張立剛，閆 鐵，徐宏偉，韓汝峰，劉光貞

（1.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第三采油廠，黑龍江 大慶163113；3.大慶鉆探工程公司 國際事業(yè)部，黑龍江 大慶163113）＊

隨著油氣勘探的不斷深入，勘探難度日益增加，勘探開發(fā)中的“低、深、難”矛盾日益突出。松遼盆地為深層火成巖地層，研磨性強(qiáng)，硬度高，可鉆性差，鉆具和鉆頭事故頻出，單只鉆頭進(jìn)尺少，鉆進(jìn)時(shí)效低，鉆井周期長［1－3］。近幾年，徐深氣田所鉆的21口氣井平均井深3 725m，平均鉆井周期120.1d，嚴(yán)重制約著該氣田勘探開發(fā)進(jìn)程，因此發(fā)展適合該地區(qū)深井鉆井的個(gè)性化高效鉆頭非常重要。目前，常用的鉆頭有牙輪鉆頭和PDC鉆頭，牙輪鉆頭硬質(zhì)合金齒具有較好的韌性，能夠承受較大鉆壓和沖擊載荷，但剪切效率低，易磨損。PDC鉆頭一般采用較高的轉(zhuǎn)速和較低的鉆壓鉆進(jìn)，PDC片具有較高硬度和耐磨性，剪切破碎效率高，機(jī)械壽命長，但不能承受沖擊載荷和較大鉆壓［4－13］。針對(duì)上述問題，結(jié)合松遼盆地北部深層火成巖地層特性，設(shè)計(jì)了一種硬質(zhì)合金齒和PDC齒混合布齒鉆頭，整合了牙輪鉆頭和PDC鉆頭優(yōu)點(diǎn)，將沖擊破碎方式和旋轉(zhuǎn)剪切破碎方式結(jié)合起來，將硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片的優(yōu)勢結(jié)合起來，對(duì)提高破巖效率和鉆頭壽命有很大推動(dòng)作用。

1 深井地層巖石力學(xué)特性

松遼盆地北部深層火成巖分布廣泛，在各段旋回中均有出現(xiàn)，主要發(fā)育在營城組和火石嶺組。筆者對(duì)該區(qū)域12口井營城組進(jìn)行了取心和巖石抗鉆特性參數(shù)測試，部分結(jié)果如表1所示。

表1 部分營城組火山巖可鉆性級(jí)值測試結(jié)果

根據(jù)各井位坐標(biāo)，利用分形插值方法［14］計(jì)算了各位置的巖石可鉆性級(jí)值，得到該區(qū)塊不同井深巖石可鉆性級(jí)值沿不同走向的分布規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可知：徐家圍子火山巖地層一般分布在3 500～5 000m之間，巖石硬度大，抗鉆性強(qiáng)，可鉆性級(jí)值分布在6.34～9.27之間，為中－硬地層，巖石可鉆性級(jí)值從東向西逐漸增加，從南向北逐漸減小，非均質(zhì)性很強(qiáng)。

圖1 徐家圍子營城組不同井深沿不同走向的可鉆性級(jí)值分布規(guī)律

2 鉆頭使用情況分析

對(duì)徐深氣田12口井營城組火成巖鉆頭使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，目前主要使用的鉆頭類型是江漢牙輪鉆頭HJT617GH型、HJT637H型和HJT737H型，各鉆頭使用情況如圖2所示。平均單只鉆頭進(jìn)尺（柱狀圖）73.55m，平均純鉆時(shí)間41 h，平均機(jī)械鉆速（線圖）1.39m／h。同時(shí)引進(jìn)了部分IADC編碼為547～817的鉆頭，引進(jìn)鉆頭平均單只鉆頭進(jìn)尺84.83m，平均純鉆時(shí)間45h，平均機(jī)械鉆速1.43m／h，效果并不理想。

牙輪鉆頭的主要失效形式為牙齒高度磨損、外排齒磨損、斷齒和心部磨損，主要是由于營成組礫巖層和火山巖硬度高，研磨性極強(qiáng)，隨著鉆頭使用時(shí)間的增加牙齒磨損逐漸增加，牙齒出露高度逐漸降低。同時(shí)，由于上部泉頭組和登婁庫組地層剝落的巖塊，鉆頭工作狀態(tài)不穩(wěn)定，外排牙齒受力不均，造成外排齒和背錐齒嚴(yán)重磨損，鉆頭縮徑，嚴(yán)重者造成軸承密封失效。而嘗試使用的PDC鉆頭，牙齒和刀翼易產(chǎn)生崩斷。磨損情況如圖3。

