大情字井地區(qū)中深井PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計

張 玲，王志強，張 楊，于 洋

（1.東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶163318；2.遼河油田 曙光工程技術(shù)處，遼寧 盤錦124010；3.塔里木油田 油氣工程研究院，新疆 庫爾勒841000；4.吉林油田 鉆井工藝研究院，吉林 松原138000）＊

與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭在鉆進軟到中硬的 均質(zhì)巖層具有較好的技術(shù)經(jīng)濟效益，但鉆井實踐表明：大情字井地區(qū)2 000m以上深度處的巖石硬度大多數(shù)在1 000MPa以上，屬于中硬地層，主要是由紫色泥巖和黑灰色泥砂巖組成；巖石研磨性強，可鉆性級值在5級以上，存在PDC鉆頭泥包、易打滑和鉆頭保徑磨損嚴重等問題［1］，PDC鉆頭在該地區(qū)鉆井效率偏低。所鉆地層的巖石力學參數(shù)是PDC鉆頭個性化設(shè)計的基礎(chǔ)和主要依據(jù)，但單一的力學參數(shù)并不能全面地反映巖石的抗鉆特性，而巖石可鉆性是巖石在鉆進過程中顯示出來的綜合性指標［2］。由試驗結(jié)果和相關(guān)理論建立PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)參數(shù)與可鉆性級值間的定量關(guān)系，并結(jié)合國內(nèi)外學者的經(jīng)驗來解決該地層PDC鉆頭的常見問題。

1 巖石可鉆性級值與抗壓強度的相關(guān)性

利用全自動巖石可鉆性測試儀，在室內(nèi)對大情字井地區(qū)9個層位32塊巖樣分別測試了微型牙輪鉆頭和微型PDC鉆頭鉆進下的可鉆性級值Kd和KPDC，并利用多功能巖石力學參數(shù)測試儀進行了力學參數(shù)試驗，部分試驗結(jié)果如表1所示。

表1 大情字井地區(qū)中深部地層巖樣室內(nèi)試驗結(jié)果

由試驗數(shù)據(jù)可以回歸出巖石抗壓強度與巖石可鉆性級值的關(guān)系式為

式中：Kd為微型牙輪鉆頭測得的巖石可鉆性級值；σc為巖石的抗壓強度，MPa。

該關(guān)系式的相關(guān)性指數(shù)為0.87，說明該關(guān)系式比較符合兩者的關(guān)系。

2 PDC鉆頭主要切削結(jié)構(gòu)參數(shù)與可鉆性級值間的定量關(guān)系

2.1 切削齒數(shù)目

通常，在可鉆性級值較大的地層中，增加切削齒數(shù)能提高鉆頭的使用壽命，但較多的切削齒會降低其鉆進速度。如果能建立切削齒數(shù)與地層可鉆性級值間的關(guān)系式，將能定量確定適合于該地區(qū)的切削齒數(shù)。切削齒數(shù)與巖石抗壓強度的關(guān)系［3－4］為

式中：Cn為切削齒數(shù)。

將式（1）代入式（2），建立了研究區(qū)切削齒數(shù)與巖石可鉆性級值間的關(guān)系式，即

2.2 刀翼數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗，地層可鉆性級值越大，刀翼數(shù)也就越多，基于鉆頭直徑和流道分布的考慮，刀翼數(shù)一般取3～10，如果能建立刀翼數(shù)與地層可鉆性級值間的關(guān)系式，將能定量確定適合于該地區(qū)的刀翼數(shù)。刀翼數(shù)與切削齒數(shù)的關(guān)系［3－4］為

式中：Bn為刀翼數(shù)。

將式（3）代入式（4），建立了研究區(qū)刀翼數(shù)與巖石可鉆性級值間的計算模型，即

3 中深部地層PDC鉆頭個性化設(shè)計

由表1還可以觀察到：當PDC鉆頭鉆進取自青2＋3段及其以下地層的可鉆性級值較大的地層時，打滑現(xiàn)象比較明顯；同時青2＋3段巖性是紫紅泥巖、青1段和泉頭組巖性是黑灰泥砂，鉆進泥巖段容易發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象，并且在泥砂巖地層鉆頭磨損嚴重。為了保證所設(shè)計鉆頭的完整性和適應性，下面主要從冠部形狀、切削齒、刀翼、保徑和水力結(jié)構(gòu)5個方面進行個性化設(shè)計，切削齒數(shù)目和刀翼數(shù)可以由第2部分建立的計算模型確定，而冠部形狀、保徑與水力結(jié)構(gòu)設(shè)計需要根據(jù)國內(nèi)外學者PDC鉆頭設(shè)計的經(jīng)驗來確定。

