頁巖油水平井高效PDC鉆頭設(shè)計及應(yīng)用

武 強，齊昌利 ，郭俊磊，毛 竹 ，王 博

（1.渤海石油裝備中成機械制造公司，天津 300280；2.渤海鉆探第一鉆井工程公司，天津 300280）

0 引言

為進一步了解滄東凹陷孔二段的巖性變化，評價頁巖油開發(fā)潛力，大港油田在官東區(qū)塊部署開發(fā)了國內(nèi)頁巖油首口水平預(yù)探井官東1701H。全井實鉆井深5465 m，孔二段水平段1456 m，最大井斜90.87°，水平位移2046 m。官東1701H，超長水平段，施工難度高，孔二段巖性為砂質(zhì)泥巖，地層硬度高，研磨性強，單只鉆頭進尺少，機械鉆速低，制約了本區(qū)塊的勘探開發(fā)速度。因此，對滄東凹陷孔二段巖性利用專業(yè)地層分析軟件進行可鉆性分析，研發(fā)設(shè)計適合孔二段水平施工的高效一體式定向PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭。

1 地層可鉆性分析

利用《地層可鉆性分析》軟件，對鄰井的錄井?dāng)?shù)據(jù)進行分析，預(yù)測地層的抗壓強度、壓入硬度、可鉆性級值、內(nèi)摩擦角、研磨性指數(shù)等表征地層抗鉆能力的特性參數(shù)，建立地層抗鉆特性剖面，為鉆頭設(shè)計和選型提供依據(jù)[1]。分析鄰井（3000～4200）m錄井?dāng)?shù)據(jù)，得到巖性特性剖面。滄東凹陷孔店組巖石的抗壓強度（31.3～135.9）MPa，平均值為 75 MPa，內(nèi)摩擦角均值 33.9°，屬于中硬地層，可鉆性極值的平均值4.68，研磨性指數(shù)平均值4.4，塑性系數(shù)1.49。

2 高效PDC鉆頭設(shè)計

2.1 頭型設(shè)計

新型高效PDC鉆頭冠部頭型設(shè)計依據(jù)孔二段巖性特點和水平段鉆井特征來進行設(shè)計?？锥紊皫r研磨性高、可鉆性差，水平段鉆進需要提升鉆頭的肩部布齒密度，因此在等磨損設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，采用新型冠部輪廓為淺內(nèi)錐-雙圓弧的特征。

淺內(nèi)錐-雙圓弧冠部頭型不僅提升了鉆頭心部齒的切削效率，而且可降低肩部切削齒的應(yīng)力載荷集中，最大程度實現(xiàn)所有切削齒的均勻切削和磨損的原則，提升鉆頭的攻擊性和使用壽命。鉆頭采用冠部和接頭一體式結(jié)構(gòu)，最大程度上縮小鉆頭整體長度。鉆頭保徑區(qū)域采用增強布齒、強化保徑的措施，從而有效提升鉆頭定向鉆進的保徑效果。

2.2 刀翼設(shè)計

刀翼結(jié)構(gòu)影響鉆頭的力平衡和穩(wěn)定性。官東1701H井存在超千米長水平段，從鉆頭壽命和定向穩(wěn)定性等多方考慮，采用非對稱5刀翼，10°螺旋及短保徑結(jié)構(gòu)，不僅可以有效降低指向井壁的切削力，使鉆頭工作更加穩(wěn)定，而且短保徑低摩阻設(shè)計，降低了鉆頭渦動的概率，使鉆頭的穩(wěn)定性及可控性進一步提升。

2.3 布齒設(shè)計

布齒設(shè)計包括齒形選擇、切削角度設(shè)計、布齒密度設(shè)計及布置類型設(shè)計等。布齒設(shè)計是PDC鉆頭設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響鉆頭各方面的性能。根據(jù)孔二段砂泥巖研磨性高的特點，采用3長2短5刀翼結(jié)構(gòu)，主切削齒為16 mm，前排切削齒為28顆，特別優(yōu)化了切削齒的側(cè)傾角（2～10）°，后傾角（15～25）°，后排切削齒13.44 mm，每刀翼3顆，共計15顆，后排齒與前排齒高度差（1.5～2）mm。切削齒布置類型選用順時針設(shè)計，對比逆時針布置鉆頭的進攻性更強，切削效率更高。高效PDC鉆頭參數(shù)特征見表1。

