩和辉绿岩等硬度较大的地层不适合使用，会加大钻头金刚石颗粒的快速崩落、损坏。

金刚石颗粒单次切削破岩后，在切削表面岩石周围具有残余应力，形成了岩石破碎带，岩石产生裂纹从而受到了损伤。下次切削破岩时岩石的抗剪强度大幅降低，增加了钻头的使用寿命。

2PDC复合钻井技术

PDC复合钻井技术是以提高钻井机械钻速，快速钻进为目的。在苏北区块复合钻进方式已经得到广泛使用，而PDC钻头+螺杆的钻具组合，配合脉冲接头与喷嘴的钻井技术正在完善中，在应用中起到了良好的提速效果[5-6]。

螺杆钻具是一种以钻井液为动力的井下动力工具，钻井泵泵出的钻井液流经旁通阀进入马达，在马达进出口处形成一定压差推动马达的转子旋转，并将转矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头，达到高转速破岩的目的。

复合钻井技术是利用螺杆钻具的高转速、高转矩带动钻头高速旋转来提高破岩效率的一项技术。主要利用钻头高速旋转的动能产生横向力来剪切、磨蚀地层，其主要破岩特征在于对地层的磨蚀。

由于PDC钻头切削特性，形成了损伤岩石，且PDC钻头切削的岩屑相对体积较小，容易形成沉积以及泥包，造成钻头的反复切削，损伤钻头寿命。随着钻井液密度和井深的增加，液柱压力对井底破碎出来的岩屑产生压持作用，钻头切削出来的岩屑在压差作用下不易离开井底，结果是在井底形成垫层。

脉冲工具配合PDC钻头复合钻井，能加大岩石的冲蚀，减小钻头切削的抗剪强度，利于钻头切割，有效地减缓钻头磨损[7-8]。脉冲接头和喷嘴形成的脉冲射流能增加对岩屑的冲击，形成脉冲涡流打散岩屑，带动岩屑容易返出，减少钻头重复切削。脉冲工具提高了射流的瞬时打击力、有效喷射距离和射流到达井底时的水利能量，配合PDC复合钻进方式大幅提高了钻井速度。

3复合钻井技术的应用

复合钻井技术在苏北油区主要应用在软至中硬地层。

3.1PDC+螺杆的复合钻井方法在安丰28井应用

安丰28井在2 146.55～2 455.00 m井段使用PDC钻头+螺杆(1.25°)进行稳斜钻进，钻头为M164G2D型PDC钻头，进尺308.45 m，纯钻时间34.75 h，机械钻速8.88 m/h。

钻井参数：钻压40～80 kN，转盘转速60 r/min，泵压21 MPa，排量32 L/s。钻井液密度1.23 g/cm3，黏度48 Pa·s，含砂0.2%。地层为泥岩和粉砂岩互层，岩性为软至中硬。

钻具组合：ø215.9PDC钻头+ø172单弯螺杆(1.25°)+ø165浮阀+ø214稳定器+411×4A10接头(定直)+ø159无磁钻铤+ø159螺旋钻铤+4A11×410接头+ø127加重钻杆(斜台阶) +ø127钻杆。

安丰28井与邻井安丰27井钻时对比如图2所示。安丰27井在2 337.88～2 440.00 m井段，与安丰28井岩性、钻井参数基本相同，未使用螺杆配合PDC钻头复合钻井，机械钻速为10.07 m/h；安丰28井在相同井段机械钻速为11.58 m/h，同比机械钻速提高了15%。

图2　安丰28井与邻井钻时对比图

3.2PDC+脉冲接头+螺杆的复合钻井方法在永43-3井应用

永43-3井在2 000～2 610 m井段使用了PDC钻头+脉冲接头+螺杆进行定向钻进，钻头型号为M1640G1DT，使用1个水利脉冲空化射流接头。进尺610 m，纯钻时间37.03 h，机械钻速16.47 m/h。