而對于一般性的區(qū)域型主流媒體來說，中央廚房理念的確認不是單純模仿央企做法，而取決于如何攻克地方上“條塊分割”的行政化體制機制上，突破區(qū)域間多邊利益固化的藩籬。因此在目前階段推進融合媒體平臺化建設(shè)的過程中，首先要解決的是本區(qū)域以誰為主的問題。眾所周知的是傳統(tǒng)媒體的組織形態(tài)依然保留了工業(yè)時代的若干特征，比如規(guī)?；藴驶土鞒袒?，這與以扁平化、服務(wù)化等為特征的互聯(lián)網(wǎng)組織形態(tài)差異巨大。對于傳統(tǒng)媒體來說無異于一場組織革命。盡快打破媒介或者部門的區(qū)隔，這樣有利于利用相關(guān)配套政策和市場發(fā)展空間在區(qū)域資源整合下進行高效的產(chǎn)業(yè)制度安排。

3.1 冠部形狀

針對研究區(qū)多為中硬地層，結(jié)合三大布齒原則（等切削原則、等功率原則和等磨損原則）的特點，并綜合考慮切削齒的清洗、鉆頭抗磨損和抗沖擊的需要，采用較平緩的冠部剖面，這樣受力均勻、磨損均勻，同時適當延長外錐長度，增大布齒面積，提高鉆頭的排屑效果；另外，為提高鉆頭穩(wěn)定性，刀翼設(shè)計一定的內(nèi)錐角（150°），則鉆頭冠部剖面形狀曲線為直線－圓?。瓛佄锞€中錐型［5－7］，冠部形狀如圖1。

圖1 PDC鉆頭冠部剖面形狀

3.2 刀翼

大情字井地區(qū)中深部地層可鉆性級值介于5.95～8.60，平均可鉆性級值為6.52，由式（5）求出適合于研究區(qū)的刀翼數(shù)目為6個，設(shè)計為3個主刀翼和3個次刀翼，如圖2。另外，刀翼前后面設(shè)計一定的錐角，使刀翼尖端變窄，減小刀翼與井底的接觸面積，既可以使鉆頭快速鉆進又可以增大鉆頭的排屑空間，有利于巖屑的運移和上返［8］。

圖2 PDC鉆頭端面示意

3.3 切削齒

由公式（3）求出適合于研究區(qū)的切削齒數(shù)目為55枚，在1～6號刀翼上依次布置8、5、7、5、7、5枚切削法。研究區(qū)為中硬地層，切削齒直徑選16 mm。為了提高鉆頭的抗沖擊、抗研磨能力，在易發(fā)生沖擊損害的鉆頭冠頂部位進行雙排布齒，在每個刀翼上布置3枚直徑為13mm的后排齒，共18枚。為提高鉆頭吃入地層的能力，兼顧齒壽命，負前角取為15°，合適的側(cè)轉(zhuǎn)角有利于巖屑向外緣移動，排屑效果好，研究區(qū)的側(cè)轉(zhuǎn)角取為15°［9］，切削齒布置如圖3所示。

圖3 切削齒在刀翼上的分布

3.4 保徑設(shè)計

由于青2＋3段巖性是紫紅泥巖、青1段和泉頭組巖性是黑灰泥砂，鉆進泥巖段容易發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象。針對這一問題，采用短螺旋保徑（55mm）技術(shù)，縮短了巖屑在鉆頭排屑槽內(nèi)的運行時間，有效地預防了快速鉆進時由于巖屑排出不及時導致的鉆頭泥包。其次，在縮短保徑長度的情況下螺旋結(jié)構(gòu)加大了鉆頭規(guī)徑面與井壁的瞬時接觸面積，使鉆頭在有限的保徑長度下達到更優(yōu)的力平衡效果，減弱了鉆頭在井底的渦動現(xiàn)象［10］；同時在易磨損的鉆頭外錐部分采用雙排齒保徑，提高保徑效果。

3.5 水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化

研究區(qū)為中硬地層，巖石可鉆性較差，PDC鉆頭磨損嚴重，并且泥巖含量高，鉆進過程中易發(fā)生泥包，需要較好的水力結(jié)構(gòu)進行有效的冷卻和清洗。深排屑槽可使鉆頭在鉆井中巖屑的容納空間增加，可更加有效地運移，防止泥包，將排屑槽深度設(shè)計為25mm，比R235D型和B425型鉆頭高出6mm；同時為提高鉆頭中心部位的巖屑運移效率和保障巖屑運移通暢［11］，增設(shè)中心水眼，流道與水眼分布如圖2所示。

4 現(xiàn)場應用

根據(jù)以上的研究，設(shè)計出適用于研究區(qū)的個性化鉆頭，該鉆頭直徑為215.9mm、六刀翼、雙排齒、直線－圓?。瓛佄锞€中錐型冠部形狀、短螺旋保徑、6個水眼＋中心水眼和大排屑流道，命名為M1666SS型PDC鉆頭。