圖2 徐深氣田營城組鉆頭使用情況

圖3 牙輪鉆頭和PDC鉆頭磨損情況

3 新型鉆頭設(shè)計(jì)

松遼盆地深層火成巖巖石硬度大，抗鉆性強(qiáng)，現(xiàn)有鉆頭適應(yīng)性差，破巖效率低。該地層使用鑲齒牙輪鉆頭，硬質(zhì)合金齒剪切效率低，磨損快；而使用PDC鉆頭，聚晶金剛石復(fù)合片不能承受沖擊載荷和較大鉆壓，易壓碎，不能將硬質(zhì)合金齒較好的韌性和聚晶金剛石復(fù)合片的高硬度和耐磨性有效發(fā)揮出來。因此，設(shè)計(jì)了一種硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片混合布齒鉆頭。

3.1 混合布齒鉆頭主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于鉆極軟到中硬地層的傳統(tǒng)牙輪鉆頭，一般是兼有移軸、超頂和復(fù)錐結(jié)構(gòu)，中硬或硬地層鉆頭有超頂和復(fù)錐結(jié)構(gòu)，對(duì)于極硬和研磨性很強(qiáng)的地層，單錐、不超頂、不移軸，鉆頭純滾動(dòng)而無滑動(dòng)。本文所提出的混合布齒鉆頭為了適應(yīng)火成巖地層軟硬交錯(cuò)和沿橫向和縱向強(qiáng)非均質(zhì)性的特點(diǎn)，并充分發(fā)揮硬質(zhì)合金齒的耐沖擊性及PDC齒的高剪切效率和耐磨性的優(yōu)點(diǎn)，鉆頭的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)能使2種齒形能夠產(chǎn)生沖擊和剪切作用。因此，設(shè)計(jì)的混合布齒鉆頭具有三牙輪結(jié)構(gòu)特征，牙輪的裝配具有超頂和移軸結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)［1］所述方法，分析牙輪上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式，獲得其滑動(dòng)速度矢量圖?；旌喜箭X鉆頭主體結(jié)構(gòu)及滑動(dòng)速度矢量如圖4所示。牙輪的移軸距為S，牙輪公轉(zhuǎn)引發(fā)牙輪與地層接觸母線上任一點(diǎn)A的線速度vbA在垂直于牙輪軸的分速度v′bA和沿牙輪軸方向的分速度vsA如圖4b所示。牙輪超頂距為c，由鉆頭公轉(zhuǎn)ωb引起的牙輪與地層在接觸母線上的任一點(diǎn)x的速度vbx及由自轉(zhuǎn)ωc引起的速度vcx及由二者合成的速度vs，如圖4c所示。

圖4 混合布齒鉆頭主體結(jié)構(gòu)及滑動(dòng)速度矢量

利用上述結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生沿軸向和切向方向的滑動(dòng)，可以剪切掉同一齒圈相鄰牙齒破碎坑之間及相鄰齒圈之間的巖石，提高了破碎效率。但對(duì)于高硬度、強(qiáng)研磨性的火成巖，鉆頭牙齒的滑動(dòng)會(huì)加劇牙齒的內(nèi)端面和側(cè)面磨損。如何利用硬質(zhì)合金齒和PDC齒的合理布置，避免或減小上述問題的發(fā)生尤為重要。

3.2 布齒設(shè)計(jì)

鉆頭牙輪上同一齒排交互布置硬質(zhì)合金齒和PDC齒，如圖5所示。各參數(shù)如圖6所示。

PDC齒出露高度低于硬質(zhì)合金齒，為了保證在2個(gè)硬質(zhì)合金齒同時(shí)接觸井底、軸心在最低位置時(shí)，聚晶金剛石復(fù)合片吃入地層一定深度，二者的出露高度匹配應(yīng)滿足

式中：R為某一齒圈牙輪直徑（圓心為0點(diǎn)）；n為該齒圈布齒個(gè)數(shù)；h0為硬質(zhì)合金齒高度；h1為聚晶金剛石復(fù)合片出露高度。

