PDC 鉆頭落井打撈方法分析與應(yīng)用

劉成杰，高薇薇

（1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300450；2. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

近年來油價(jià)持續(xù)走低，降本增效一直為各大石油公司秉持的基本原則。如何降低油氣生產(chǎn)成本，已然成為石油行業(yè)亟待解決的問題。從原油開采生產(chǎn)過程分析，原油生產(chǎn)成本包括勘探、開發(fā)和采油三部分，其中開發(fā)鉆井成本約占三分之一。降低鉆井成本最有效的手段是提高單只鉆頭的鉆進(jìn)速度和進(jìn)尺，提高鉆頭的破巖性能[1]。

PDC (Polycrystalline Diamond Compact Bit)鉆頭在軟地層和中等硬度地層中的破巖性能非常好，鉆進(jìn)速度高，使用時(shí)間長(zhǎng)，大幅度提高鉆井工作效率，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益，因此PDC 鉆頭廣泛應(yīng)用于鉆井作業(yè)，市場(chǎng)占有率已達(dá)到75%～80%[2-4]。但隨著PDC 鉆頭的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)出現(xiàn)鉆頭類型和地層硬度不匹配、鉆頭本身質(zhì)量問題以及其他復(fù)雜的井下問題，為有效降低鉆井成本，需根據(jù)實(shí)際情況采取最合理有效的處理方式，以最大程度實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井。

1 PDC 鉆頭常見故障類型

PDC 鉆頭是聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭的簡(jiǎn)稱，包括胎體式PDC 鉆頭和鋼體式PDC 鉆頭兩種類型[5]。在鉆井作業(yè)中，由于PDC 鉆頭質(zhì)量、井下時(shí)間、磨損、受扭、承壓、震動(dòng)等多種原因[6-9]，PDC 鉆頭常見的故障類型有：齒韌崩裂、刀翼折斷和鉆頭落井，前兩種故障通過起鉆更換鉆頭即可解決，第三種相對(duì)棘手。如果鉆頭落井事故處理方式方法不正確，將造成延誤工期、甚至報(bào)廢井眼等后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此需根據(jù)鉆頭落井狀態(tài)采取最合理的解決方法，以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失。

2 PDC 鉆頭落井案例

渤海地區(qū)某油井鉆水泥塞在165 m 至187 m鉆速忽快忽慢，至187 m 無進(jìn)尺，10 m3稠漿清掃井眼，返出少量水泥碎塊，無其他異常。多次調(diào)整鉆井參數(shù)后，扭矩輕微波動(dòng)（1～5 kN·m），馬達(dá)無工作壓差，仍無進(jìn)尺。起鉆檢查，發(fā)現(xiàn)鉆頭脫扣落井，馬達(dá)母扣基本被磨平。

鉆頭為16″方源FMS34，鉆頭尺寸參數(shù)：公扣端水眼內(nèi)徑為76 mm，其通徑長(zhǎng)度為365 mm；鉆頭臺(tái)肩面到刀翼根部打撈段的長(zhǎng)度為175 mm，其打撈外徑為293 mm；731 扣的扣長(zhǎng)（扣的上端面到臺(tái)肩面的距離）為133.4 mm。

3 PDC 鉆頭打撈方法應(yīng)用分析

在常規(guī)鉆井過程中，絲扣本身質(zhì)量問題、人為絲扣未擰緊以及鉆井參數(shù)不合理均會(huì)導(dǎo)致鉆頭意外落井。鉆頭落井后的狀態(tài)主要有：居中、側(cè)翻和倒翻（圖1）。

圖1 落井鉆頭狀態(tài)

鉆頭落井情況不同采取的處理方式也不同。裸眼鉆井過程中鉆頭落井，一般直接填井放棄；下套管過程中鉆頭落井，則鉆頭打撈更為合理。針對(duì)本次PDC 鉆頭落井情況分析，選擇保留井眼打撈鉆頭。

3.1 傳統(tǒng)磨銑落井鉆頭

在鉆頭落井處理過程中，磨銑落井鉆頭是常用的一種傳統(tǒng)處理方法，通過下磨銑工具將落井鉆頭磨碎并隨泥漿返出。但其主要用于6″和8-1/2″小鉆頭，而PDC 鉆頭硬度大，磨銑過程極其困難進(jìn)程緩慢，磨銑工作平均3～4 d，工作時(shí)間長(zhǎng)，打撈成本高[10]。

3.2 公錐打撈

PDC 鉆頭落井后，在井下屬于滿眼情況，居中狀態(tài)可以直接使用專用打撈工具和傳統(tǒng)打撈方法，采用鉆頭頂端水眼公錐打撈，或者采用母錐、母扣與鉆頭絲扣造扣、對(duì)扣的方法。

根據(jù)出井馬達(dá)母扣端照片（圖2），判斷鉆頭公扣絲扣已被磨損，故選擇公錐造扣內(nèi)打撈，公錐椎體尺寸結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 出井馬達(dá)母扣照片

圖3 公錐椎體尺寸

應(yīng)用公錐打撈作業(yè)時(shí)，多次變換角度、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，公錐均很難成功進(jìn)入鉆頭水眼。打撈鉆具組合：

