PDC鉆頭在靖中北水平氣井與靖南氣探井中的應(yīng)用與優(yōu)化

孫亞平，宜建國

中國石油川慶鉆探長慶監(jiān)督公司 （陜西 西安710018）

2017年在靖中北與靖南區(qū)塊分別鉆井2口，在已完鉆的4口井中，全程使用PDC鉆頭鉆進(jìn)，水平井全井最高平均機(jī)速14.48 m/h，探井全井最高平均機(jī)速15.0 m/h。PDC鉆頭具有安全可靠、鉆速快等優(yōu)點(diǎn)，使用中取得了良好效果。靖中北區(qū)塊地層相對較軟，對鉆頭的要求不高，起出鉆頭新度相對較好；靖南區(qū)塊地層復(fù)雜，下部地層較硬，鉆頭磨損相對嚴(yán)重。

靖中北地區(qū)表層扭矩不穩(wěn)存在小幅憋跳現(xiàn)象，但由于地層相對較軟，除了在安定與直羅交界面的300～350 m鉆速變慢外，整個(gè)表層平均每個(gè)單根在10 min左右，整個(gè)表層純鉆在15～20 h就可完鉆，起出鉆頭新度較好。

靖南區(qū)域表層相對復(fù)雜，由于存在天然裂縫，在鉆進(jìn)過程中井壁失穩(wěn)崩塌后，大型掉塊以及大型裂縫產(chǎn)生不均勻間隙，在鉆進(jìn)過程中刀翼受到阻卡，造成瞬時(shí)扭矩過大，很容易提早損壞PDC復(fù)合片，靖中北地區(qū)表層鉆頭在完鉆后幾乎無磨損，靖南地區(qū)表層鉆頭起出后磨損相當(dāng)嚴(yán)重。建議鉆頭廠家在PDC布齒時(shí)充分考慮地層因素，針對南部地區(qū)復(fù)雜地層，增加布齒密度，減小復(fù)合片直徑，增加刀翼數(shù)目，盡量使用雙排布齒，增加刀翼的保徑長度，以增加鉆頭穩(wěn)定性。上部地層較松軟，鉆時(shí)相對較快，靖南與靖中北略有差別，對鉆頭要求不高。

靖南區(qū)塊井深過2 000 m以后，鉆速變慢，下部地層中紙坊、劉家溝地層較硬，每根鉆進(jìn)超過90 min，劉家溝地層鉆進(jìn)平均在15～20 m/min，對鉆頭磨損也相當(dāng)大，通過在劉家溝起出鉆頭來看，大多數(shù)鉆頭磨損程度較為嚴(yán)重或鉆頭5個(gè)刀翼的復(fù)合片有明顯斷齒現(xiàn)象。在劉家溝下部地層使用六刀翼或鉆頭復(fù)合片較短的鉆頭、增加復(fù)合片布齒密度、增加刀翼數(shù)量、保徑部分增強(qiáng)抗沖擊、增強(qiáng)鉆頭整體的穩(wěn)定性。

1 鉆頭設(shè)計(jì)優(yōu)化

鉆頭的布齒原則是等體積法，即鉆頭旋轉(zhuǎn)一定的角度，每個(gè)齒掃過相同的體積。在布齒的時(shí)候還要充分考慮地層的可鉆性，在北部相對松軟地層，增加鉆頭的攻擊性，提高機(jī)械鉆速。根據(jù)靖中北水平井的數(shù)據(jù)，單只鉆頭可鉆至二開造斜點(diǎn)，鉆頭磨損一般，磨損度達(dá)到50%～60%，在靖中北水平井鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)起出鉆頭的磨損情況，調(diào)整該區(qū)塊的鉆頭參數(shù)。正常情況下，鉆頭中心齒輕微磨損，頂部切削齒正常磨損，肩外部齒相對磨損嚴(yán)重。鉆頭的內(nèi)部、頂部齒可考慮減小復(fù)合片的傾角，使其吃入地層的深度增加，提高機(jī)械鉆速，肩部齒可考慮增加傾角、增加復(fù)合片密度來減輕磨損程度。

由于鉆井二開一般為螺桿鉆具，鉆頭轉(zhuǎn)速，外部齒線速度較高，在旋轉(zhuǎn)的過程中速度相對較快。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60 r/min，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，228.6 mm鉆頭的肩部齒線速度為[1]:

v=(60+100)×0.228/2=18.24(m/min)=0.30(m/s)

而鉆頭頂部齒（假定在半徑一半處）的線速度只有0.15 m/s，在同樣的時(shí)間內(nèi)，復(fù)合片要掃過相同體積的情況下，肩部齒的密度就要是頂部齒的2倍。肩部齒同時(shí)還要承受鉆具擺大掉塊、裂縫性地層等帶來的沖擊荷載，布齒密度更應(yīng)提高[2-5]。

