巫　剛

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆頭廠，黑龍江大慶163461）

基于混合布齒技術(shù)的新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

巫剛*

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆頭廠，黑龍江大慶163461）

為了提高PDC鉆頭在大慶地區(qū)調(diào)整井作業(yè)的機(jī)械鉆速，并降低鉆頭制造成本，創(chuàng)新性地將混合布齒技術(shù)應(yīng)用于PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)，針對(duì)混合布齒技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了合理的鉆頭冠部形狀設(shè)計(jì)、切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合目前胎體PDC鉆頭的制造工藝，設(shè)計(jì)制造了基于混合布齒技術(shù)的新型?215.9mmPDC鉆頭，相較于同尺寸常規(guī)鉆頭，單只鉆頭制造成本降低了721元。新型鉆頭在大慶地區(qū)南2區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，鉆頭平均機(jī)械鉆速38.6m/h,與常規(guī)鉆頭相比，提高了1.2m/h。

PDC鉆頭；混合布齒技術(shù)；切削結(jié)構(gòu)；水力結(jié)構(gòu)

1　概述

近年來隨著PDC鉆頭原材料成本的不斷提高，企業(yè)的利潤(rùn)空間正在逐步減小，采用新技術(shù)降低鉆頭制造成本已成為增加利潤(rùn)的必要手段?；旌喜箭X技術(shù)是指將2種規(guī)格的切削齒作為主切削齒交替布置在鉆頭剖面上的一種新型布齒技術(shù)。采用這種技術(shù)的鉆頭相鄰切削齒尺寸不同，在鉆頭接觸井底時(shí)形成不同曲率的切削刃結(jié)構(gòu)，從而提高鉆頭的切削效率。相較于常規(guī)布齒技術(shù)，混合布齒技術(shù)將一部分較大尺寸的切削齒替換為較小尺寸的切削齒，通過該技術(shù)能降低復(fù)合片的使用成本。

2　混合布齒技術(shù)原理

混合布齒技術(shù)是指將2種規(guī)格的切削齒作為主切削齒交替布置在鉆頭剖面上的一種新型布齒技術(shù)（圖1）?；趹?yīng)用范圍、鉆井目的和鉆井環(huán)境，這一新技術(shù)可以進(jìn)行部分或者全部應(yīng)用。它可以全部運(yùn)用在鉆頭剖面上，也可部分運(yùn)用于鉆頭剖面上的某一區(qū)域。

圖1　混合布齒原理圖

使用混合布齒技術(shù)的切削齒布置需要遵徇以下幾何條件：

（1）同一刀翼上相鄰切削齒尺寸不相同；

（2）從徑向上看，規(guī)定區(qū)域內(nèi)相鄰切削齒的尺寸不相同(?m≠?n)。

采用混合布齒技術(shù)的PDC鉆頭具有防止振動(dòng)發(fā)生以及振動(dòng)發(fā)生時(shí)能減輕強(qiáng)度和傳播的能力，從而增加鉆頭穩(wěn)定性。

混合布齒技術(shù)的一個(gè)獨(dú)特特征是每一個(gè)不同尺寸的切削齒都與井底接觸，當(dāng)其中一個(gè)切削齒脫落時(shí)，鉆頭切削齒仍然覆蓋整個(gè)井底并繼續(xù)鉆進(jìn)。

在同樣的載荷或鉆壓條件下分布于鉆頭表面上的壓力取決于切削齒尺寸。小切削齒在硬地層中鉆進(jìn)效率高，它能產(chǎn)生高的和集中的載荷，而大切削齒形成均布載荷。由于不同尺寸的切削齒在切線上形成不同的曲率，混合切削結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生混合載荷，從而提高鉆頭的機(jī)械鉆速。

3　PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括PDC鉆頭冠部形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

3.1冠部形狀設(shè)計(jì)

冠部設(shè)計(jì)是根據(jù)鉆頭總體參數(shù)，如鉆頭直徑、型號(hào)、外錐高度、內(nèi)錐深度等，合理設(shè)計(jì)冠部輪廓形狀，為PDC鉆頭布齒設(shè)計(jì)提供合理的空間表面。根據(jù)等切削設(shè)計(jì)原則，建立鉆頭的理論冠部曲線方程式：

