准噶尔盆地哈山区块二叠系—石炭系火成岩发育^[1]，分布广、厚度大，岩石硬度高、研磨性强、可钻性差，钻井过程中井眼失稳、地层漏失、蹩跳钻、断钻具和卡钻等井下故障频发，难以实现安全高效钻进^[2]。国外Smith公司针对强研磨性硬地层钻井提速技术难题，研发了孕镶金刚石钻头和高速涡轮钻具，但孕镶金刚石钻头采用长保径设计，仅适用于井壁稳定地层；高速涡轮钻具掉块卡钻风险高，处理困难。国内前期进行了多种钻井提速技术探索，哈山3井上部地层采用“PDC钻头+扭冲钻具”和VTK垂直钻井技术，取得了良好的提速效果，但进入火山岩地层后钻头进尺变短、机械钻速变慢；空气钻井技术提速效果良好，但地层出水使其应用受限（哈山201井地层出水量达到了33 m³/h）；哈深2井在应用自激振荡式旋冲工具钻进火山岩地层时蹩跳钻严重，钻速不足0.25 m/h^[3–5]。为此，笔者针对哈山区块火山岩地层特征和钻井技术难点，对孕镶金刚石钻头的刀翼结构和水力流道进行了优化设计，采用了新型预合金胎体合金材料，优选高品质抗磨天然金刚石晶体，通过大量试验获得了钻头最佳烧结温度，设计了刀翼式孕镶金刚石钻头，并与大扭矩高速螺杆钻具配合在哈山101井进行了应用，机械钻速和钻头进尺大幅提高，实现了火山岩地层提速技术的突破。

1.   地质特征和钻井难点

1.1   地质特征

哈山区块位于准噶尔盆地西部隆起哈山山前构造带前缘冲断带，南邻玛湖凹陷，北部以达尔布特断裂为界与和什托洛盖盆地相接，有利勘探面积约1 000 km²，邻区发现了百口泉、乌尔禾、风城和夏子街等4个油田，具有较好的油气地质条件。该地区地表出露石炭系、二叠系和白垩系地层，其余被第四纪地层覆盖。石炭系地层火山岩发育，厚度达2 000.00 m以上，上部风城组主要为灰色、深灰色泥岩，夹凝灰质砂岩、白云质泥岩，下部佳木河组主要为深灰色、灰色火山角砾岩和深灰色火山岩。随着井深增加，地层岩石抗压强度升高，哈山区块岩石力学试验结果表明，上部地层岩石单轴抗压强度158.44～288.79 MPa，硬度1 647～2 307 MPa，深部火山岩地层围压60 MPa条件下的抗压强度达530.6 MPa（见表1），岩石可钻性级值普遍在10以上。

表  1  哈山区块岩石力学试验结果

Table  1.  Test results of the mechanical performance of coring rock in Hashan Block

样品编号	围压/ MPa	温度/ ℃	饱和 状态	抗压强度/ MPa	杨氏模量/ GPa
hs101-3326-sp0	0	20	干燥	163.58	27.89
hs101-3326-sp45	0	20	干燥	158.44	26.98
hs101-3326-cz1	0	20	干燥	175.65	28.97
hs101-3937-cz1	0	20	干燥	288.79	59.72
hs101-3326-cz2	30	20	干燥	408.81	46.54
hs101-3326-cz3	60	20	干燥	530.60	55.48

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1.2   钻井技术难点

钻进不同岩性地层时的钻速差异很大，哈山区块上部凝灰岩地层可钻性好、钻速较快，玄武岩地层次之。该区块地层岩心力学试验结果发现，下部地层岩石强度高、可钻性差，围压条件下岩心的抗压强度甚至高于川东北地区须家河组二段地层，其中火山岩地层岩石硬度高、研磨性强，破岩难度极大，钻井提速面临巨大挑战。

1）下部地层强度高，PDC钻头易崩齿和断齿；牙轮钻头进尺少、机械钻速低，起下钻频繁^[6]。哈深2井完钻井深5 238.26 m，共使用钻头162只，平均机械钻速仅0.73 m/h（见表2）。哈山101井上部井段气体钻井发生燃爆后转换为常规钻井，平均单只牙轮钻头进尺10.72 m，纯钻时间30.86 h，机械钻速0.35 m/h，掉齿磨损严重（见图1）。

表  2  哈山区块部分完钻井的钻井技术指标

Table  2.  Drilling technical indicators of some drilled wells in the Hashan Block

井号	井深/m	火山岩厚度/m	钻井周期/d	机械钻速/（m·h–1）	钻头总量/只	牙轮钻头用量/只
哈山1井	2 554.00	2 008.00	105.4	1.86	29	20
哈山3井	4 139.80	3 532.80	412.3	1.24	62	52
哈深2井	5 238.26	5 148.30	823.8	0.73	162	142

