彭 齊， 周英操， 周 波， 劉川福， 劉 宇

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3. 中國(guó)石油塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒 841000）

國(guó)內(nèi)油氣資源日趨劣質(zhì)化，油氣勘探開發(fā)逐漸向深層超深層發(fā)展。塔里木油田作為我國(guó)“十四五”增產(chǎn)上儲(chǔ)的主力油田，在確保國(guó)家能源安全、踐行“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要作用。庫(kù)車山前已探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量 5 800×108m3，是塔里木油田實(shí)現(xiàn) 2020 年建成 3 000×104t油氣當(dāng)量大油氣田目標(biāo)的主力區(qū)塊。2013—2017年，庫(kù)車山前地區(qū)克深、大北和博孜等區(qū)塊共完鉆93口井，其中井深超過 7 000 m 的油氣井 35 口，平均井深 7 385 m，平均鉆井周期 325 d，平均鉆井完井周期 387 d，鉆井周期過長(zhǎng)嚴(yán)重影響了油氣勘探開發(fā)進(jìn)程。統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，巨厚礫石層井段的機(jī)械鉆速低是導(dǎo)致鉆井周期長(zhǎng)的主要原因。如博孜區(qū)塊礫石層井段平均長(zhǎng)度達(dá)5 238 m，且不同井的礫石層巖性差異大，地層可預(yù)測(cè)性差，礫石層井段的鉆進(jìn)時(shí)間占鉆井周期的70%以上。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，常規(guī)牙輪鉆頭鉆進(jìn)礫石層井段時(shí)的壽命短、進(jìn)尺差異大；常規(guī)PDC鉆頭金剛石復(fù)合片切削齒抗沖擊能力較差，易發(fā)生崩齒，掏環(huán)和掏心等問題[1-6]。為此，筆者設(shè)計(jì)了凸脊型非平面金剛石復(fù)合片切削齒（簡(jiǎn)稱凸脊型非平面齒），并研制了配套PDC鉆頭，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該鉆頭抗沖擊性較常規(guī)PDC鉆頭提高10倍以上，能大幅提高礫石層井段鉆井速度，可滿足庫(kù)車山前礫石層提速提效的需求，為庫(kù)車山前深層油氣資源高效勘探開發(fā)提供了技術(shù)支持。

1 庫(kù)車山前礫石層鉆井主要難題

庫(kù)車山前百余口深井超深井鉆井結(jié)果分析表明，鉆進(jìn)礫石層時(shí)主要存在以下技術(shù)難題：

1）礫石層井段長(zhǎng)（埋深超過 3 000 m，平均長(zhǎng)度2 900 m，最長(zhǎng)達(dá) 5 830 m），可鉆性差，且同一區(qū)塊不同井礫石層之間的巖性差異大，鉆頭選型及提速技術(shù)優(yōu)選難度大。

2）常規(guī)PDC鉆頭的金剛石復(fù)合片切削齒抗沖擊性能差，鉆進(jìn)礫石層時(shí)易出現(xiàn)切削齒崩齒、鉆頭掏心和鉆頭磨損嚴(yán)重等問題，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速。2013—2017年，庫(kù)車山前克深、大北和博孜等區(qū)塊93口井應(yīng)用常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)礫石層，出現(xiàn)掏心、崩齒的概率高達(dá)43.0%。

3）應(yīng)用牙輪鉆頭鉆進(jìn)礫石層井段時(shí)，鉆頭壽命短，進(jìn)尺差異大，即使獅虎獸復(fù)合鉆頭等新型鉆頭也磨損嚴(yán)重。例如，博孜區(qū)塊某探井采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)礫石層時(shí)，機(jī)械鉆速低于0.90 m/h，共用時(shí)397 d才鉆穿厚度5 359 m的礫石層，牙輪鉆頭的平均使用壽命小于 72 h。

