AD區(qū)塊復(fù)合鉆井用PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

韓汝峰

【摘要】AD區(qū)塊查干組地層厚度35～397.85m，地層非均質(zhì)性極強(qiáng)，可鉆性波動(dòng)幅度大，地層軟硬極為懸殊，并交替出現(xiàn)，對PDC鉆頭的工作極為不利，造成現(xiàn)有鉆頭適應(yīng)性差，鉆井速度慢，制約了該區(qū)塊優(yōu)快鉆井。因此，針對該區(qū)塊地層特點(diǎn)，對復(fù)合鉆井用PDC鉆頭的鉆頭冠部形狀、外部剖面形狀、切削齒及保徑齒的選擇上進(jìn)行了個(gè)性化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：研制的個(gè)性化鉆頭，平均機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺分別提高了21.29%和20.12%，較好的匹配了該地層復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合鉆井 可鉆性 PDC鉆頭 個(gè)性化設(shè)計(jì)

滑動(dòng)鉆井與旋轉(zhuǎn)鉆井相結(jié)合是復(fù)合鉆井技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)鉆井定向糾斜與旋轉(zhuǎn)方式鉆井有效地減少了起下鉆次數(shù)，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，是一種高效的可控鉆井方式。近年來，世界各國普遍利用井下動(dòng)力鉆具-轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)復(fù)合鉆井技術(shù)來提高鉆井速度，但井下動(dòng)力鉆具容易發(fā)生轉(zhuǎn)速降低或制動(dòng)現(xiàn)象，達(dá)不到復(fù)合鉆井的預(yù)期效果。AD區(qū)塊查干組地層非均質(zhì)性強(qiáng)，可鉆性波動(dòng)幅度大，地層軟硬極為懸殊，并交替出現(xiàn)，對PDC鉆頭的工作極為不利，筆者針對該區(qū)塊地層特點(diǎn)，研制了復(fù)合鉆井用個(gè)性化PDC鉆頭。

1 AD區(qū)塊查干組巖石可鉆性分析

A D區(qū)塊查干組地層厚度在3 5～397.85m，砂巖主要為凝灰質(zhì)不等粒砂巖、凝灰質(zhì)含礫不等粒砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)中砂質(zhì)細(xì)砂巖、凝灰質(zhì)含泥不等粒砂巖和薄層不含凝灰質(zhì)的砂礫巖。砂巖一般為細(xì)粒到中粒，分選中等，顆粒排列中等到緊密?？紫栋l(fā)育較差，大小顆粒雜亂分布。利用實(shí)鉆巖心對該層巖石可鉆性級值進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，如表1所示。

由表1可知，該層位巖石非均質(zhì)性極強(qiáng)，可鉆性波動(dòng)幅度大，巖石可鉆性級值最小值為3.08，最大值為6.84，地層軟硬極為懸殊，并交替出現(xiàn)，對PDC鉆頭的工作極為不利。對該層位采用了復(fù)合鉆井技術(shù)，由于該技術(shù)高轉(zhuǎn)速，多工況的技術(shù)要求，以及該區(qū)塊復(fù)雜的地層特點(diǎn)，造成現(xiàn)有PDC鉆頭適應(yīng)較差，機(jī)械鉆速低，因此開展了該層位復(fù)合鉆井用PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)。

2 復(fù)合鉆井技術(shù)對PDC鉆頭要求

復(fù)合鉆井技術(shù)具有高轉(zhuǎn)速特征，鉆頭的工作轉(zhuǎn)速一般會(huì)高于170 r/min。由于沒有活動(dòng)部件，高轉(zhuǎn)速對PDC鉆頭造成的影響較小。但復(fù)合鉆井時(shí)鉆頭工作轉(zhuǎn)速是常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井的3～4倍，切削齒和鉆頭保徑所承受的沖擊載荷增大、磨損程度加劇，應(yīng)優(yōu)選抗沖擊性能較好的金剛石復(fù)合片，并加強(qiáng)鉆頭保徑的耐磨性，保證鉆頭使用壽命。