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图  1  哈山101井火山岩地层牙轮钻头出井形貌

Figure  1.  POOH morphology of roller bit after drilling in the volcanic rock formation of Well Hashan101

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2）哈山区块受地壳运动和造山运动影响，区域构造地应力异常，钻井过程中易发生井眼失稳、剥落掉块等井下故障，卡钻风险高。哈深2井采用“常规孕镶金刚石钻头+高速螺杆钻具”复合钻进时发生卡钻事故，采取多种解卡措施无法解卡，被迫提前完钻。哈山101井钻进过程中扭矩波动幅度大，钻井泵时有憋压（压力增幅约1.0 MPa），振动筛始终有掉块返出（见图2）。

图  2  哈山101井稠浆携岩返出掉块

Figure  2.  Caving returns carried out by viscous mud of Well Hashan101

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2.   刀翼式孕镶金刚石钻头设计

孕镶金刚石钻头是一种自锐性钻头，以微剪切和研磨联合作用方式破碎岩石，用于钻进致密难钻地层和强研磨性软硬交错地层，是强研磨性、高抗压强度和高温地层提速的有效工具。不同火山岩地层岩性和物理力学性质差别大，钻头结构、地层岩性变化、岩石特性直接影响钻头的使用寿命和钻进速度^[7–8]，通过优化钻头结构、胎体性能、烧结工艺和水力流场，可以提高孕镶金刚石钻头的性能^[9]。针对常规孕镶金刚石钻头易发生阻卡、中心易磨损及本体强度不足等问题，在总结前期现场应用经验的基础上，根据哈山区块火山岩地层特征，进行了特种孕镶金刚石钻头结构和水力流道防卡优化设计，研发了新型胎体合金材料和切削齿，在此基础上设计了刀翼式孕镶金刚石钻头。

2.1   钻头结构及水力流道优化

前期针对高研磨性砂砾岩地层钻井提速难题，综合考虑钻头寿命、钻井效率及配套使用高速螺杆钻具，增大了钻头保径长度，以提高其工作稳定性；钻头设计为双锥形15刀翼结构，切削齿在井底平衡均布，以增大岩石接触面积（ 见图3（a））。

图  3  刀翼式孕镶金刚石钻头改进前后的结构对比

Figure  3.  Structural comparison of the blade-type impregnated diamond drill bit before and after improvement

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为了能够适应哈山区块火山岩地层抗压强度高、胶结致密、井壁易剥落掉块的特点，并满足提高机械钻速、延长钻头使用寿命和防卡的要求，对刀翼式孕镶金刚石钻头进行了以下改进：1）刀翼数量减少为9个（见图3（b）），刀翼间宽度设计超过2.5 cm；2）进一步强化保径部分的防卡设计，优化水力流道，将2个刀翼合并为1个，形成宽刀翼排屑槽（有3个比较大的水路从井底连通到外保径），配合斜倾角弯流道设计，掉落岩块落入排泄槽可受到向上的推力，从而防止钻头被卡死；3）钻头保径部位布设倒划眼切削齿，使钻头在划眼作业时具有一定的切削能力。

2.2   新型预合金钻头胎体材料的研发

胎体预合金超细粉末材料要求能牢固地烧结，不同材料微观表面上的原子要相互作用成键，成键能力越强，烧结越牢固。浸渍合金的选择遵循以下原则：1）结构对应原则，即合金表面上原子分布有一定对应关系，各有2个或3个未成对电子；2）共价成键原理，不同合金未成对电子互相配对形成结构稳定的共价键；3）低熔点原则，即在烧结过程中熔融态的浸渍合金保留有序结构，与金刚石晶面充分接触并实现化学冶金结合，同时所选择的浸渍合金在烧结时对金刚石的浸蚀作用尽量小。

通过多次钻头烧结试验，获得了新型预合金胎体材料的最佳烧结温度，此时金刚石与胎体粉末不发生化学反应，胎体中的金刚石石墨化程度小，依然呈黄亮色（见图4（a）），钻进时金刚石颗粒能够保持良好的切削性能。由预合金粉末扫描电镜图（见图4（b））可以看出，粉末颗粒中包孕了预合金粉末的多种金属材料，胎体中各元素分布均匀、合金化程度高，未出现粉末元素机械混合偏析现象，胎体的力学性能得到了很大改善，强度提高30%～50%。

图  4  金刚石钻头晶体形貌和胎体粉末扫描电镜图

Figure  4.  Crystal morphology of diamond bit and scanning electron micrograph of matrix powder

