楊順輝， 武好杰， 牛成成， 侯緒田， 金軍斌

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中沙天然氣有限公司，沙特庫巴 32216)

PDC鉆頭在軟—中硬地層中破巖效率高，使用壽命長，且由于沒有運動部件，故障率較低，在石油鉆井中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，PDC鉆頭在強研磨性硬地層中使用效果比較差，其主要原因是PDC切削齒的抗沖擊性和高溫耐磨性較差，沖擊損壞和熱加速磨損容易導(dǎo)致PDC鉆頭的壽命短、進尺少。為了提高PDC鉆頭的破巖效率、延長使用壽命，國內(nèi)外科研院所和鉆頭廠家針對具體應(yīng)用地層的實際情況，在新型PDC齒、刀翼設(shè)計、布齒和水力參數(shù)等方面進行了諸多優(yōu)化[1-7]，同時利用流體動力學(xué)計算軟件來模擬優(yōu)化后PDC鉆頭的井底流場，以期取得最優(yōu)的設(shè)計效果[8-9]。由于PDC鉆頭和牙輪鉆頭具有不同的破巖方式，為了結(jié)合兩者的優(yōu)勢，前人研制了一種新型的PDC+牙輪復(fù)合鉆頭，并且取得了良好的應(yīng)用效果[10]。根據(jù)同樣的原理，筆者將PDC鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭結(jié)合，研制了φ155.6 mm GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭。該鉆頭既具有PDC鉆頭破巖效率較高的特點，又具有孕鑲金剛石鉆頭在強研磨性硬地層使用壽命長的特點。

1 設(shè)計原理

PDC鉆頭的破巖方式屬于切削破巖，而孕鑲金剛石鉆頭的破巖方式屬于磨削破巖，因此，結(jié)合兩者的特點和優(yōu)勢，研制了特種孕鑲塊加強PDC鉆頭，其工作原理如圖1所示。

圖1 特種孕鑲塊加強PDC鉆頭的基本工作原理Fig.1 Principle of combined cutting structure

特種孕鑲塊加強PDC鉆頭以PDC切削齒為主切削元件，天然金剛石熱壓孕鑲塊為副切削元件。在鉆頭工作初期，鋒銳的PDC切削齒很容易吃入巖石，破巖效率高；此時，具有一定出露高差的金剛石孕鑲塊，可以起到限制PDC切削齒吃入深度的作用，防止因吃入過深造成PDC切削齒受力過大而崩碎。當PDC切削齒切削到一定程度后，天然金剛石孕鑲塊開始接觸和摩擦井底巖石，金剛石顆粒出露，磨削巖石，形成“犁溝”，井底巖石應(yīng)力將得到釋放，有助于PDC切削齒吃入并切削巖石。這種協(xié)調(diào)作用的混合切削結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能彌補常規(guī)PDC鉆頭在強研磨性硬地層中磨損快的缺點，延長其使用壽命，又能充分利用常規(guī)PDC鉆頭破巖效率高的優(yōu)勢，提高機械鉆速。

2 特種孕鑲塊的研制

針對強研磨性硬地層的特點，設(shè)計了一種特種金剛石孕鑲塊，如圖2所示。該金剛石孕鑲塊設(shè)計為圓柱形，以大、小混配的天然金剛石顆粒作為切削元件，胎體材料由鎢粉、碳化鎢粉、硬質(zhì)合金顆粒、人造金剛石微粉和銅基粘結(jié)金屬復(fù)配而成，采用熱壓燒結(jié)工藝制成。

圖2 特種金剛石孕鑲塊設(shè)計Fig.2 Special diamond impregnated section

特種金剛石孕鑲塊具有以下特點：

1) 幾何形狀與PDC切削齒完全相同，在軟到中硬地層中，可以像PDC切削齒一樣切削巖層，充分利用切削破巖效率高的優(yōu)點；在硬地層中可以像孕鑲金剛石鉆頭一樣磨削巖石，延長了使用壽命。

