非均質(zhì)地層錐形輔助切削齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

汪為濤

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

PDC鉆頭在均質(zhì)地層中破巖效率高、使用壽命長，在石油鉆井中得到了廣泛應(yīng)用。然而，PDC鉆頭在非均質(zhì)地層中使用效果比較差，主要原因是PDC切削齒抗沖擊性和攻擊性較差，沖擊損壞和破巖效率低容易導(dǎo)致PDC鉆頭的使用壽命短，鉆速慢。為了提高PDC鉆頭在非均質(zhì)地層的破巖效率、延長使用壽命，技術(shù)人員針對非均質(zhì)地層特點(diǎn)，在新型PDC齒、刀翼設(shè)計(jì)、布齒和水力參數(shù)等方面進(jìn)行了諸多優(yōu)化[1-5]。國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械振動是導(dǎo)致鉆頭失效和進(jìn)尺少的主要原因，斯倫貝謝公司為了解決常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)因振動而影響鉆進(jìn)效率的問題，研制了錐形聚晶金剛石復(fù)合片(CDE)；Novatek International公司的D.R.Hall等人試制出以錐形齒為主要切削元件的鉆頭[2]，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)鉆進(jìn)Sierro花崗巖等巖石，鉆進(jìn)速度高達(dá)21.33 m/h，表明新型錐形齒鉆頭具有極高的破巖效率。錐形齒作為主切削元件的鉆頭在鉆進(jìn)初期破巖效率高，但是在長時(shí)間鉆進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)，隨著錐形齒的損傷，鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖脊不能被有效的破碎，導(dǎo)致破巖效率相對較低[6-7]。筆者結(jié)合錐形齒的犁削破巖機(jī)制和常規(guī)PDC鉆頭井底覆蓋全面的優(yōu)勢，將PDC鉆頭和錐形齒鉆頭結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種相鄰2個(gè)刀翼的后排齒分別布置錐形齒與PDC齒的PDC鉆頭，并分別在黔北丁頁5井和渝西足202-H1井的非均質(zhì)地層進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，表現(xiàn)出較高的破巖效率。

1 錐形齒破巖機(jī)理及特點(diǎn)

錐形齒的破巖方式與常規(guī)PDC齒的剪切式破巖相比既有相似之處，又有很大的不同。相似之處在于二者都是在軸向力和扭矩作用下連續(xù)旋轉(zhuǎn)破巖，不同之處在于錐形齒是以前傾角的角度將巖石犁出溝槽，再從切向上將巖石剝離母體，同時(shí)在側(cè)向上對巖石產(chǎn)生擠壓破壞作用[8-9]，如圖1所示。

圖1 錐形齒破巖示意Fig.1 Schematic of rock breaking with conical cutter

錐形齒具有切向受力小的特點(diǎn)，在吃入深度相同的條件下，錐形齒受到的切向力約為復(fù)合片的一半。齒的切向力小，鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩和扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的沖擊載荷就小，因此用錐形齒代替常規(guī)PDC齒，可以提高PDC鉆頭的抗沖擊性能。

2 設(shè)計(jì)原理

PDC鉆頭的破巖方式屬于剪切破巖，而錐形齒鉆頭的破巖方式屬于犁削破巖，因此，結(jié)合二者的特點(diǎn)和優(yōu)勢，設(shè)計(jì)適用于非均質(zhì)地層的錐形輔助切削齒PDC鉆頭。

錐形輔助切削齒PDC鉆頭采用了PDC齒和錐形齒主輔切削元件混合的切削結(jié)構(gòu)，且相鄰的2個(gè)刀翼后排齒分別布置錐形齒與PDC齒。鉆頭后排齒均布置在PDC主齒之后(約15.0～30.0 mm)，錐形齒出露高度比PDC主齒低2.0 mm，PDC后排齒出露高度比PDC主齒低3.0 mm，鉆進(jìn)初期只有PDC主齒參與切削，當(dāng)鉆遇非均質(zhì)地層時(shí)，由于前排主齒磨損或者受力載荷增大，錐形齒開始接觸地層破巖，一方面降低了PDC齒上的鉆壓及扭轉(zhuǎn)力，減小熱磨損和沖擊作用對PDC齒的破壞；另一方面錐形齒刻劃犁削地層形成裂紋，PDC齒隨后切削已卸載內(nèi)聚力的巖石，這時(shí)PDC齒所需的切削力遠(yuǎn)低于常規(guī)PDC齒切削地層時(shí)的力，因此可以以較低的扭矩切削巖石；錐形齒在鉆進(jìn)非均質(zhì)地層后期，錐頂磨損后破巖效率降低。此時(shí)，相鄰刀翼的PDC后排齒接觸地層，一方面新復(fù)合片的切削刃非常鋒利，有利于提高鉆頭鉆進(jìn)后期鉆速，另一方面能夠延長鉆頭的使用壽命。切削齒離鉆頭軸線越遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)線速度越大，承受的動載荷越大、熱磨損速度越快，因而越容易損壞。因此，錐形輔助切削齒PDC鉆頭在鉆頭鼻部外側(cè)主切削齒后面布置錐形齒和普通PDC圓齒，不僅能提高破巖效率，還能起到保護(hù)PDC主切削齒的作用，延長PDC鉆頭使用壽命。