復(fù)合鉆井技術(shù)具有多工況特征。用于復(fù)合鉆進(jìn)的PDC鉆頭，在滑動(dòng)鉆井時(shí)要具有較低扭矩的特性，滿足擺放工具的需要，在旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)對地層又要具有較好的吃入性，提高破巖效率和機(jī)械鉆速。應(yīng)綜合考慮鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足增斜、穩(wěn)斜、扭方位等不同工況和快速鉆進(jìn)的需要。

3 新型PDC鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1 鉆頭冠部形狀設(shè)計(jì)

PDC鉆頭冠部形狀決定著PDC鉆頭的布齒面，將影響鉆頭的穩(wěn)定性、井底清洗、鉆頭磨損及鉆頭各部位的載荷分布。PDC鉆頭冠部剖面形狀有四種基本類型，即平底型、淺錐型、中錐型和長錐型，其中平底型和淺錐型，由于內(nèi)錐較淺，起不到穩(wěn)定鉆頭的作用，鉆頭工作時(shí)很容易產(chǎn)生橫向振動(dòng)，造成切削齒的沖擊損壞，尤其鉆遇硬夾層時(shí)，常常因冠頂齒和外部齒的先期磨損而導(dǎo)致鉆頭失效，鉆頭中心附近的切削齒得不到最有效的利用，從而對鉆頭壽命造成嚴(yán)重的影響。中錐型冠部剖面形狀具有一定深度的內(nèi)錐和較大的布齒面積，外部區(qū)域可布置較多的切削齒；一定深度的內(nèi)錐可起到穩(wěn)定鉆頭的作用，減少鉆頭的橫向振動(dòng)，延長鉆頭工作壽命。中錐型冠部剖面具有較強(qiáng)鉆進(jìn)硬夾層的能力，鉆遇硬夾層時(shí)，鉆壓的分配更集中于鉆頭冠頂部位，使冠頂切削齒更容易吃入較硬的地層。長錐型冠部剖面形狀通常為近拋物線形，在四種剖面形狀中布齒面積最大，鉆頭外部可布置較多的切削齒，主要適用于高轉(zhuǎn)速鉆頭的設(shè)計(jì)。

針對AD區(qū)塊查干組地層軟硬交錯(cuò)，夾層多的特點(diǎn)，采用中錐型剖面形狀，外部剖面形狀為短拋物線形，這種剖面設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧了復(fù)合鉆進(jìn)PDC鉆頭對造斜性能的要求。

3.2 切削齒的選擇與切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合鉆進(jìn)用鉆頭需要完成造斜、穩(wěn)斜、扭方位等多個(gè)工況，對PDC鉆頭的綜合性能要求較高。合理的設(shè)計(jì)吃入深度控制機(jī)構(gòu)，能夠既有效地控制滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的鉆頭扭矩、減少工具面波動(dòng)，又不會(huì)明顯降低復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速。綜合考慮AD區(qū)塊查干組地層情況和復(fù)合鉆井特點(diǎn)，最終采用雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)不僅可以獲得穩(wěn)定的鉆頭工作扭矩，對提高鉆頭壽命也起到重要的作用：在鉆頭鉆遇硬地層或礫巖層時(shí)，輔助切削齒分擔(dān)冠部切削齒的鉆壓，減小冠部切削齒的損壞幾率，同時(shí)參與切削巖層，增加鉆頭的使用壽命。在進(jìn)入軟地層時(shí)，這種雙重切削結(jié)構(gòu)可以減緩鉆壓的突然改變，減小鉆頭的震動(dòng)，從而保護(hù)切削齒不受損壞。

3.2.2 切削齒形狀和尺寸選擇

AD區(qū)塊查干組含有軟硬互層和礫巖層，由于礫石相對地層較硬，引起切削礫石的切削齒承受較大鉆壓和扭矩，同時(shí)在相對較軟地層中鉆進(jìn)的鉆頭的機(jī)械鉆速較快，因此在與較硬礫石接觸時(shí)容易導(dǎo)致切削齒崩斷、碎等事故的發(fā)生[5]。為消除應(yīng)力集中，減小切削齒崩裂失效的可能性，采用了預(yù)倒角結(jié)構(gòu)，如圖2所示，錐度為10°，錐面長度為2mm。通過預(yù)倒角結(jié)構(gòu)，提高切削齒抵抗軸向和切向沖擊載荷能力。