不同的形狀的鉆頭冠部形狀，也就是鉆頭刀翼形狀，在鉆進(jìn)過程中形成的井底造型有很大區(qū)別。目前靖南區(qū)塊井隊(duì)普遍使用PDC鉆頭，使用的鉆頭采用拋物線形狀，鉆頭選擇不同形狀的刀翼，切削齒相對高差和切削齒軸線與鉆頭軸線間的夾角不同，這會(huì)影響各切削齒接觸底層的切削體積，導(dǎo)致各復(fù)合片在鉆進(jìn)過程中破壞地層巖屑能力的強(qiáng)弱不同；另外，不同鉆頭刀翼形狀使鉆頭復(fù)合片在吃入地層時(shí)受力大小不同。合理的鉆頭刀翼形狀可以增加鉆頭的穩(wěn)定性，利于井底巖屑清洗及降低鉆頭復(fù)合片的磨損。勝輝鉆頭與金銳鉆頭井底造型切削設(shè)計(jì)是保證每個(gè)鉆頭復(fù)合片的破巖體積相同。設(shè)鉆頭半徑為R，切削齒半徑為r，鉆頭平均每轉(zhuǎn)吃入地層深度設(shè)為d，切削齒數(shù)量設(shè)為N，鉆頭每轉(zhuǎn)破巖屑體積為：V=πR2d。

按照鉆頭的等切削原則，各鉆頭復(fù)合片每轉(zhuǎn)破巖屑體積為為：Vl=πR2d/N。

設(shè)第i個(gè)復(fù)合片距離鉆頭中心距離為Xi,切削面積為Si，則有：Vi=2πXiSi，其中Si=R2d/(2NXi)。

鉆頭外徑一定、布齒數(shù)量不變、每轉(zhuǎn)進(jìn)尺不變的情況下，切削面積與齒距離鉆頭中心的距離成反比，即距離鉆頭中心越遠(yuǎn)的復(fù)合片分配的每轉(zhuǎn)的切削面積應(yīng)當(dāng)越小，布齒數(shù)量應(yīng)當(dāng)與鉆頭中心距離成正比。

PDC鉆頭的復(fù)合齒最重要的兩個(gè)結(jié)構(gòu)是齒前角和自轉(zhuǎn)角，與其他切削復(fù)合齒一樣，PDC鉆頭切削復(fù)合片結(jié)構(gòu)角對切削復(fù)合片的切削效率和工作性能有十分重要影響，齒前角決定切削復(fù)合片作用于地層力的方向。合理的齒前角，合理的齒前角能提高切削效率的最大化，能保護(hù)切削復(fù)合片，延長鉆頭使用時(shí)間和壽命，有助于提高鉆進(jìn)速度。

合理的側(cè)轉(zhuǎn)角有利于鉆頭清洗和巖屑的運(yùn)移軌跡，減少鉆頭泥包發(fā)生。PDC鉆對切削結(jié)構(gòu)由諸多個(gè)分布在鉆頭表面不同部位的切削復(fù)合片構(gòu)成，每個(gè)切削復(fù)合片的空間方位與工作部位都不相同，所以各切削復(fù)合片的齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角也不同。由于要保持切削復(fù)合片的良好工作性能，須控制切削復(fù)合片磨損最小對切削復(fù)合片齒前角和側(cè)轉(zhuǎn)角的優(yōu)化，確定各齒結(jié)構(gòu)角大小。如圖1、圖2所示。

圖1 切削齒的周向布置與旋轉(zhuǎn)螺線

圖2 鉆頭切削齒的徑向布置

切削復(fù)合片的徑向布置是在鉆頭半徑內(nèi)平面沿冠部外輪廓，也就是鉆頭刀冀頂端布置切削齒，確定中心復(fù)合齒，保徑齒和其他各齒的位置，切削齒在一個(gè)周向內(nèi)能完全覆蓋井底。在設(shè)計(jì)改進(jìn)中應(yīng)重點(diǎn)改進(jìn)強(qiáng)化嚴(yán)重磨損處的設(shè)計(jì)。

2 結(jié)論與建議

PDC鉆頭近些年來在氣井中取得了良好的應(yīng)用效果，鉆頭布齒方案不斷優(yōu)化，通過對比與討論P(yáng)DC鉆頭在靖邊氣田中的應(yīng)用，提出布齒方案的優(yōu)化方向，在鉆頭布齒的周向布置與徑向布置等方面提出優(yōu)化思路，希望對鉆頭設(shè)計(jì)提供參考。