劉志鵬 曾恒 周學(xué)軍

四川川石·克銳達(dá)金剛石鉆頭有限公司

新疆維吾爾自治區(qū)吐哈油田柯克亞構(gòu)造具有較大的勘探開發(fā)潛力，但是該構(gòu)造的中深部發(fā)育有大段煤層，鉆進(jìn)過程中井壁坍塌、縮徑、卡鉆等現(xiàn)象頻發(fā)。嚴(yán)重的甚至造成鉆頭掉齒、斷刀翼等井下事故，嚴(yán)重影響了PDC鉆頭在該區(qū)的推廣使用。本著高效、防卡的基本要求，以一只215.9mmCK506型鉆頭為例開展了該地層用PDC鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)研究，以期達(dá)到3方面技術(shù)效果：①對鉆頭的布齒和刀翼布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證鉆頭具有足夠的使用壽命和較高的機(jī)械鉆速。②對鉆頭進(jìn)行特殊的防蹩卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高鉆頭在破碎性地層中應(yīng)對井下掉塊的能力。③提高鉆頭在井底的穩(wěn)定性和抗沖擊性，最大限度減少鉆頭在井底的振動(dòng)及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)[1]。從而減輕井下掉塊對鉆頭的傷害，延長鉆頭的使用壽命，提高PDC鉆頭的進(jìn)尺和速度。

1 鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)

圖1為該區(qū)中深部地層起出鉆頭使用后實(shí)際磨損情況，鉆頭外錐部位切削齒崩損嚴(yán)重，保徑部位有明顯損傷。分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因主要是井下掉塊落入流道中，這些井下掉塊在扭矩和鉆壓的作用下對鉆頭產(chǎn)生憋卡作用，對鉆頭切削齒和本體造成了嚴(yán)重?fù)p傷。因此，我們從冠部輪廓、徑向與周向布齒、特殊保徑等重點(diǎn)內(nèi)容入手進(jìn)行鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)。

圖1 出井后的常規(guī)PDC鉆頭照片

1.1 冠部輪廓設(shè)計(jì)

冠部輪廓設(shè)計(jì)是PDC鉆頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它直接影響著鉆頭的布齒和受力[2]。鑒于柯克亞構(gòu)造中深部地層可鉆性極值高，軟硬交錯(cuò)頻繁，加之鉆柱長，容易導(dǎo)致鉆頭發(fā)生振動(dòng)等特點(diǎn)，根據(jù)鄰井鉆頭使用情況及硬地層PDC鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該鉆頭選用“直線—圓弧—直線”的冠部形狀和六刀翼布局設(shè)計(jì)，相鄰刀翼之間夾角約為60°。目的是通過提高鉆頭的穩(wěn)定性和增加鉆頭外肩部的布齒密度有效延長鉆頭的使用壽命[3]。圖2為鉆頭的冠部形狀及徑向布齒設(shè)計(jì)。

圖2 215.9mmCK506鉆頭徑向布齒圖

1.2 切削齒選擇及布齒密度的確定

小尺寸的PDC齒吃入硬巖層的能力強(qiáng)，而大尺寸的PDC齒對軟巖層的切削效率高。因此在PDC鉆頭設(shè)計(jì)過程中，隨著地層硬度或可鉆性極值的增加，選用的切削齒的尺寸逐漸趨小[4]?？紤]柯克亞構(gòu)造中深層以煤層為主，夾有致密砂巖、礫石層等，確定主切削齒為16mm。

鉆頭布齒密度是根據(jù)地層巖石的強(qiáng)度和研磨性等參數(shù)確定的。一般情況下，在地層強(qiáng)度較高，研磨性較強(qiáng)時(shí)采用高密度布齒以延長鉆頭使用壽命。而在地層強(qiáng)度較低時(shí)，適當(dāng)降低布齒密度可增大單齒分擔(dān)的破碎功，加快鉆頭鉆進(jìn)速度[5]。根據(jù)柯克亞構(gòu)造巖層的力學(xué)性質(zhì)，采用了“中密度”布齒，以便在保證鉆頭使用壽命的前提下盡量提高鉆頭的機(jī)械鉆速。