4）空氣鉆井及“渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭”等提速技術(shù)的效果不夠理想，且成本居高不下[7-10]。例如，博孜區(qū)塊2口井應(yīng)用氣體鉆井技術(shù)鉆進(jìn)礫石層井段，雖然機(jī)械鉆速明顯提高（最高為5.00 m/h），但在鉆遇高壓鹽水層時(shí)井壁坍塌嚴(yán)重，不得不埋井側(cè)鉆。應(yīng)用“高速渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭”鉆進(jìn)礫石層時(shí)，與牙輪鉆頭相比平均機(jī)械鉆速提高1倍，但由于地層傾角大（最大達(dá)到87°），需應(yīng)用MWD進(jìn)行井眼軌跡控制，否則井眼增斜太快，需頻繁定向糾斜，從而制約了機(jī)械鉆速。另外，“渦輪鉆具+孕鑲金剛石鉆頭”的綜合作業(yè)費(fèi)用是PDC鉆頭的2～3倍，導(dǎo)致鉆井成本居高不下。

2 常規(guī) PDC 鉆頭失效原因分析

常規(guī)PDC鉆頭在鉆進(jìn)礫石層等抗壓強(qiáng)度高且非均質(zhì)性極強(qiáng)的地層時(shí)，通常表現(xiàn)為機(jī)械鉆速低、進(jìn)尺短，導(dǎo)致起下鉆頻繁，非鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足降本增效的需求。研究認(rèn)為，在正常鉆進(jìn)過程中，常規(guī)PDC鉆頭的圓柱狀切削齒（金剛石復(fù)合片）的端部局部區(qū)域與地層接觸（如圖1所示），地層中的礫石會(huì)對(duì)平面齒的切屑刃產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致切削齒崩齒或嚴(yán)重磨損[11-15]。

圖 1 常規(guī)PDC鉆頭切削齒受礫石沖擊示意Fig.1 Schematic of gravel impact on PDC bit cutter

圓柱狀切削齒由金剛石粉末與碳化鎢硬質(zhì)合金材料組成，但這2種材料的熱膨脹系數(shù)相差數(shù)倍，在高溫高壓壓機(jī)腔內(nèi)燒結(jié)降溫過程中，碳化鎢硬質(zhì)合金的收縮速率快于燒結(jié)成型后的金剛石材料，導(dǎo)致金剛石層內(nèi)產(chǎn)生極高的殘余應(yīng)力[16-19]。碳化鎢硬質(zhì)合金材料的幾何形狀不同，該殘余應(yīng)力在金剛石頂部邊緣處會(huì)表現(xiàn)為不同程度的拉應(yīng)力。研究表明[20-21]，該拉應(yīng)力與鉆頭受到的礫石正向沖擊力疊加在一起，加大了切削齒的損傷程度。

有限元研究結(jié)果表明[16-17]，常規(guī)PDC鉆頭的切削齒在鉆井過程中受到地層沿切削方向的沖擊力，易導(dǎo)致金剛石切削刃形成斷裂面（如圖2所示），在地層不穩(wěn)定的高強(qiáng)度沖擊載荷作用下，斷裂面會(huì)沿切削齒圓柱面順著硬質(zhì)合金基體方向產(chǎn)生裂紋擴(kuò)張，從而破壞原始的切屑刃，導(dǎo)致鉆頭損壞，影響機(jī)械鉆速。

圖 2 金剛石復(fù)合片切削齒受沖擊損傷而出現(xiàn)斷裂面Fig.2 Fracture surface of PDC cutters due to impact damage