3 鉆頭設(shè)計(jì)

錐形輔助切削齒PDC鉆頭在鉆進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)，鉆頭的切削結(jié)構(gòu)方式、穩(wěn)定性和地層適應(yīng)性具有十分密切的聯(lián)系[10]，因此針對非均質(zhì)地層巖性特點(diǎn)，采用等磨損和等切削原則，在擬合3種基本輪廓理論曲線方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了適用于非均質(zhì)地層的PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)[11-12]。

3.1 冠部剖面形狀設(shè)計(jì)

冠部剖面設(shè)計(jì)為中等深度內(nèi)錐結(jié)構(gòu)(內(nèi)錐角為165°)，雙圓弧冠部輪廓和較大的冠頂半徑(冠頂半徑為75.0 mm)。中等深度的內(nèi)錐結(jié)構(gòu)一方面能抵抗一部分鉆頭所受的橫向力，保持鉆頭的穩(wěn)定性；另一方面能確保定向鉆進(jìn)時(shí)鉆頭具有較強(qiáng)的側(cè)向切削能力。雙圓弧冠部輪廓剖面一是使鉆頭表面盡可能有效地布置切削齒；二是使鉆頭從鼻部切削齒到保徑切削齒能夠圓滑地過渡。較大的冠頂半徑可以確保鉆頭在鉆進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)切削齒受力較均勻，避免單齒受力過大而先期損壞。

3.2 布齒設(shè)計(jì)

鉆頭前排齒的部分PDC切削齒(心部切削齒除外)設(shè)計(jì)分布在鉆頭冠部端面上不同的同心圓環(huán)上。這一徑向布齒方式使鉆頭在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生不平滑的井底，PDC切削齒在鉆進(jìn)中會撞擊相鄰的巖石凸起環(huán)帶，產(chǎn)生一個(gè)與偏移方向相反的穩(wěn)定力，從而提高鉆頭整體的穩(wěn)定性。

鉆頭后排齒與前排主齒出露度關(guān)系為前排主齒>錐形齒>后排常規(guī)齒。該P(yáng)DC鉆頭后排齒的布齒方式如圖2所示。

3.3 刀翼結(jié)構(gòu)、切削齒參數(shù)及噴嘴設(shè)計(jì)

針對非均質(zhì)地層特點(diǎn)，鉆頭的刀翼設(shè)計(jì)為穩(wěn)定性較強(qiáng)的六刀翼結(jié)構(gòu)(3個(gè)長刀翼、3個(gè)短刀翼)，長刀翼與短刀翼相鄰排列，不僅能提高鉆頭的穩(wěn)定性，還能優(yōu)化切削齒的分布。采用螺旋刀翼和螺旋保徑設(shè)計(jì)，螺旋刀翼能降低鉆頭的回旋作用，提高鉆頭鉆進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)的穩(wěn)定性；螺旋保徑能增加保徑長度和面積，增大鉆頭與井壁接觸面，提高鉆頭工作時(shí)的穩(wěn)定性[13-15]。

圖2 錐形輔助切削齒PDC鉆頭三維模型Fig.2 Top view of the 3D model of the new type PDC bit

PDC鉆頭應(yīng)用結(jié)果表明，φ16.0 mm復(fù)合片在非均質(zhì)地層使用效果較好，所以錐形輔助切削齒鉆頭主切削齒選用φ16.0 mm復(fù)合片。3個(gè)短刀翼后排齒采用設(shè)計(jì)的錐形齒，3個(gè)長刀翼后排齒采用常規(guī)的φ13.0 mm PDC復(fù)合片。主切削齒從鉆頭中心向外方向依次采用10°～20°后傾角設(shè)計(jì)，以降低對鉆頭的沖擊力。

錐形輔助切削齒PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)由8個(gè)φ12.0 mm常規(guī)噴嘴組成，并利用模擬軟件對鉆進(jìn)過程中巖屑翻移、運(yùn)移、舉升能力及鉆頭冷卻與清洗情況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)井底流場全覆蓋。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

