陳來(lái)軍，賀　培，吳鳳宇，杜建華

（1.中石油西部鉆探國(guó)際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026；2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室<重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院>，重慶400042；3.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心<重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院>，重慶400042；4.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)，四川成都610500)

珠江口盆地番禺地區(qū)PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

陳來(lái)軍*1，賀培2,3,4，吳鳳宇1，杜建華1

（1.中石油西部鉆探國(guó)際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026；2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室<重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院>，重慶400042；3.重慶市頁(yè)巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心<重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院>，重慶400042；4.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)，四川成都610500)

番禺地區(qū)是珠江口盆地油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域。在分析番禺地區(qū)地層特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研究發(fā)現(xiàn)影響番禺地區(qū)PDC鉆頭機(jī)械鉆速的主要因素是鉆頭穩(wěn)定性、井斜角、泥質(zhì)含量、鉆頭磨損、巖石膠結(jié)物和膠結(jié)類型。針對(duì)存在的問題，設(shè)計(jì)了一款12-1/4″PDC鉆頭，采用6刀翼、雙排齒結(jié)構(gòu)，刀翼周向位置角0°、59.2°、120.8°、179.2°、239.7°、301.3°。9噴嘴結(jié)構(gòu)，中心噴嘴直徑12.70mm、噴射角18°。外圍噴嘴直徑9.53mm、噴射角30°。模擬研究表明不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中失效，強(qiáng)度滿足安全性。井底流場(chǎng)滿足排屑、輔助破巖需要。

番禺地區(qū)；PDC鉆頭設(shè)計(jì)；PDC鉆頭穩(wěn)定性；刀翼；噴嘴

1　番禺地區(qū)地層特征

番禺地區(qū)是一個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元地區(qū)，南部是白云凹陷，北部是恩平凹陷，東部鄰近東沙隆起，西部和神狐暗沙隆起相鄰。構(gòu)造上是下斷上坳、向北掀斜的低隆起。番禺地區(qū)地層主要是珠江組、韓江組、粵海組和萬(wàn)山組。珠江組是該地區(qū)的主要地層，沉積相、巖性復(fù)雜多變；下部發(fā)育三角洲—濱岸—潮坪相砂泥巖互層；中下部東沙隆起及其北坡發(fā)現(xiàn)有多期生物礁和碳酸鹽巖臺(tái)地，部分區(qū)域碳酸鹽巖中見砂巖夾層；中上部地段是大段泥巖夾砂巖[1]。番禺地區(qū)地質(zhì)分層和巖性見表1。

表1　番禺地區(qū)地質(zhì)分層和巖性表

通過對(duì)番禺地區(qū)某1、2平臺(tái)巖石可鉆性剖面分析知，某2平臺(tái)地層可鉆性級(jí)值略小于某1平臺(tái)地層可鉆性級(jí)值，某1平臺(tái)地層巖石可鉆性級(jí)值變化較大。上新世—萬(wàn)山組地層巖石可鉆性級(jí)值為1～2.5，中新世—粵海組地層巖石可鉆性級(jí)值為1.5～3，中新世—韓江組地層巖石可鉆性級(jí)值為2～3.5，中新世—珠江組的地層巖石可鉆性級(jí)值為3～5。該地區(qū)地層主要以軟—中軟為主，其中有少數(shù)夾層巖石可鉆性級(jí)值達(dá)到6～7。

番禺地區(qū)使用PDC鉆頭穿越萬(wàn)山組、粵海組、韓江組、珠江組地層，其中萬(wàn)山組與珠江組中只鉆進(jìn)部分地層。即設(shè)計(jì)12-1/4″PDC鉆頭時(shí)，主要考慮粵海組、韓江組地層中的使用情況。

2　番禺地區(qū)PDC鉆頭使用存在問題分析

結(jié)合番禺地區(qū)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)使用PDC鉆頭的機(jī)械鉆速不明顯優(yōu)于使用牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速，使用PDC鉆頭主要存在如下問題：

（1）鉆頭穩(wěn)定性影響。該地區(qū)地層含有一定的礫石，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)機(jī)械鉆速記錄表明，當(dāng)PDC鉆頭進(jìn)入含礫石段時(shí)，機(jī)械鉆速會(huì)降低，同時(shí)引起鉆頭回旋振動(dòng)，加速損壞PDC鉆頭。