3 凸脊型非平面齒設(shè)計(jì)及破巖機(jī)理

分析庫(kù)車山前礫石層巖性特點(diǎn)及不同提速技術(shù)的應(yīng)用效果，認(rèn)為提高礫石層鉆速、降低鉆井成本的關(guān)鍵是對(duì)PDC鉆頭切削齒的抗研磨性能、布齒密度、減振性能和齒形進(jìn)行優(yōu)化。其中，提高切削齒的正向抗沖擊能力是避免切削齒出現(xiàn)過早失效、崩齒等問題的重要研究方向。為此，設(shè)計(jì)了一種凸脊型非平面齒，并研制了配套PDC鉆頭。與常規(guī)圓柱狀平面齒相比，凸脊型非平面齒切削面被3條互相成120°的凸脊均分為3個(gè)斜面，切削齒與地層相互接觸的部分由平面轉(zhuǎn)變?yōu)槿S非平面。凸脊型非平面齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)與常規(guī)平面齒PDC鉆頭大同小異，只是在布齒密度和切削齒倒角等參數(shù)上存在細(xì)微差別。凸脊型非平面齒PDC鉆頭在布齒時(shí)，將其中1條凸脊置于切削刃位置，作為鉆頭切削地層的工具線（見圖3）。

圖 3 非平面齒設(shè)計(jì)及其布齒方式Fig.3 Non-planar cutter design and its layout

凸脊型非平面切削齒PDC鉆頭鉆進(jìn)礫石層時(shí)，礫石將不再直接沖擊金剛石復(fù)合片平面，而是與凸脊產(chǎn)生線接觸，如圖4所示。金剛石復(fù)合片的凸脊率先與地層接觸并擠壓礫石，在礫石表面層產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其更容易產(chǎn)生初始裂紋并斷裂。

圖 4 非平面齒擠壓破碎礫石示意Fig.4 Schematic of gravel crushed by non-planar cutter

切削均質(zhì)性強(qiáng)的砂巖、泥巖地層時(shí)，砂泥巖由于抗壓強(qiáng)度低于礫巖，會(huì)產(chǎn)生足夠大的形變，此時(shí)非平面齒與地層仍然為面接觸，如圖5所示，其破巖方式仍為傳統(tǒng)的剪切破碎。但是與常規(guī)平面齒相比，分布于凸脊兩側(cè)的切削刃更短，因而產(chǎn)生的巖屑更分散而不易成球，而且凸脊兩側(cè)的斜面會(huì)對(duì)巖屑產(chǎn)生向兩側(cè)的推擠力，使得巖屑不會(huì)堆積于刀翼頂部，可以避免鉆頭發(fā)生泥包。

圖 5 非平面齒切削砂巖、泥巖示意Fig.5 Schematic of cutting sandstone and mudstone by non-planar cutter

4 凸脊型非平面齒室內(nèi)試驗(yàn)

聚晶金剛石復(fù)合片的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)包括抗沖擊性、抗研磨性及熱穩(wěn)定性。由于井底環(huán)境存在諸多不確定性，在室內(nèi)很難準(zhǔn)確描述金剛石復(fù)合片切削地層時(shí)的熱交換過程，因此，主要對(duì)凸脊型非平面齒的抗沖擊性能與抗研磨性能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

4.1 抗沖擊性能試驗(yàn)

采用沖擊塔力學(xué)沖擊測(cè)試方法，測(cè)試凸脊型非平面齒的抗沖擊性能，即將非平面齒放置在帶有一定后傾角的夾具下，在不同高度下自由落體沖擊至另一構(gòu)件上，沖擊塔中的力傳感器測(cè)得非平面齒受到的沖擊力，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，用于分析非平面齒沖擊若干次后的損傷情況[17]。實(shí)際測(cè)試過程中，如果沖擊次數(shù)超過閾值次數(shù)，則認(rèn)為非平面齒的抗沖擊性能滿足要求。