2017年3月，在黔北丁頁5井韓家店組和石牛欄組非均質(zhì)地層中進(jìn)行了φ311.1 mm錐形輔助切削齒PDC鉆頭(PK6255SJZ型鉆頭)現(xiàn)場試驗(yàn)；9月，在渝西足202-H1井飛仙關(guān)組至茅口組非均質(zhì)地層再次進(jìn)行了錐形輔助切削齒PDC鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn)。

4.1 丁頁5井

丁頁5井是部署在川東南丁山構(gòu)造的一口頁巖氣預(yù)探井，頁巖氣埋藏較深，地質(zhì)條件復(fù)雜，地層壓力系數(shù)變化大。該井的韓家店組、石牛欄組地層巖性以灰?guī)r和泥巖為主，地層軟硬交錯(cuò)頻繁，屬極不均質(zhì)地層。采用常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)該段地層時(shí)鉆頭使用壽命短，鉆進(jìn)效率低，出井鉆頭磨損嚴(yán)重，切削齒的主要失效形式為沖擊損壞。

丁頁5井φ311.1 mm定向段首先應(yīng)用進(jìn)口鉆頭鉆進(jìn),鉆進(jìn)井段為3 331.00～3 452.00 m(韓家店組)，進(jìn)尺121.00 m，機(jī)械鉆速1.76 m/h，起出鉆頭新度60%；隨后下入新研制的PK6255SJZ型鉆頭，鉆進(jìn)井段為3 452.00～3 699.00 m，后因鉆具原因起鉆，鉆頭出井新度90%以上，進(jìn)尺247.00 m，平均機(jī)械鉆速3.23 m/h。該P(yáng)DC鉆頭進(jìn)尺與同井同層位進(jìn)口鉆頭相比提高104.1%，機(jī)械鉆速提高83.5%，較鄰井丁頁4井機(jī)械鉆速提高86.7%(見表1，表中HCM505ZX型鉆頭為進(jìn)口鉆頭)。

出井后的鉆頭檢測結(jié)果表明，鉆頭內(nèi)錐有一顆齒發(fā)生齒崩，說明該地層對鉆頭的沖擊性強(qiáng)；多顆錐形齒頂部磨損了1.5 mm，而前排齒完好。分析認(rèn)為，鉆進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)錐形齒起到了輔助破巖的作用，但其應(yīng)力點(diǎn)集中，錐頂位置金剛石含量低，很容易受到磨損；相鄰刀翼的常規(guī)PDC后排齒完好，既保證了鉆進(jìn)后期鉆頭的高效鉆進(jìn)，也進(jìn)一步保護(hù)了鉆頭。

表1 丁頁5井與鄰井破巖效果對比Table 1 Comparison of the rock breaking effects in Well Dingye 5 and that from adjacent wells

4.2 足202-H1井

PK6255SJZ型錐形輔助切削齒PDC鉆頭在渝西大足地區(qū)足202-H1井飛仙關(guān)組、龍?zhí)督M和茅口組的砂泥巖及灰?guī)r互層的非均質(zhì)地層直井段進(jìn)行了試驗(yàn)，鉆頭鉆進(jìn)井段為2 708.00～3 043.00 m，進(jìn)尺335.00 m，機(jī)械鉆速1.92 m/h，起出鉆頭新度90%。該只鉆頭進(jìn)尺較鄰井同層位進(jìn)口鉆頭提高44.4%，機(jī)械鉆速提高47.7%，創(chuàng)造該區(qū)塊同層位單只鉆頭最高進(jìn)尺及最高機(jī)械鉆速2項(xiàng)紀(jì)錄(見表2，表中MM55DH型和MDS1716LUBPX型鉆頭為進(jìn)口鉆頭)。

表2 足202-H1井與鄰井破巖效果對比Table 2 Comparison of rock breaking effects in Well Zu202-H1 and that from adjacent wells

5 結(jié)論與建議

1) 錐形輔助切削齒PDC鉆頭既有PDC鉆頭破巖效率平穩(wěn)的特點(diǎn)，又有錐形齒鉆頭破巖效率高、抗沖擊性能強(qiáng)的特點(diǎn)，鉆進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)既能延長鉆頭使用壽命，又能提高破巖效率。

2) 現(xiàn)場試驗(yàn)情況表明，錐形輔助切削齒PDC鉆頭能適應(yīng)非均質(zhì)地層破巖的要求，機(jī)械鉆速與常規(guī)PDC鉆頭相比大幅提高。

3) 建議根據(jù)實(shí)際地層情況、井型以及鉆井參數(shù)等，對錐形輔助切削齒鉆頭的布齒密度和前排齒、錐形齒與后排齒等三者的高度差等進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

參 考 文 獻(xiàn)

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