（2）井斜角影響。番禺地區(qū)井型主要采用定向井、水平井，12-1/4″PDC鉆頭所鉆井段為開始造斜段到水平段。井斜角會(huì)影響PDC鉆頭齒入地層角度，PDC鉆頭切削齒齒入的角度正好為地層巖石最弱面時(shí)，有利于PDC鉆頭鉆進(jìn)。PDC鉆頭一部分切削齒齒入地層巖石脆弱面，一部分切削齒齒入巖石高強(qiáng)度面時(shí)，會(huì)引起PDC鉆頭回旋振動(dòng)，不利于鉆頭穩(wěn)定性。

（3）泥質(zhì)含量影響。從粘土礦物實(shí)驗(yàn)可以看出，整個(gè)地層段粘土含量5.7%～39.2%，證實(shí)泥巖是影響機(jī)械鉆速的重要原因。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)機(jī)械鉆速記錄表明，粘土相對(duì)含量增加時(shí)，機(jī)械鉆速明顯降低。砂巖相對(duì)含量增加時(shí)，機(jī)械鉆速會(huì)相應(yīng)增加。現(xiàn)場(chǎng)取出的部分鉆頭還出現(xiàn)了泥包現(xiàn)象。

（4）鉆頭磨損的影響?，F(xiàn)場(chǎng)使用后的PDC鉆頭，切削結(jié)構(gòu)的內(nèi)排齒與外排齒磨損等級(jí)主要為1～3，只有少部分PDC鉆頭的內(nèi)、外排齒磨損嚴(yán)重。磨損特征主要為切削齒磨損，少部分出現(xiàn)切削齒斷、切削齒碎裂等嚴(yán)重磨損情況。磨損位置一般為鼻部、肩部或全部磨損。直徑磨損一般不嚴(yán)重，常為磨損1mm或者直徑無(wú)磨損。礦物百分比中石英含量達(dá)到52.1%～79.8%，高石英含量是造成PDC常規(guī)磨損的主要原因。

（5）巖石膠結(jié)物和膠結(jié)類型的影響。番禺地區(qū)膠結(jié)物不同的井之間有一定的差別，主要是泥質(zhì)、方解石、白云石、粘土礦物等。膠結(jié)物類型主要是接觸膠結(jié)與孔隙膠結(jié)，個(gè)別層段存在基底膠結(jié)。番禺某1、某2平臺(tái)，在同樣的巖性、鉆井參數(shù)、PDC鉆頭等條件下，出現(xiàn)機(jī)械鉆速相差很大，這與巖石的膠結(jié)物類型密切相關(guān)。出現(xiàn)基底膠結(jié)巖石時(shí)，機(jī)械鉆速會(huì)顯著降低。

3　PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1刀翼布置設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)12-1/4″PDC鉆頭使用知，下入5刀翼PDC鉆頭，在部分井中存在跳鉆現(xiàn)象，穩(wěn)定性不好。下入6刀翼PDC鉆頭基本不存在跳鉆現(xiàn)象，穩(wěn)定性良好。所以采用6刀翼結(jié)構(gòu)（3主刀翼+3輔助刀翼）。刀翼布置設(shè)計(jì)具有以下特征：①采用弧線型6刀翼，冠部為中拋物線型，中等切削后角，增強(qiáng)導(dǎo)向性。②采用力平衡設(shè)計(jì)和低摩阻保徑有效防止鉆頭回旋，提高鉆頭防泥包能力。③刀翼形狀采用螺旋型刀翼結(jié)構(gòu)，降低減少鉆頭的回旋振動(dòng)機(jī)率和提高排屑效率。結(jié)合PDC鉆頭力平衡原則，刀翼周向位置角采用0°、59.2°、120.8°、179.2°、239.7°、301.3°[2-4]。

3.2PDC鉆頭穩(wěn)定性布齒設(shè)計(jì)

主刀翼采用雙排齒結(jié)構(gòu)（主切削齒+輔助切削齒），主切削齒尺寸為16mm，輔助切削齒尺寸為13mm，具體鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。PDC鉆頭布齒設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：①采用超優(yōu)質(zhì)的16mm“T”齒，顯著提高鉆頭的抗沖擊性和抗研磨性。②采用高性能的胎體材料，提高鉆頭抗沖蝕性能，保證鉆頭使用壽命。③采用后排齒設(shè)計(jì)，增加鉆頭的布齒密度，提高鉆頭的使用壽命。④采用防碰節(jié)設(shè)計(jì)，增加鉆頭的穩(wěn)定性，抗沖擊性。⑤采用強(qiáng)化保徑設(shè)計(jì)，保徑處布置高性能的保徑齒、PDC平躺齒、金剛石聚晶。⑥采用倒劃眼設(shè)計(jì)，增強(qiáng)鉆頭處理井下復(fù)雜事故的能力。⑦采用力平衡設(shè)計(jì)，降低鉆頭徑向、軸向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高PDC齒切削效率和機(jī)械鉆速。