2) 以天然金剛石為主要磨削材料，具有極高的硬度和耐磨性；采用大顆粒與小顆粒金剛石混配，可提高破巖效率。

3) 在胎體中加入鑄造碳化鎢和人造單晶金剛石，增加了胎體的耐磨性；以銅基合金作為粘結(jié)金屬，提升胎體對天然金剛石的包鑲能力。

4) 采用熱壓燒結(jié)工藝，保證了孕鑲塊的燒結(jié)質(zhì)量。

3 鉆頭的設(shè)計與制造

3.1 剖面形狀設(shè)計

φ155.6 mm GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭剖面形狀采用了等切削和等磨損原則，設(shè)計為中長拋物線，如圖3所示。這種剖面形狀不僅可以保證鉆頭有足夠的布齒空間，還可以避免過渡段切削齒應(yīng)力過于集中，保證切削齒的切削量和磨損的均勻程度，延長鉆頭壽命。

3.2 混合切削結(jié)構(gòu)設(shè)計

φ155.6 mm GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭采用與常規(guī)PDC鉆頭相同的刀翼式切削結(jié)構(gòu)和布齒設(shè)計。與常規(guī)PDC鉆頭設(shè)計的不同之處在于：在鉆頭冠頂和外錐部分的PDC切屑齒后面鑲有天然金剛石熱壓孕鑲齒，構(gòu)成一個雙重切削單元；該鉆頭為6刀翼、8個φ11.0 mm水眼、雙排齒PDC鉆頭，前排齒為直徑16 mm、長13 mm的進口PDC復(fù)合片，初期主要靠前排齒切削破巖；后排齒為天然金剛石熱壓孕鑲塊，起輔助破巖和提高鉆頭抗研磨性的作用；使用PDC復(fù)合片保徑，以提高鉆頭的抗研磨性。

圖3 GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭剖面形狀Fig.3 Profile of GFBD6816P1 PDC bit enhanced by special diamond impregnated section

3.3 水力結(jié)構(gòu)設(shè)計

為加強井底的水力作用，φ155.6 mm GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭采用了一種特殊的水力結(jié)構(gòu)。該水力結(jié)構(gòu)由6個φ11.0 mm常規(guī)噴嘴、2個φ11.0 mm旋轉(zhuǎn)射流噴嘴組成。旋轉(zhuǎn)射流噴嘴安裝在鉆頭中部的水眼位置，噴嘴內(nèi)部有旋流槽，可產(chǎn)生具有軸向、切向和徑向三維流動的旋轉(zhuǎn)射流，改善井底流場，增強水射流對井底的清洗，減少巖屑的重復(fù)破碎，提高破巖效率。

3.4 鉆頭制造工藝

φ155.6 mm GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭的制造工藝與鋼體PDC鉆頭相同。

4 現(xiàn)場試驗

2014年4月，φ155.6 mm GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭在東北金山氣田金古 1-1HF 水平井基地花崗巖硬地層中進行了現(xiàn)場試驗。

4.1 金古 1-1HF 井井身結(jié)構(gòu)

金古 1-1HF 井是部署在松遼盆地金山氣田的一口評價水平井，其主要地質(zhì)目的是評價基底花崗巖儲層的產(chǎn)能情況，為下一步水平井開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。該井設(shè)計井深2 930.00 m(垂深2 270.78 m)，其井身結(jié)構(gòu)為φ311.1 mm鉆頭×257.00 m+φ215.9 mm鉆頭×2 427.00 m+φ155.6 mm鉆頭×2 930.00 m。

4.2 現(xiàn)場試驗情況

試驗井段為三開φ155.6 mm井段，大部分地層為基底花崗巖硬地層，共使用2只PDC鉆頭，第1只為M1653FG型雙排齒PDC鉆頭，第2只為GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭。2只鉆頭的水力參數(shù)見表1。2只鉆頭采用相同的鉆具組合：φ155.6 mm鉆頭+φ120.6 mm 1.0°螺桿+311×310回壓凡爾+φ88.9 mm無磁承壓鉆桿+311×310MWD短節(jié)+φ101.6 mm鉆桿×60根+φ101.6 mm加重鉆桿×30根+φ101.6 mm鉆桿。