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，按上述理論設(shè)計(jì)的冠部形狀曲線確定R0后就可以得出理論冠部曲線形狀(圖2)，然后根據(jù)鉆頭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要采用拋物線形冠部進(jìn)行曲線擬和。

圖2　理論冠部曲線

為使鉆頭受力均勻、磨損均勻，采用較平緩的冠部剖面，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)外錐長(zhǎng)度，增大布齒面積，提高鉆頭的使用壽命和排屑效果；另外，為了提高鉆頭穩(wěn)定性，刀翼設(shè)計(jì)一定的錐角（138°）。綜合考慮PDC鉆頭鉆進(jìn)速度、抗沖擊性和抗研磨性，鉆頭采用淺內(nèi)錐、中外錐拋物線型剖面結(jié)構(gòu)（圖3）。

圖3　鉆頭冠部曲線

3.2鉆頭切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定切削齒空間的位置,包括切削齒的選擇、布齒密度、切削齒的結(jié)構(gòu)角以及切削齒中心的周向、徑向布置。

（1）切削齒選擇。同等磨損條件下，切削齒直徑越大其切削效率越高，因此選用?19.05mm和?16mm的切削齒作為鉆頭的主切削齒，在兼顧鉆頭壽命的前提下，提高鉆頭的機(jī)械鉆速。

（2）切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。切削齒最重要的2個(gè)結(jié)構(gòu)角是負(fù)前角和側(cè)轉(zhuǎn)角。PDC切削齒結(jié)構(gòu)角對(duì)切削齒的切削效率和工作性能有重要影響。合理的負(fù)前角能提高切削效率、保護(hù)切削齒、延長(zhǎng)鉆頭的壽命,有助于提高鉆速。合理的側(cè)轉(zhuǎn)角有利于鉆頭清洗和巖屑搬移,減少鉆頭泥包發(fā)生幾率。PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)由若干個(gè)分布在鉆頭表面不同部位的切削齒組成,每個(gè)切削齒的空間方位和工作部位都不同,所以各切削齒的負(fù)前角和側(cè)轉(zhuǎn)角也不同。由于要保持切削齒良好的工作性能,須控制切削齒在工作過程中的磨損,使切削齒磨損降為最小。因此,以切削齒磨損最小為目標(biāo)對(duì)切削齒負(fù)前角和側(cè)轉(zhuǎn)角進(jìn)行優(yōu)化,確定各齒結(jié)構(gòu)角大小。

綜合考慮切削齒的切削效率、鉆頭穩(wěn)定性和使用壽命，將PDC鉆頭負(fù)前角設(shè)定為15°～25°，從內(nèi)錐到鼻部，負(fù)前角由小逐漸變大，從鼻部到外錐，負(fù)前角由大變小?？紤]到鉆頭作業(yè)時(shí)易發(fā)生泥包現(xiàn)象，為了提高鉆頭的排屑和防泥包能力，將切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角控制在0°～10°之間。

（3）切削齒周向布置。切削齒的周向布置是在垂直于鉆頭軸線平面內(nèi)按一定方式確定切削齒的周向位置角,得到周向布置圖（見圖4）。依據(jù)鉆頭力平衡設(shè)計(jì)原則，新型PDC鉆頭采用了不對(duì)稱刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即鉆頭各刀翼上的切削齒周向角分布不對(duì)稱。

（4）切削齒徑向布置。切削齒徑向布置是在鉆頭半徑平面內(nèi)沿冠部外形輪廓布置切削齒,確定中心齒、保徑齒和其他各齒的徑向位置,得到徑向布齒圖(見圖5),它反映切削齒的分布密度和在井底的覆蓋情況。設(shè)計(jì)重點(diǎn)是使切削齒能完全覆蓋井底。確定中心齒位置的原則是使中心齒處于切掉中心巖石的最有利位置;確定保徑齒位置的原則是保證保徑齒工作面超出規(guī)徑線部分與加工要求磨削量相等。

