胡 佳，郭俊磊，吉 林，楊賢達(dá)

（1.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280；2.渤海鉆探第三鉆井工程分公司，天津 300280）

0 引言

近年來(lái)，隨著石油開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步，PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭以高機(jī)速、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)在石油鉆井行業(yè)中所占的比例越來(lái)越大，但在巨厚礫石層中鉆頭切削齒易先期損壞，使用效果達(dá)不到預(yù)期。

吉木薩爾凹陷頁(yè)巖油水平井采用381.0/215.9（mm）或311.2/215.9（mm）二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)井段段長(zhǎng)1700 m，其中礫石層長(zhǎng)約1200 m，為典型巨厚礫石層，通常需要2～3 趟鉆才能鉆穿，施工效率低，嚴(yán)重制約了該區(qū)塊鉆進(jìn)速度。通過(guò)調(diào)查鉆頭使用情況發(fā)現(xiàn)，前期鉆頭采用19 mm 單排齒結(jié)構(gòu)，四刀翼布局，PDC 鉆頭破損形態(tài)為鉆頭芯部和外錐復(fù)合片崩齒或斷齒（圖1），分析主要原因?yàn)椋涸摼蔚[石含量30%以上，礫徑大，地層均質(zhì)性較差，配合高轉(zhuǎn)速螺桿鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭機(jī)速較快但容易崩齒。為此，通過(guò)攻關(guān)該地區(qū)個(gè)性化PDC 鉆頭設(shè)計(jì)，以解決鉆頭機(jī)械鉆速低和壽命短的問(wèn)題，提高油藏開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 前期鉆頭磨損情況

1 地層巖石特性分析

吉木薩爾凹陷一開(kāi)井段所鉆地層為第四系至侏羅系，第四系至白堊系0～1200 m 巖性以黃色、紅褐色泥巖、膏質(zhì)泥巖與粉砂巖互層為主，夾砂礫巖、小礫巖、細(xì)礫巖，礫徑3～20 mm；侏羅系1200～1700 m 巖性為砂巖夾泥巖。通過(guò)導(dǎo)入相關(guān)錄測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，利用地層可鉆性分析軟件計(jì)算得出，該井段地層單軸抗壓強(qiáng)度10～60 MPa，可鉆性級(jí)值2～5.5，屬軟～中硬地層。

2 鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

根據(jù)地層可鉆性分析數(shù)據(jù)及前期PDC 鉆頭使用損壞特征，設(shè)計(jì)一款兼顧抗沖擊性和高攻擊性的PDC 鉆頭，分別從冠部輪廓設(shè)計(jì)、切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模等3 個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 冠部輪廓設(shè)計(jì)

針對(duì)本課題所研究的地層特點(diǎn)，采用等磨損原則進(jìn)行冠部輪廓設(shè)計(jì)[1]，確定出適合鉆進(jìn)巨厚礫石層、軟-中硬地層的冠部輪廓形狀：中深錐、兩段圓弧式冠部輪廓（圖2），這種冠部輪廓具有以下特點(diǎn)：①中深內(nèi)錐角θ，能增加鉆頭心部切削齒在井底的覆蓋面積，提高心部抗沖擊能力；②第一段圓弧采用大弧度θ1、小圓弧半徑r1，能提供鉆頭肩部更大的切削體積和布齒密度，達(dá)到很好的抗沖擊能力；③第二段圓弧采用小弧度θ2、大圓弧半徑r2，使鉆頭肩部齒到保徑齒更加圓滑的過(guò)渡，可以進(jìn)一步控制鉆頭的振動(dòng)，提高鉆頭的穩(wěn)定性。

圖2 鉆頭冠部輪廓

2.2 切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）切削齒尺寸。根據(jù)地層可鉆性極值及抗壓強(qiáng)度特點(diǎn)，選擇直徑19 mm 的大尺寸PDC 齒作為主切削元件，對(duì)軟巖層的切削效率更高，考慮到PDC 鉆頭的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及前期損壞特征，鉆頭心部布齒密度要低于肩部，鉆頭心部齒更容易崩齒導(dǎo)致鉆頭掏心，所以心部齒采用小一級(jí)的尺寸16 mm（圖3），使用兩種不同尺寸切削齒形成復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)的同時(shí)，極大延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。

（2）布齒密度。根據(jù)PDC 鉆頭的IADC 標(biāo)準(zhǔn)，確定該鉆頭采用較低的布齒密度，鉆頭當(dāng)量齒數(shù)Ne≤0.139D，其中D 為鉆頭外徑，即381.0 mm 或311.2 mm，則鉆頭當(dāng)量齒數(shù)Ne≤52.96 或Ne≤43.26，根據(jù)國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)（IADC）關(guān)于PDC 鉆頭當(dāng)量齒數(shù)的計(jì)算公式：Ne=（Dc×Nc）/［12.7/（Db/215.9）］。計(jì)算可得：Nc=（Ne×Db×12.7）/（Dc×215.9）。式中，Ne是鉆頭當(dāng)量齒數(shù)；Dc是復(fù)合片直徑；Nc是復(fù)合片個(gè)數(shù)；Db是鉆頭直徑。該鉆頭中，Dc=19.05 mm，Db=381.0 mm 或311.2 mm，則Nc=Ne×（Db×12.7）/（19.05×215.9）。