表1 特種孕鑲塊加強PDC鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭的水力參數(shù)

2只鉆頭總進尺503.00 m，其中M1653FG型鉆頭在花崗巖地層的進尺240.00 m,機械鉆速2.97 m/h，GFBD6816P1型鉆頭在花崗巖地層的進尺227.00 m,機械鉆速4.46 m/h。

4.3 鉆頭磨損情況分析

M1653FG型雙排齒PDC鉆頭在花崗巖地層鉆進240.00 m后起出，鉆頭新度為30%，磨損情況為6-6-RO-A-T-X-1/16-WT-HR，表面有明顯的環(huán)形槽，磨損嚴重，基本報廢。GFBD6816P1型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭在鉆進227.00 m花崗巖地層和36.00 m泥巖地層后因鉆至完鉆井深起出，鉆頭新度為60%，磨損情況為1-2-WT-T-A-X-0-WO-TD，PDC齒磨損正常，無崩齒現(xiàn)象。由此可以看出，特種孕鑲塊加強PDC鉆頭在基底花崗巖硬地層中具有更強的抗研磨性。雖然特種孕鑲塊加強PDC鉆頭在花崗巖地層中的進尺小于常規(guī)PDC鉆頭，但這是鉆至完鉆井深的原因，并非鉆頭本身損壞所致。該次試驗沒有很好體現(xiàn)出特種孕鑲塊加強PDC鉆頭的優(yōu)勢，但從其新度和磨損情況預(yù)測，該鉆頭還可在花崗巖地層中鉆進100.00 m以上。

4.4 和鄰井對比分析

鄰井金古1井的基底花崗巖硬地層井段為2 197.00～2 509.00 m，共使用4只牙輪鉆頭，平均單只鉆頭進尺78.00 m，平均單只鉆頭純鉆時間41.50 h，平均單只鉆頭機械鉆速1.88 m/h，特種孕鑲塊加強PDC鉆頭的平均機械鉆速、進尺分別是其2.37倍和2.91倍。

鄰井金古2井的基底花崗巖硬地層井段為2 372.54～3 700.00 m，去除2只取心鉆頭，共使用15只鉆頭(PDC鉆頭4只，牙輪鉆頭11只)。金古2井PDC鉆頭平均單只進尺98.75 m，平均單只純鉆時間50.98 h，平均單只機械鉆速1.94 m/h。牙輪鉆頭平均單只進尺83.86 m，平均單只純鉆時間55.14 h，平均單只機械鉆速1.52 m/h。特種孕鑲塊加強PDC鉆頭的機械鉆速、進尺分別是PDC鉆頭的2.30倍和2.30倍，牙輪鉆頭的2.93倍和2.71倍。

5 結(jié)論和建議

1) 新型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭既有PDC鉆頭切削破巖效率高的特點，又有孕鑲金剛石鉆頭適合強研磨性硬地層的特點，鉆進硬地層時既能保證破巖效率，又能延長鉆頭使用壽命。

2) 現(xiàn)場試驗情況表明，新型特種孕鑲塊加強PDC鉆頭能有效適應(yīng)花崗巖硬地層破巖的需要，和同井段常規(guī)PDC鉆頭相比，機械鉆速是其1.5倍，和鄰井牙輪鉆頭、PDC鉆頭相比，機械鉆速均為其2倍以上。

3) 建議根據(jù)實際地層情況、井型以及井眼軌道，對孕鑲塊天然金剛石的布齒密度、前排齒和后排孕鑲塊的高度差、保徑長度等進行進一步優(yōu)化，并形成系列化產(chǎn)品，使其適合不同地層條件和井況。

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