钻井参数：钻压40～60 kN，转盘转速65 r/min，泵压18 MPa，排量32 L/s。钻井液密度1.19 g/cm3，黏度51 Pa·s，含砂0.2%。地层为泥岩、不等砾砂岩和细砂岩互层，岩性为软至中硬。

钻具组合：ø216PDC+脉冲接头+ø172单弯螺杆(1.25°)+防溅接头+411×4A10(定直)接头+ø159无磁钻铤+4A11×410接头+ø127加重钻杆+411×4A10接头+ø159随钻震击器+4A11×410接头+ø127加重钻杆+ø127钻杆。

永43-3井与邻井永43-6井钻时对比如图3所示。永43-6井在2 000～2 610 m井段，与永43-3井岩性、钻井参数基本相同，未使用水利脉冲空化射流接头配合PDC钻头复合钻井，机械钻速为12.61 m/h；永43-3井在相同井段机械钻速为16.47 m/h，同比机械钻速提高了30.61%。

图3　永43-3井与邻井钻时对比

3.3PDC+脉冲喷嘴+螺杆的复合钻进方法在陈2-60井应用

陈2-60井在1 810～2260 m井段使用了PDC+脉冲喷嘴+螺杆进行定向钻进，钻头型号为M194G2D，使用2个16 mm和2个13 mm脉冲喷嘴。进尺450 m，纯钻时间14.85 h，机械钻速30.98 m/h。

钻井参数：钻压20～40 kN，转盘转速70 r/min，泵压16 MPa，排量32 L/s。钻井液密度1.16 g/cm3，黏度52 Pa·s，含砂0.2%。地层为泥岩和细砂岩互层，夹杂砾石，岩性为软至中硬。

钻具组合：ø216PDC+ø172单弯螺杆(1.25°)+ø212稳定器+ø159浮阀+定向直接头+ø159无磁钻铤+ø159螺旋钻铤+4A11×410接头+ø127加重钻杆(斜台阶) +ø127钻杆。

陈2-60井与邻井陈2-62井钻时对比如图4所示。在1 810～2 260 m井段，与陈2-60井岩性、钻井参数基本相同，未使用脉冲喷嘴配合PDC钻头复合钻井，机械钻速为24.35 m/h。陈2-60井在相同井段机械钻速为30.30 m/h，同比机械钻速提高了24.44%。

图4　陈2-60井与邻井钻时对比

3.4PDC+脉冲喷嘴+脉冲接头+螺杆复合钻井方法在永43-9井应用

永43-9井在374～2 76 5m井段使用了PDC+脉冲喷嘴+脉冲接头+螺杆进行定向钻进，钻头为M165G1DT型，进尺2 391 m，纯钻时间127 h，机械钻速18.83 m/h。

钻井参数：钻压40～60 kN，转盘转速60 r/min，泵压17 MPa，排量32 L/s。钻井液密度1.16～1.23 g/cm3，黏度48～61 Pa·s，含砂0.2%。地层为泥岩和砂岩互层，岩性为软至中硬。

钻具组合：ø216PDC+脉冲接头+ø172单弯螺杆(1.25°)+ø165浮阀+ø212稳定器+定向接头+ø159无磁钻铤+ø159螺旋钻铤+4A11×410接头+ø127加重钻杆+411×4A10接头+ø172随钻震击器+4A11×410接头+ø127加重钻杆+ø127钻杆(斜台阶)。

永43-9井与永43-6井机械钻速对比如表1所示。永43-9井在374～1 770 m、1 770～2 765 mm井段，与永43-6井在岩性、钻井参数基本相同，在相同井段机械钻速分别提高12.94%、92.58%，整体提高123.9%。