當(dāng)Db=381.0 mm，鉆頭布齒數(shù)量Nc≤62.3 顆；當(dāng)Db=311.2 mm，鉆頭布齒數(shù)量Nc≤41.5 顆。能滿足使用要求，結(jié)合鉆頭心部和肩部的磨損情況，心部布齒密度設(shè)定為1.5～1.8，肩部布齒密度設(shè)定為4.2～4.8，利用等磨損方法繪制出徑向布齒圖（圖3）。

圖3 鉆頭徑向布齒

（3）切削齒角度。切削齒角度一般指后傾角和側(cè)傾角，后傾角是切削齒與地層的接觸角，角度大小直接影響鉆頭的機(jī)械鉆速，側(cè)傾角的方向影響巖屑排出的方向，鉆頭在井底旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，?cè)傾角也采用順時(shí)針?lè)较蛴欣趲r屑排出。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，在礫巖層地層中，切削齒磨損量在后傾角為15°～20°之間增長(zhǎng)速度平緩，在20°時(shí)達(dá)到最大值[2]，本課題所研究鉆頭切削齒后傾角選用15°～20°，切削齒側(cè)傾角選擇0～5°。

（4）刀翼布局。區(qū)塊前期鉆頭采用兩長(zhǎng)兩短四刀翼布局，鉆頭肩部切削齒崩齒嚴(yán)重至本體出槽，說(shuō)明該部位布齒密度偏低需要強(qiáng)化，將四刀翼優(yōu)化為五刀翼布局以提高鉆頭肩部的布齒密度，因此選擇兩長(zhǎng)三短五刀翼布局，提高鉆頭整體壽命。

（5）復(fù)合片的選擇。復(fù)合片的主要技術(shù)指標(biāo)是抗沖擊性和耐磨性，從結(jié)構(gòu)形式上一般分為平面齒和異形齒，平面齒是PDC鉆頭最常用的一種切削齒，具有高效的剪切破巖能力，同時(shí)具有自銳出刃的特性，耐磨性高。異形齒是近年來(lái)從平面齒變化出的一種新型齒，通過(guò)結(jié)構(gòu)形式、切削機(jī)理的改變，可適用于不同的地層工況，用于提高機(jī)械鉆速或延長(zhǎng)鉆頭壽命。

PDC 鉆頭工作時(shí)，鉆頭外錐接近保徑處的復(fù)合片線速度最大，切削扭矩也最大，是最容易發(fā)生崩齒損壞的部位，在該部位應(yīng)用1～2 顆三棱異形齒來(lái)提高鉆頭整體抗沖擊性，三棱齒以凸棱分開(kāi)巖石，分解了正面沖擊復(fù)合片的作用力，減緩了對(duì)兩側(cè)平面部分的直接沖擊，降低了切削齒崩損的概率，有效提高復(fù)合片的抗沖擊性，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命（圖4）。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，三棱異形齒較常規(guī)齒抗沖擊性能提高35%（圖5）。

圖4 異形齒位置

圖5 復(fù)合片抗沖擊測(cè)試結(jié)果

2.3 三維設(shè)計(jì)

根據(jù)本課題設(shè)計(jì)理念，通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)了適合在巨厚礫石層中快速鉆進(jìn)的PDC 鉆頭，鉆頭主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：主切削齒采用19/16 mm 復(fù)合切削結(jié)構(gòu)、低布齒密度、兩長(zhǎng)三短五刀翼布局，外錐部位選擇三棱齒復(fù)合片，其余復(fù)合片選擇平面齒（圖6）。

圖6 鉆頭三維模型

3 應(yīng)用效果

按照上述設(shè)計(jì)特征制造的個(gè)性化鉆頭在吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊紅旗331 井、吉2805H 和吉2807H 井進(jìn)行了推廣應(yīng)用，試驗(yàn)效果良好。一開(kāi)直井段機(jī)械鉆速分別為28.9 m/h、31.5 m/h 和37.3 m/h，比區(qū)塊平均機(jī)速22 m/h 分別提高了31.3%、43.2%、69.5%，單只PDC 鉆頭進(jìn)尺1700～1800 m，均一趟鉆完成鉆進(jìn)目標(biāo)（表1）。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，新型PDC 鉆頭能較好地適應(yīng)吉木薩爾上部地層鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速和鉆頭壽命均達(dá)到預(yù)期效果。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）在鉆進(jìn)巨厚礫石層時(shí)，采用適當(dāng)?shù)那邢鼾X后傾角（15°～20°），有利于提高鉆頭機(jī)械鉆速和抗沖擊性能，鉆頭使用壽命有較大提高。

（2）應(yīng)用19/16 mm 復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，能提高鉆頭心部齒抗沖性能，防止心部磨損出槽。

（3）通過(guò)在PDC 鉆頭外錐部位應(yīng)用三棱異形齒，能明顯改善該部位的抗沖能力，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

（4）新型PDC 鉆頭在吉木薩爾頁(yè)巖油區(qū)塊應(yīng)用成功，為各油田鉆進(jìn)該類地層提供了參考依據(jù)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。