相同材料高溫壓制而成的平面齒與非平面齒的抗沖擊性試驗(yàn)結(jié)果表明（見圖6），在所有測(cè)試樣品中，非平面齒的抗沖擊次數(shù)均超過了閾值次數(shù)（其中，非平面齒樣品1和樣品3在試驗(yàn)時(shí)采用恒定沖擊載荷，閾值次數(shù)為30 000次；樣品2在試驗(yàn)時(shí)沖擊載荷逐漸增加，閾值次數(shù)為10 000次），而平面齒樣品普遍在閾值次數(shù)的10%左右就產(chǎn)生了損傷。由此可見，非平面齒的抗沖擊性能大幅超過平面齒，提高了10倍以上。

圖 6 沖擊試驗(yàn)樣品破損對(duì)比Fig.6 Impact damage result comparisons of test samples

4.2 抗研磨性能試驗(yàn)

采用立式轉(zhuǎn)塔車床試驗(yàn)裝置(VTL)對(duì)凸脊型非平面齒和平面齒的抗研磨性能進(jìn)行測(cè)試[19-20]，試驗(yàn)時(shí)將切削齒以一定后傾角（通常為15°～25°）焊接在特定夾具內(nèi)，并置于液壓油加壓的腔體內(nèi)，抗壓強(qiáng)度約為180 MPa的巖樣置于立式車床壓力腔內(nèi)并以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，切削齒在給定進(jìn)刀量的條件下由外至內(nèi)切削巖石，并通過其后布置的三軸力傳感器記錄切削過程中3個(gè)方向的受力（切削力、法向載荷和周向載荷）。切削過程中，記錄切削齒的切削力和法向載荷變化情況，當(dāng)二者迅速下降時(shí)，認(rèn)為切削齒在當(dāng)前切削深度工況下已失效，記錄切削距離，試驗(yàn)結(jié)束；采用材料相同的平面齒（3片）和凸脊型非平面齒（3片）在抗壓強(qiáng)度相同的巖樣上進(jìn)行抗研磨性測(cè)試，切削齒失效后的磨損狀況如圖7所示，切削距離如表1所示。

由表1可知，在抗壓強(qiáng)度180 MPa的砂巖巖樣研磨試驗(yàn)中，3組凸脊型非平面齒失效前的切削距離均遠(yuǎn)大于平面齒，分別增加81.4%，52.0%和68.6%，說明凸脊型非平面齒具有更高的抗研磨性，相比平面齒至少提高52%以上。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于凸脊型非平面齒，研制了2只φ333.4 mm非平面齒PDC鉆頭，一只為MV516TIU型鉆頭，采用五刀翼高攻擊性單排齒設(shè)計(jì)；另一只為MV516TILXU型鉆頭，采用五刀翼均衡性雙排齒設(shè)計(jì)（見圖8）。

2只凸脊型非平面齒PDC鉆頭在塔里木油田庫(kù)車山前地區(qū)博孜區(qū)塊某井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆進(jìn)地層為雜色小礫巖、含礫砂巖，創(chuàng)造了該區(qū)塊最高日進(jìn)尺、最高總進(jìn)尺和最高機(jī)械鉆速等紀(jì)錄。其中，MV516TIU 型鉆頭鉆進(jìn)井段 4 523～4 952 m，進(jìn)尺429 m，純鉆時(shí)間 146 h，平均鉆速 2.94 m/h，起出鉆頭新度70%，IADC定損1-4-RO-S-X-X-X-0-CT-PR；MV516TILXU 型鉆頭鉆進(jìn)井段 4 952～5 340 m，進(jìn)尺388 m，純鉆時(shí)間 131 h，平均鉆速 2.96 m/h，起出鉆頭新度75%，IADC定損1-3-BT-S-X-X-X-0-CT-PR。博孜區(qū)塊3口井（試驗(yàn)井，鄰井A和鄰井B）礫石層井段（3 000～6 500 m）所用鉆頭的進(jìn)尺和平均鉆速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖9—圖11。