表1　永43-9井与永43-6井机械钻速对比

在3个区块4口井(安丰28井、永43-3井、陈2-60井和永43-9井)的应用效果表明：PDC+螺杆复合钻进方式比常规钻进机械钻速提高15%；PDC+脉冲接头+螺杆复合钻进方式比常规复合钻井方式机械钻速提高30.61%；PDC+脉冲喷嘴+螺杆复合钻进方式比常规复合钻井方式机械钻速提高24.44%；PDC+脉冲喷嘴+脉冲接头+螺杆复合钻进方式比常规复合钻井方式机械钻速提高123.9%。

4结论

1)“PDC+螺杆钻具”钻具组合配合转盘驱动的复合钻井技术能增加切削岩石的速度，从而提高了机械钻速。

2)脉冲工具较好地利用了射流的瞬时打击力、有效喷射距离和射流到达井底时的水利能量，配合PDC复合钻进方式提高了钻井速度。

3)针对苏北区块地层不同情况，可调整复合钻井中钻具的组合方式，优化配置。

4)4口井应用证明脉冲工具复合钻井相比常规复合钻井的平均机械钻速提高了24.44%～123.9%，达到较好的提速效果，具有推广应用价值。

参考文献：

[1]杨德勇.螺杆钻具加PDC钻头钻井技术[J].工业设计，2011(5)：212.

[2]袁赞兵.PDC+螺杆钻具复合钻井方法在塔河油田的应用[J].科技信息，2012(27)：500-501.

[3]伍开松，廖飞龙.岩石切削损伤后PDC 齿破岩规律探讨[J].石油机械，2014，42(5)：29-33.

[4]邓敏凯，吴开松，胡伟.PDC钻头切削齿破岩仿真与试验分析[J].石油机械，2014，42(1)：10-13.

[5]于伟，汪海兰，刘学国，等.动力钻具配合高效钻头技术在中原油田钻井的应用[J].内蒙古石油化工，2012(3)：101-105.

[6]汪海阁，刘杰，朱明亮.井下动力钻具配合高效钻头提高钻井效率的实验研究[J].钻采工艺，1999，22(2)：1-3.

[7]饶开波，刘彬，王义雄，等．水力脉冲空化射流钻井技术现场试验[J].钻采工艺，2012，35(5)：121-122.

[8]王学杰，李根生，康延军，等.利用水力脉冲空化射流复合钻井技术提高钻速[J].石油学报，2009，30(1)：117-120.

PDC Drill Bit Compound Drilling Technology in the Oil Region of Northern Jiangsu

MENG Peng1，SHAO Dongdong1，2，YAN Zhan1，JIANG Tao1，HUA Zhuchun1

(1.DrillingCompany，SINOPECOilfieldServiceJiangsuCorporation，Yangzhou225261，China；2.PostdoctoralWorkstationofJiangsuOilExplorationCorporation，SINOPEC，Yangzhou225009，China)

Abstract：In order to improve oil well drilling in Northern ROP，using PDC bit more complex drilling BHA method has been applied.The hydraulic pulse joint compound drilling with PDC bits are the combination of conventional composite drilling rock breaking，high speed pulse joints，pulse nozzle，turning rock mode to mechanical energy and effective combination of water conservancy.Under the effect of compound drilling rock breaking efficiency，coupled with hydraulic pulse technology，the role of multi-speed drilling can be fully reflected.The PDC drill bits，screw drill，pulse and pulse nozzle joint approach in the application of different combinations Subei oil region are analyzed，the results show that different combinations of compound drilling 24.44%～123.9% increase on average than conventional composite drilling ROP，get good application effect，has the value of application.

Keywords：PDC bit；composite drilling；screw drill tool；pulse tool

中图分类号：TE921.1

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.016

作者简介：孟鹏(1991-)，男，安徽六安人，现从事钻井工艺技术和工程设计应用研究，E-mail：mengpeng.jsyt@sinopec.com。

收稿日期：①2015-09-06 中石化江苏石油工程有限公司项目“井底脉冲射流-不对称流场喷射钻井技术”(JS140702)；江苏省博士后科研资助计划(1402088B)

文章编号：1001-3482(2016)03-0070-04