（1）公錐（打撈徑65～100 mm）+短鉆桿（3 m）+變扣+15-3/4″扶正器+8″鉆鋌1 柱+變扣+加重鉆桿（4 柱）+鉆桿

（2）公錐（打撈徑65～100 mm）+短鉆桿（3 m）+變扣+16″扶正器+8″鉆鋌1 柱+變扣+加重鉆桿（4 柱）+鉆桿

（3）公錐（打磨坡角，打撈徑40～97 mm）+鉆桿單根（9.5 m）+16″扶正器+變扣+加重鉆桿（4 柱）+鉆桿

（4）公錐（打磨坡角，打撈徑40～97 mm）+短鉆桿（3 m）+變扣+16″扶正器+8″鉆鋌（1 根）+15-3/4″扶正器+變扣+加重鉆桿（4 柱）+鉆桿

（5）公錐（打磨坡角，打撈徑65～100 mm）+短鉆桿（3 m）+變扣+16″扶正器+8″鉆鋌（1 根）+15-3/4″扶正器+變扣+加重鉆桿（4 柱）+鉆桿

分析公錐打撈過程，首先嘗試將公錐打磨坡角，以具有一定引入效果，提高公錐進(jìn)入鉆頭水眼機(jī)率，但未能成功。上提公錐顯示單側(cè)面有明顯造扣痕跡，據(jù)此判斷公錐插入鉆頭與井眼間環(huán)空，致使公錐打撈方法失敗。根據(jù)多次打撈失敗情況，采取下鉛模打鉛?。▓D4）。鉛印顯示井下鉆頭歪斜、不居中，且鉆頭公扣破損，傳統(tǒng)打撈方法束手無策，打撈鉆頭難度較大，急需一種更合理的打撈方法。

圖4 井下鉆頭鉛印

3.3 改進(jìn)鉆頭流道的一把抓打撈

分析多次失敗數(shù)據(jù)和公錐鉛印，提出兩趟鉆打撈方法。

3.3.1 第一趟鉆：引鞋扶正、居中鉆頭

鉆具組合：269.9 mm 打撈筒(配381 mm 加大引鞋)+變扣+加重鉆桿+變扣+393.7 mm 扶正器+變扣+加重鉆桿+鉆桿。

打撈筒加大引鞋具有很強(qiáng)的扶正、引導(dǎo)井下鉆頭的功能（圖5），即使本體與套管之間有絲扣掉塊，也可通過旋轉(zhuǎn)將鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)并居中；且381 mm 加大引鞋可恰好套入鉆頭本體，如圖6 所示；同時(shí)可開泵沖洗鉆頭，確保井底清潔，為后續(xù)打撈作業(yè)掃清障礙。

圖5 扶正引鞋

圖6 引鞋扶正、鉆進(jìn)模擬

3.3.2 第二趟鉆：改進(jìn)的鉆頭流道打撈工具“一把抓”打撈PDC 鉆頭

鉆具組合：一把抓工具+大小頭+變扣+加重鉆桿+變扣+393.7 mm 扶正器+8″鉆鋌+變扣+加重鉆桿+鉆桿。

根據(jù)鉆頭流道應(yīng)用61PPF 327.7 mm 套管加工滿足要求的“一把抓”工具（圖7）。

圖7 改良“一把抓”

（1）每個(gè)爪的寬度為5～10 cm 漸變形態(tài)，5個(gè)爪翼均勻分布，精確定位；

（2）增加爪翼長(zhǎng)度至60 cm，加工爪翼呈弓形，末端內(nèi)收，直徑320 mm，弓形最大外徑360 mm，受壓后可發(fā)生屈曲變形，以防止折斷；

（3）為保證爪翼更容易產(chǎn)生形變，爪翼末端200 mm 壁厚打薄至7 mm（原套管壁厚10 mm）；

（4）5 個(gè)爪翼通過鉆頭流道下入井底后，通過下壓產(chǎn)生內(nèi)收形變抓住鉆頭。

鉆頭流道打撈工具打撈PDC 鉆頭過程：

（1）通過鉆桿下放打撈工具至井下鉆頭附近，精確定位；

（2）旋轉(zhuǎn)鉆頭調(diào)整遇阻位置及角度，確保爪翼順利通過流道，包住鉆頭；

（3）繼續(xù)施加壓力使爪翼屈曲變形，爪爪相扣，包裹落井鉆頭，并成功打撈（圖8）。

3.4 PDC 鉆頭打撈程序建議

兩趟鉆打撈方法首先根據(jù)鉛印判斷井底鉆頭狀態(tài)，若確定為歪斜情況，第一次下鉆根據(jù)鉆頭型號(hào)尺寸選擇合適的扶正引鞋，扶正歪斜鉆頭；第二次根據(jù)鉆頭尺寸制作流道打撈工具，完成鉆頭打撈，尤為適用于井下鉆頭歪斜、不居中情況。此次鉆頭打撈過程驗(yàn)證了兩趟鉆打撈方法對(duì)落井鉆頭歪斜情況的可操作性和有效性，避免了公錐打撈的多次下鉆，節(jié)省時(shí)間，降低作業(yè)成本。

圖8 成功打撈脫扣鉆頭

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）面對(duì)落井PDC 鉆頭傾斜、不居中，常規(guī)打撈困難、打撈成本高的復(fù)雜情況，優(yōu)化打撈方法，加大引鞋扶正、居中落井鉆頭，清潔井眼，確保后續(xù)打撈作業(yè)順利進(jìn)行，首次應(yīng)用即取得良好效果，明顯縮短打撈工期，降低成本。

（2）記錄打撈過程的各種參數(shù)，分析數(shù)據(jù)參數(shù)和失敗的征兆，有利于提出更加合適的打撈方法。

（3）根據(jù)鉆頭流道改進(jìn)鉆頭打撈工具，增強(qiáng)打撈工具在鉆頭與流道間的通過性，提高鉆頭打撈的成功率。

（4）打撈工具“一把抓”需進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材質(zhì)選擇，形成足夠強(qiáng)度通用型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)。