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2.3   钻头整体设计

为了提高刀翼式孕镶金刚石钻头的综合性能，对其进行了整体设计。针对哈山区块火山岩的强研磨特性，增大了金刚石颗粒含量和工作层厚度，以提高钻头进尺、延长使用寿命。胎体上二次镶焊切削齿，设计为“表镶层+孕镶层”，表层为天然金刚石颗粒，内层为胎体中添加高品级人造金刚石单晶的孕镶层。表层天然金刚石消耗完后，孕镶层胎体可继续工作，增大钻头进尺。钻头中心线速度比较低、耐磨性差，利用复合片耐磨性高、抗冲击韧性好的特点，在钻头中心部位进行非干涉式偏心布齿，增强钻头中心部位的抗磨性，从而实现钻头工作面整体均匀磨损。

3.   现场应用

哈山101井上部井段采用气体钻井技术，钻速较高^[10]，但三开ϕ215.9 mm井段钻至井深2 977.65 m时发生燃爆，形成了大肚子井眼，于是转换为转盘钻井方式，单只牙轮钻头进尺10.72 m，机械钻速仅为0.35 m/h，钻井过程中掉块较多，蹩跳钻频繁。为提高该井火山岩地层钻井效率，应用了“刀翼式孕镶金刚石钻头+高速螺杆钻具”的提速技术，单只钻头进尺和机械钻速大幅度提高。

3.1   钻具组合和钻井参数

钻具组合为：ϕ215.9 mm刀翼式孕镶金刚石钻头+随钻打捞杯+ϕ172.0 mm高速螺杆钻具+单流阀+减振器+ϕ158.8 mm钻铤×17根+随钻上下震击器+ϕ158.8 mm钻铤×2根+ϕ127.0 mm加重钻杆×14根+ϕ127.0 mm钻杆。

钻井参数为：钻压60～80 kN，排量30 L/s，转盘转速30～50 r/min，泵压22 MPa，高速螺杆钻具输出转速500 r/min。

3.2   防掉块卡钻措施

上部井段采取的防掉块卡钻技术措施为：1）采用加长高速螺杆钻具，提高工作扭矩，以防憋停；2）钻具组合中加入减振器防止跳钻，去掉稳定器，尽可能降低卡钻风险；3）钻具组合中加入随钻上下震击器，提高处理井下复杂情况的能力；4）提高钻井液的抑制防塌封堵性能，采用强触变钻井液（塑性黏度大于35 mPa·s），间断泵入稠浆塞清洗携岩。

3.3   现场应用过程及效果分析

钻具组合下钻至井深3 415.00 m（距井底120.00 m）时遇阻严重，钻压10～30 kN划眼，用时3 h仅下钻10.00 m。分析认为，上部井段钻头磨损严重，井径缩小0.9 mm左右，于是增大钻压划眼，以不超过螺杆额定工作泵压为限，6 h后下钻至井底。

划眼到井底后采用递增钻压造型，钻井参数为：钻压20～40 kN，转盘转速30 r/min，排量 30 L/s，立压21 MPa；造型后正常钻进时的钻井参数为：钻压60～80 kN，转盘转速30～50 r/min，排量 30 L/s，立压22 MPa。

钻至井深3 592.00 m后起钻，高速螺杆钻具工作时间120 h，起出的钻头冠部磨损2～3 mm、保径无磨损缩径，出井新度评价80%。单只孕镶金刚石钻头进尺相当于5只牙轮钻头，机械钻速提高54.3%，行程钻速提高115.0%，为此下部井段继续应用该技术钻进，应用效果见表3。

表  3  刀翼式孕镶金刚石钻头应用技术数据

Table  3.  Technical data of blade-type impregnated diamond bit

序号	钻进井段/ m	进尺/ m	钻速/ （m·h–1）	排量/ （L·s–1）	转盘转速/ （r·min–1）	螺杆转速/ （r·min–1）	泵压/ MPa	钻压/ kN	备注
1	3 539.50～3 592.00	52.50	0.54	30	30～50	500	22.0	60～70	螺杆到寿命后起钻
2	3 592.00～3 639.89	47.89	0.44	30	30～50	500	22.5	70～80	泵压升高后起钻
3	3 814.10～3 848.52	34.42	0.42	30	30～50	500	23.0	80～100	钻速变慢后起钻

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4.   结论与建议

1）哈山区块火山岩地层岩性致密、强度高、硬度大，可钻性差，常规钻井方式钻速慢、钻头进尺少，“刀翼式孕镶金刚石钻头+高速螺杆钻具”提速技术应用获得成功，成为钻井提速的有效手段。

2）通过改进孕镶金刚石钻头胎体材料的耐磨性，增大了单只钻头进尺，延长了钻头使用寿命；采用刀翼式结构，提高了钻头的防卡能力。

3）哈山区块火山岩地层稳定性差，应辅以简化钻具组合、稳定钻头工况和提高钻井液防塌抑制性等配套安全钻井技术措施，最大限度地减少井下复杂情况，降低钻井风险。

4）预合金钻头胎体材料的耐磨性得到了检验，但如何提高孕镶层金刚石出刃速度、增强刀翼式孕镶金刚石钻头在各种工况下的稳定性，需要进行进一步研究。