將該M1666SS型PDC鉆頭應用于大情字井地區(qū)，鉆進地層為青2＋3段、青1段和泉頭組（2 205～2 559m 井 段 ），鉆 具 組 合 為：215.9 mmM1666SS鉆頭＋172mm螺桿＋431／4A10接頭＋159mm短鉆鋌＋214mm螺扶＋159mm鉆鋌＋127mm加重鉆桿＋127mm鉆桿。下鉆前開泵試驗螺桿，螺桿壓降7MPa，下鉆順利，開泵循環(huán)，上下活動鉆具，開轉(zhuǎn)盤60r／min，下放鉆具至井底，加鉆壓5kN，井底造型，并將鉆壓調(diào)整到30～50kN，轉(zhuǎn)速60r／min帶螺桿，排量60L／s，泵壓11～18MPa正常鉆進，單只鉆頭平均進尺354m，平均純鉆時間50.3h，平均機械鉆速7.04m／h。在施工過程中，全井沒有發(fā)生塌、漏、卡事故，使鉆井周期大幅度降低，降低了鉆井成本。

表2 大情字地區(qū)常用鉆頭的應用情況

由表2可知：該地區(qū)的平均機械鉆速為2.6～5.2m／h，單只鉆頭進尺為186～246m，M1666SS型PDC鉆頭平均機械鉆速7.04m／h，單只鉆頭進尺為354m，比該地區(qū)常用鉆頭的鉆速和單只鉆頭進尺最高紀錄分別提高了35.4%、44%，體現(xiàn)出機械鉆速高、單只鉆頭進尺大的特點，說明該鉆頭適應該地區(qū)＞2 000m的地層，可以推廣應用。

5 結(jié)論

1） 由室內(nèi)微鉆頭試驗結(jié)果可知：大情字井地區(qū)2 000m以上深度處的巖石硬度＞1 000MPa，屬于中硬地層，巖性主要是由紫色泥巖和黑灰色泥砂巖組成，研磨性強，可鉆性級值＞5級，存在PDC鉆頭泥包、易打滑和鉆頭保徑磨損嚴重問題。

2） 根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)回歸出大情字井地區(qū)2 000m以上地層抗壓強度與可鉆性級值間的定量關(guān)系，根據(jù)抗壓強度與可鉆性級值間的定量關(guān)系及切削齒數(shù)與抗壓強度間的經(jīng)驗公式，分別建立了切削齒數(shù)、刀翼數(shù)與可鉆性級值間的計算模型。

3） 針對該地層巖性情況，從冠部形狀、切削齒、刀翼、保徑和水力結(jié)構(gòu)5個方面進行設(shè)計，設(shè)計出六刀翼、雙排齒、直線－圓弧－拋物線中錐型冠部形狀、短螺旋保徑、6個水眼＋中心水眼和大排屑流道的M1666SS型PDC鉆頭。

4） M1666SS型PDC鉆頭與同區(qū)塊同深度處常用鉆頭相比，鉆速和單只鉆頭進尺都有大幅度提高，為大情字井地區(qū)中深部地層縮短鉆井周期、加快鉆井速度奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］張 玉，王雅春，張 輝，等.松遼盆地大情字井地區(qū)青二段沉積微相與砂體特征［J］.特種油氣藏，2010，17（1）：54－56.

［2］閻 鐵，李士斌.深部井眼巖石力學理論與實踐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002：38－60.

［3］張召平，蘇新亮，葛洪魁.利用巖石三軸抗壓強度優(yōu)選PDC鉆頭［J］.石油大學學報：自然科學版，2005，29（6）：38－40.

［4］JIM O Hare，OSARUMWENSE O A Aigbekaen.Design index：a systematic method of PDC drill－bit selection［C］.SPE59112，2000，2－15.

［5］Taylor M R，Murdock A D，Evans S M.High Penetration Rates and Extended Bit Life Through Revolutionary Hydraulic and Mechanical Design in PDC Drill Bit Development［C］.SPE36435，1996（Oct）：2－3.

［6］艾 池.聚晶金剛石復合片鉆頭理論與實踐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：166－168.

［7］彭 燁，王福修.鉆頭冠部剖面形狀設(shè)計模式［J］.石油鉆探技術(shù)，1996，24（4）：38－39.

［8］朱寬亮，李 楠，李 睿，等.南堡油田玄武巖個性化高效鉆頭的設(shè)計與應用［J］.石油學報，2009，30（5）：760－763.

［9］Sahabudin Salleh，Darren Eckstrom.Reducing Well Costs by Optimizing Drilling Including Hard／Abrasive Igneous Rock Section Offshore Vietnam［C］.SPE062777，2000（Spt）：1－4.

［10］李貴賓，馬金山，賈平軍，等.大港油區(qū)PDC鉆頭個性化優(yōu) 選 提 速 實 踐 ［J］.鉆 采 工 藝，2010，33（4）：115－117.

［11］周漢聲.PDC鉆頭的改進措施［J］.石油礦場機械，1988，17（6）：57－58.