圖4　切削齒周向布置

圖5　徑向布齒圖

3.3鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆頭的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是通過各種途徑來提高井底“壓力梯度”，來提高鉆頭實(shí)際水功率，即努力提高射流的清巖、破巖、切削齒的潤(rùn)滑和冷卻效果。鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括噴嘴布置參數(shù)設(shè)計(jì)和排屑槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）噴嘴布置參數(shù)設(shè)計(jì)。合適的噴嘴直徑可使PDC鉆頭得到高速鉆進(jìn)所需要的鉆頭壓力降和單位面積上的水功率。噴嘴或水眼的配置和取向取決于鉆頭的類型，一般說來，噴嘴的配置和取向基本原則是：每個(gè)噴嘴或水眼能清洗和冷卻一組復(fù)合片（見圖6）。

圖6　噴嘴布置參數(shù)設(shè)計(jì)

為了有效地減少井底流場(chǎng)中產(chǎn)生對(duì)鉆頭不利的渦流與湍流，同時(shí)也為了加大鉆頭水功率，提高了鉆頭的破巖效率，利用CFD軟件對(duì)鉆頭水力參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將噴嘴噴射角度分別確定為15°、17°、19.5°、 22°，具體布置參數(shù)見表1。

表1　鉆頭噴嘴布置參數(shù)

（2）排屑槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。排屑槽過流面積是以其排屑能力為依據(jù)來設(shè)計(jì)的，衡量排屑能力的好壞則是以鉆井液在排屑槽中的流速大小為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)已知鉆井液總流量和排屑槽中的給定鉆井液返速，就可以計(jì)算出保徑寬度和排屑槽直徑的數(shù)值。由于扇形排屑槽排屑面積較大，采用此結(jié)構(gòu)的鉆頭的排屑效果較好，因此鉆頭的排屑槽斷面形狀設(shè)計(jì)采用了扇形結(jié)構(gòu)（圖7）。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在大慶地區(qū)調(diào)整井作業(yè)中使用的?215.9mmPDC鉆頭主切削齒選用?19.05mm的復(fù)合片，使用混合布齒技術(shù)的新型PDC鉆頭的主切削齒選用了?19.05mm和?16.00mm復(fù)合片。單片?16.00mm復(fù)合片的采購(gòu)成本較?19.05mm低103元，因此一只混合布齒鉆頭能節(jié)省成本721元。

2015年采用混合布齒技術(shù)的?215.9mmR3624型PDC鉆頭在大慶南2區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。PDC鉆頭在南2區(qū)塊自上而下鉆遇地層為明水組、四方臺(tái)組、嫩江組、姚家組和青山口組，巖性主要為：灰黑色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、黑黑褐色油頁巖等。單只鉆頭在該區(qū)塊平均機(jī)械進(jìn)尺為4379m,，鉆頭磨損情況正常，鉆頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。與鄰井作業(yè)的常規(guī)PDC鉆頭相比，單只鉆頭平均進(jìn)尺增加了126m,平均機(jī)械鉆速提高了1.2m/h。

圖7　鉆頭排屑槽形狀

表2　PDC鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5　結(jié)論

針對(duì)混合布齒技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的PDC鉆頭冠部形狀、切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)，結(jié)合目前的胎體PDC鉆頭制造工藝，制造了基于混合布齒技術(shù)的新型?215.9mm PDC鉆頭，并在大慶地區(qū)南2區(qū)塊調(diào)整井作業(yè)中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，鉆頭平均機(jī)械鉆速提高了1.2m/h，這表明混合布齒鉆頭的性能得到了提高，滿足了鉆井公司的作業(yè)需求。

[1]李樹盛，蔡鏡侖，馬德坤.PDC鉆頭冠部設(shè)計(jì)的原理與方法[J].石油機(jī)械，1998，26（3）：1-3.

[2] 李樹盛，馬德坤，侯季康.PDC鉆頭運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，1996，25（4）：26-28.

TE2

B

1004-5716(2016)11-0030-04

2015-12-21

2015-12-21

巫剛（1985-），男（漢族），四川內(nèi)江人，工程師，現(xiàn)從事鉆頭設(shè)計(jì)工作。