1.3 徑向及周向布齒設(shè)計(jì)

PDC鉆頭的徑向布齒設(shè)計(jì)一般遵循3項(xiàng)原則：等切削原則、等功率原則和等磨損原則。根據(jù)巖石破碎學(xué)相關(guān)理論和高溫高壓條件下巖石力學(xué)相關(guān)理論，井底巖石在巨大的井筒液柱壓力和圍壓作用下，巖性有從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的趨勢，切削齒與巖石互作用指數(shù)（n）趨于1，此時(shí)3個(gè)布齒原則的數(shù)學(xué)計(jì)算模型基本相同，因此215.9mmCK506鉆頭統(tǒng)一按照等切削原則進(jìn)行徑向布齒設(shè)計(jì)[6]。

此外，該鉆頭還采用了自適應(yīng)布齒技術(shù)，即鉆頭的布齒可以隨鉆遇地層性質(zhì)的變化在一定程度范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整其地層適應(yīng)性[7]。當(dāng)鉆遇較軟地層時(shí)，切削齒的吃入深度值比較大，此時(shí)各切削齒的切削量不均度增加，鉆頭的切削結(jié)構(gòu)的地層適應(yīng)性變“軟”，破巖效率升高。而當(dāng)鉆遇較硬地層時(shí)，切削齒的吃入深度值比較小，此時(shí)各切削齒的切削量不均度降低，鉆頭的切削結(jié)構(gòu)的地層適應(yīng)性變“硬”，切削齒均承受工作載荷，以利于保障切削齒的壽命。

1.4 特殊保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)對地層掉塊、卡鉆是該型號PDC鉆頭的主要研究方向之一，圍繞這一目的，對該型號鉆頭的保徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)[8]：

1）摒棄常規(guī)PDC鉆頭設(shè)計(jì)中保徑塊與刀翼銜接的設(shè)計(jì)方式，而是在縮短鉆頭刀翼尾部保徑塊長度的同時(shí)，將保徑塊整體上移一定距離，同時(shí)4個(gè)保徑塊圍繞鉆頭軸線呈90°均勻分布，并盡可能與鉆頭排屑槽相對應(yīng)。在提高鉆頭工作穩(wěn)定性的同時(shí)拓展排屑空間，保證井底掉塊順利通過鉆頭表面進(jìn)入環(huán)空，保徑塊也有助于遮擋上部井壁的大掉塊落入鉆頭流道，降低鉆頭發(fā)生蹩卡現(xiàn)象的概率（圖3）。

圖3 215.9mmCK506鉆頭三維模型圖

2）增加冠部流道寬度，增加鉆頭與井底、井壁間的容屑空間[9]。

3）采用鋼體式結(jié)構(gòu)，使鉆頭刀翼具有較強(qiáng)的沖擊韌性。

2 鉆頭的仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

初步完成215.9mmCK506鉆頭方案后，借助PDC鉆頭數(shù)字化鉆進(jìn)仿真系統(tǒng)和CFD軟件對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了力平衡分析和井底流場分析，在此基礎(chǔ)上對鉆頭的方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 力平衡設(shè)計(jì)

鉆進(jìn)過程中，PDC切削齒承受徑向力、切向力、軸向力和彎矩等作用力，這些力的大小與鉆頭冠部形狀、切削齒的布置方式和定位參數(shù)等直接相關(guān)。這些力的矢量和在垂直于鉆頭軸線的平面上產(chǎn)生一個(gè)靜不平衡力（其值通常與鉆壓成正比，大小用所占鉆壓的百分比表示），它是導(dǎo)致PDC鉆頭偏離幾何中心旋轉(zhuǎn)的根本原因[10]。