圖5 硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片布置

圖6 硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片出露高度匹配

據(jù)火成巖地層性質(zhì)匹配硬質(zhì)合金齒和PDC齒出露高度級(jí)差為2.5mm。通過上述結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金齒首先接觸地層，對(duì)地層產(chǎn)生沖擊，并卸載沖擊載荷和部分應(yīng)力，以保護(hù)PDC齒，避免其折斷；然后PDC齒再吃入巖石，滑動(dòng)剪切破碎到同一齒圈相鄰破碎坑及相鄰齒圈之間的巖石，既提高了破巖效率，又提高了鉆頭使用壽命。

3.3 聚晶金剛石復(fù)合片工作面方向設(shè)計(jì)

PDC工作面的法線方向與圖4中復(fù)合滑動(dòng)方向保持一致，側(cè)傾方向指向臨近齒槽，如圖7所示。復(fù)合片后傾角為30°，側(cè)傾角為15°，以保證PDC齒的切削效率和排屑效率。

圖7 聚晶金剛石復(fù)合片工作面布置

4 結(jié)論

1） 徐深氣田火山巖巖石硬度大，抗鉆性強(qiáng)，可鉆性級(jí)值分布在6.34～9.27之間，且區(qū)域分布不均勻，巖石可鉆性級(jí)值從東向西逐漸增加，從南向北逐漸減小。

2） 營城組致密火山巖地層常用牙輪鉆頭，單只鉆頭進(jìn)尺為73.55m，平均純鉆時(shí)間41h，平均機(jī)械鉆速1.39m／h，且經(jīng)常出現(xiàn)斷齒、掉齒、磨尖、縮徑等現(xiàn)象，造成鉆速慢，建井周期長。

3） 設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片混合布齒鉆頭，兼具牙輪鉆頭和PDC鉆頭優(yōu)點(diǎn)，將沖擊破碎方式和旋轉(zhuǎn)剪切破碎方式有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮硬質(zhì)合金齒和聚晶金剛石復(fù)合片的優(yōu)勢，能夠提高其破巖效率和鉆頭使用壽命。

［1］李 榮，何世明，羅 勇，等.鉆井工程中巖石可鉆性求取綜合研究［J］.鉆采工藝，2004，27（5）：1－3.

［2］馬 海，王延江，魏茂安，等.地層可鉆性級(jí)值預(yù)測新方法［J］.石油學(xué)報(bào)，2008，29（5）：761－765.

［3］王文廣，翟應(yīng)虎，楊明合，等.徐家圍子氣田火山巖抗鉆特性評(píng)價(jià)及應(yīng)用［J］.天然氣業(yè)，2008，28（5）：69－71.

［4］Garcia－Gavito D，Azar J J.Proper nozzle location，bit profile，and cutter arrangement have significant effects on PDC bit performance［G］.SPE 20415，1990.

［5］Holster J L，Kipp R J.Effect of bit hydraulic horsepower on the drilling rate of a polycrystalline diamond bit［G］.SPE 11949，1983.

［6］Bejarano C A，Munoz G，Perez G，et al.Case historyapplication ofa new PDC bit design in deep Cretaceous and Jurassic hard forma－tions in southern Mexico［G］.SPE102232，2006.

［7］Crouse R，Chia R.Optimization of PDC bit hydraulics by fluid simulation［G］.SPE 14221，1985.

［8］King I.Hydraulic optimization of PDC bits［G］.SPE 20928，1990.

［9］Rodriguez C S，Montejo C，Yam R，et al.Enhancements in PDC bit design and drilling optimization tackle hard conglomerate rock drilling in northern Mexico［G］.SPE102640，2006.

［10］Graham M W，Penrose B.Advanced cutting structure improves PDC bit performance in hard and abrasive drilling environments［G］.SPE 81167，2003.

［11］韓 飛，郭慧娟，戴 揚(yáng)，等.PDC鉆頭扭矩控制技術(shù)分析［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（12）：69－71.

［12］張 玲，王志強(qiáng)，張 楊，等.大情字井地區(qū)中深井PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（2）：75－78.

［13］祝效華，湯歷平，孟蘋蘋，等.PDC鉆頭粘滑振動(dòng)機(jī)理分析［J］.石油礦場機(jī)械，2012，41（4）：13－16.

［14］張 旭，翟應(yīng)虎，李祖光，等.利用分形理論評(píng)價(jià)地層可鉆性［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31（1）：124－128.