表2　個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)鉆壓計(jì)算單齒切削載荷，并將單齒載荷加載到相應(yīng)的齒上，通過模擬分析計(jì)算，校核PDC鉆頭強(qiáng)度，確保在相應(yīng)的扭矩和鉆壓下工作的安全性。校核該個(gè)性化PDC鉆頭在鉆壓12t、扭矩15000N·m，鉆壓15t、扭矩20000N·m下的有效應(yīng)力、鉆頭受力變形情況，以判斷該P(yáng)DC鉆頭的適應(yīng)性。

通過有效應(yīng)力校核模擬分析知，在鉆壓12t、扭矩15000N·m下，最大有效應(yīng)力為85.3MPa，最大有效應(yīng)變0.0362mm。在鉆壓15t、扭矩20000N·m下，最大有效應(yīng)力113MPa，最大有效應(yīng)變0.0483mm。最大有效應(yīng)力出現(xiàn)在切削刀翼根部，最大有效應(yīng)變出現(xiàn)在切削齒上。滿足PDC鉆頭切削要求，PDC鉆頭不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力破壞。

4　PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1噴嘴布置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的PDC鉆頭為6刀翼結(jié)構(gòu)（3主刀翼+3輔助刀翼），選擇9噴嘴結(jié)構(gòu)（中心3噴嘴+外圍6噴嘴）。中心噴嘴直徑為12.70mm（16），外圍噴嘴9.53mm（12）。噴嘴位置布置在靠近切削刃工作面上，中心3個(gè)噴嘴位于主刀翼切削齒切削面內(nèi)側(cè)。外圍6個(gè)噴嘴射流角度為30°，中心噴嘴射流角度為18°[5]。

4.2個(gè)性化PDC鉆頭流場(chǎng)模擬

對(duì)個(gè)性化PDC鉆頭進(jìn)行流場(chǎng)模擬，得出該P(yáng)DC鉆頭井底流場(chǎng)、流道內(nèi)流體速度矢量圖。發(fā)現(xiàn)該P(yáng)DC鉆頭采用3中心噴嘴12.70mm（16）+6外圍噴嘴9.53mm（12）結(jié)構(gòu)流體流場(chǎng)分布合理。從個(gè)性化PDC鉆頭流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)知，中心噴嘴噴出的流體流速大，沒出現(xiàn)渦流情況，能滿足清洗主刀翼切削巖屑的需要；該P(yáng)DC鉆頭流道內(nèi)流速高，能把巖屑快速排出流道。所以在水力上優(yōu)化能有效提高鉆頭的壽命和機(jī)械鉆速，有效降低出現(xiàn)泥包的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。

5　結(jié)論

（1）12-1/4″PDC鉆頭主要鉆進(jìn)粵海組、韓江組地層，為軟—中軟地層。影響PDC鉆頭使用效果的主要因素是鉆頭穩(wěn)定性、井斜角、泥質(zhì)含量、鉆頭磨損、巖石膠結(jié)物和膠結(jié)類型。

（2）個(gè)性化12-1/4″PDC鉆頭采用3主刀翼+3輔助刀翼、雙排齒結(jié)構(gòu)，刀翼周向位置角0°、59.2°、120.8°、 179.2°、239.7°、301.3°。在鉆井鉆壓和扭矩下，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中失效，滿足強(qiáng)度要求。

（3）個(gè)性化12-1/4″PDC鉆頭采用3中心噴嘴+6外圍噴嘴，中心噴嘴直徑為12.70mm，外圍噴嘴9.53mm；中心噴嘴噴射角為18°，外圍噴嘴噴射角為30°。數(shù)值模擬表明該P(yáng)DC鉆頭井底流場(chǎng)滿足排屑、輔助破巖要求。

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TE2

A

1004-5716(2016)11-0096-03

2015-12-08

2016-01-18

陳來(lái)軍（1986-），男（漢族），山東菏澤人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工程技術(shù)、鉆井施工工藝等方面的研究和管理工作。