表1 高效PDC鉆頭主要參數(shù)特征

2.4 力平衡優(yōu)化

目前，PDC鉆頭產(chǎn)品的側(cè)向不平衡力一般控制在鉆壓的10%以內(nèi)。本設(shè)計通過專用的PDC鉆頭切削力學(xué)模擬分析后，調(diào)整切削齒的周相位置和每顆齒的切削角度，每顆齒的切削功率見圖1，不平衡力優(yōu)化結(jié)果見圖2。計算結(jié)果表明，鉆頭切削功率在內(nèi)錐和鼻部過度圓滑，在最后4顆保徑位置（25～28號齒）切削功率為零，不參與切削；切削齒受力情況良好較為均勻，能有效避免因受力不均等造成的崩齒現(xiàn)象。

圖1 不同齒數(shù)PDC鉆頭切削功率

圖2 不平衡力的優(yōu)化控制

2.5 水力設(shè)計

本型號鉆頭應(yīng)用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué)）數(shù)值模擬軟件對靜態(tài)鉆頭的水力冷卻和清洗效果進行分析。井底最小漫流速度,0.25 m/s，最大漫流速度28.6 m/s。刀翼前部流速均為10 m/s以上，冷卻和清洗效果良好；刀翼背部慢流速度最低，由于此處巖屑量較少，對鉆頭整體水力效果影響不大。

3 現(xiàn)場試驗效果

3.1 鉆具組合與鉆井參數(shù)

（2）鉆進參數(shù)。鉆壓（80～120）kN；轉(zhuǎn)速130 r/min；排量（32～33）L/s；泵壓（23～26）MPa，泥漿密度（1.35～1.4）g/cm3，黏度（55～70）Pa·s。

3.2 應(yīng)用效果分析

官東1701H共使用3只新型PDC鉆頭，累計完成進尺2385 m，單只鉆頭最高進尺1177 m，最高機械鉆速達9.9 m/h（表2）。較鄰井同層位對比數(shù)據(jù)，單只鉆頭平均進尺415.78 m，平均機械鉆速4.64 m/h（表3）。單只鉆頭進尺較平均進尺提升了91.2%，平均機械鉆速提升了97.2%，取得了良好效果。官東1701H井三開節(jié)省工期（5～10）d，節(jié)省鉆井費用100萬元人民幣。

表2 高效PDC鉆頭在官東1701H井應(yīng)用統(tǒng)計

表3 高效PDC鉆頭與鄰井鉆頭使用對比

4 結(jié)論與建議

（1）地層可鉆性分析結(jié)果表明，滄東凹陷孔店組巖石抗壓強度大，硬度較高，研磨性強且可選性較差。通過地層可鉆性分析，并結(jié)合鄰井鈍鉆頭磨損特征，為官東1701H井個性化鉆頭的設(shè)計優(yōu)化方案提供了有效的參考依據(jù)。

（2）針對滄東凹陷孔店組巖石力學(xué)特性，從鉆頭頭型、刀翼、布齒、力平衡、水力結(jié)構(gòu)等方面進行了優(yōu)化設(shè)計，研發(fā)了適用于定向水平段鉆進的高效個性化鉆頭英寸SD6554YZ。較鄰井同層位PDC鉆頭使用情況分析，鉆頭機械鉆速和使用壽命均顯著提升。

（3）針對匹配旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆進的PDC鉆頭，采用一體式短保徑定向鉆頭設(shè)計結(jié)構(gòu)，在使用中鉆頭穩(wěn)定，造斜率高，單只鉆頭完成了造斜，穩(wěn)斜，增斜至水平段的施工，值得推廣。