力平衡設(shè)計(jì)通過對切削齒布置參數(shù)的調(diào)整，一方面使鉆頭的橫向不平衡力顯著降低（小于鉆壓值的5%），布齒參數(shù)優(yōu)化后鉆頭的橫向力約為鉆壓的3.9%。從而保證鉆頭具有良好的工作穩(wěn)定性；另一方面使鉆頭上易磨損區(qū)域內(nèi)的切削齒工作負(fù)荷趨于均衡（切削量變化幅度不高于15%）。圖4、5分別為優(yōu)化前后的各切削齒切削體積分布圖，可以看出優(yōu)化后各齒尤其是鉆頭鼻部各切削齒的切削體積更加的均衡，這就保證了各齒具有相同或相近的壽命，從而有效延長了鉆頭的使用壽命。

圖4 優(yōu)化前的各齒切削體積分布圖

圖5 優(yōu)化后的各齒切削體積分布圖

2.2 井底流場分析

在PDC鉆頭鉆進(jìn)過程中，鉆井液對鉆頭表面的沖洗、冷卻和潤滑是保證鉆頭正常工作的一個(gè)非常重要的條件，所以PDC鉆頭的井底流場分析與水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性尤其突出[11－12]：

1）使各刀翼間的流量形成合理的分配，以達(dá)到各刀翼巖屑生成量和鉆井液流量的均衡匹配，避免鉆頭在軟地層的泥包[9]。

2）使鉆頭表面保持合適的流速分布，以避免切削齒熱磨損或鉆頭基體沖蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3）減少流場中的渦旋數(shù)量，有效提高巖屑運(yùn)移效率和減少鉆頭基體沖蝕。

圖6 鉆頭冠部流速云圖

由圖6可以看出鉆頭的各刀翼的工作面流速分布較高，這將有利于巖屑及時(shí)清除出PDC切削齒表面。但同時(shí)在鉆頭的1號、5號刀翼工作面鼻部位置（圖6中紅色），2號、3號、4號、6號刀翼背面均有過高的流速分布（紅色），這些過高的流速分布有可能會(huì)對鉆頭基體造成沖蝕。尤其是鋼體式鉆頭，鉆頭本體強(qiáng)度相對較低，更容易造成沖蝕。該鉆頭出井后刀翼表面的沖蝕情況與模擬運(yùn)算的結(jié)果完全吻合（圖7）。這也印證了井底流場分析的正確性。只是在鉆頭方案設(shè)計(jì)過程中，一方面鉆頭冠部清洗效果較好，另一方面各刀翼對應(yīng)的水力能量分配也比較合理，對這一可能造成沖蝕的結(jié)果沒有過多關(guān)注。

圖7 鉆頭冠部沖蝕照片

3 結(jié)論

1）新型PDC鉆頭在吐哈油田破碎性地層中純鉆234.58h，總進(jìn)尺1 339m，一趟鉆完成1 866～3 205 m井段鉆進(jìn)任務(wù)，與鄰井相比，節(jié)約起下鉆超過了5次起下鉆工作量和作業(yè)時(shí)間，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。PDC鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)為此類地層鉆井提速提供了切實(shí)可行的技術(shù)思路。

2）新型PDC鉆頭出井后，除兩顆齒由于井下掉塊蹩卡非正常損壞外，其余PDC齒磨損均衡，鉆頭冠部未因蹩卡造成損傷，說明該鉆頭的力平衡設(shè)計(jì)有助于提高鉆頭在井底的穩(wěn)定性和磨損的均衡性，采用鋼體式結(jié)構(gòu)和特殊保徑設(shè)計(jì)能夠有效應(yīng)對破碎性地層的井底掉塊問題。另一方面，這也啟發(fā)我們在進(jìn)行PDC鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)時(shí)要敢于創(chuàng)新。

3）鉆頭出井后，冠部沖蝕情況與借助于CFD軟件對鉆頭的井底流場分析的結(jié)果完全吻合，這說明將CFD分析技術(shù)應(yīng)用于PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的。鑒于鉆井液對鉆頭沖蝕的程度與鉆井液成分、鉆頭工作時(shí)間等因素直接相關(guān)，還不能定量分析多大的井底流速會(huì)造成鉆頭的沖蝕，這也是下一步筆者研究的重點(diǎn)。

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