從圖9可以看出，2只凸脊型非平面齒PDC鉆頭的進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速均為全井最高，與其他鉆頭的平均進(jìn)尺（153.60 m）和平均機(jī)械鉆速（1.79 m/h）相比，凸脊型非平面齒PDC鉆頭的平均進(jìn)尺至少提高1.5倍，機(jī)械鉆速提高64.0%以上。從圖10可以看出，鄰井A中有1只PDC鉆頭的進(jìn)尺（384 m）接近凸脊型非平面齒PDC鉆頭的進(jìn)尺，但其機(jī)械鉆速僅有0.63 m/h，說明在進(jìn)尺相同的情況下，凸脊型非平面齒PDC鉆頭的破巖效率更高。從圖11可以看出，鄰井B中3只進(jìn)口鉆頭的指標(biāo)最好，進(jìn)尺分別為344，343和341 m，平均機(jī)械鉆速分別為1.7，1.83和1.98 m/h，凸脊型非平面齒PDC鉆頭與之相比，進(jìn)尺提高11.0%以上，平均機(jī)械鉆速提高48.0%以上。由此可知，凸脊型非平面齒PDC鉆頭在鉆進(jìn)礫石層時(shí)具有高抗沖擊和高切削效率的特點(diǎn)，與常規(guī)PDC鉆頭相比提速效果顯著。

圖 7 抗研磨性能試驗(yàn)中平面齒和凸脊型非平面齒失效后的磨損狀況Fig.7 Wear status of planar tooth and non-planar convex ridge tooth in anti-wear performance test

表 1 抗研磨性能試驗(yàn)中平面齒和凸脊型非平面齒的切削距離對(duì)比Table 1 Comparison of cutting distances between the planar cutter and convex ridge type non-planar cutter in the antiwear performance test

圖 8 2只凸脊型非平面齒PDC鉆頭的冠部設(shè)計(jì)Fig. 8 Crown design of two convex ridge non-planar tooth PDC bits

圖 9 試驗(yàn)井鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 9 Statistical results of bit footage and ROP in test wells

圖 10 鄰井A鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 10 Statistical results of bit footage and ROP in adjacent Well A

圖 11 鄰井B鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 11 Statistical results of bit footage and ROP in adjacent Well B

6 結(jié)論與建議

1）塔里木油田庫(kù)車山前礫石層是造成常規(guī)PDC鉆頭破巖效率低、機(jī)械鉆速慢的主要原因，導(dǎo)致油氣井鉆井周期長(zhǎng)，降本增效難度大，嚴(yán)重影響了庫(kù)車山前深層天然氣的高效開發(fā)。

2）設(shè)計(jì)了一種凸脊型非平面齒，并研制了配套PDC鉆頭，將鉆頭破巖方式由傳統(tǒng)面切削轉(zhuǎn)變?yōu)榫€壓裂和面擠壓，大大提高了鉆頭破巖效率，鉆進(jìn)抗壓強(qiáng)度高的礫巖地層時(shí)靠凸脊擠壓破碎礫石，鉆進(jìn)砂泥巖等均質(zhì)地層時(shí)仍然靠剪切破碎巖石。

3）抗沖擊性能與抗研磨性能試驗(yàn)結(jié)果表明，與平面齒相比，凸脊型非平面齒抗研磨性提高52%以上，抗沖擊性能提高10倍以上，在保證鉆頭具有較高攻擊性的同時(shí)延長(zhǎng)了其使用壽命。

4）2只凸脊型非平面齒PDC鉆頭在庫(kù)車山前地區(qū)博孜區(qū)塊某井礫石層井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，平均機(jī)械鉆速和進(jìn)尺均優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭，能較好地滿足礫石層等抗沖擊性強(qiáng)的硬地層高效鉆進(jìn)要求。

5）凸脊型非平面齒突破了傳統(tǒng)的平面齒設(shè)計(jì)理念，為研制高效PDC鉆頭探索了一條新思路，但非平面齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)的不穩(wěn)定力計(jì)算量將會(huì)成倍增加，對(duì)多重力作用下鉆頭穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提出了新的考驗(yàn)。