微心PDC鉆頭設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

田京燕，徐玉超

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257000）

PDC鉆頭在鉆進(jìn)中主要依靠切削齒的剪切和刮削來(lái)破碎地層巖石，但在鉆進(jìn)硬地層時(shí)，由于巖石抗壓強(qiáng)度較高，PDC切削齒不能有效切入地層，只能依靠刮削緩慢破碎巖石，機(jī)械鉆速較低，巖屑非常細(xì)碎（巖屑顆粒直徑通常小于0.5mm，遠(yuǎn)小于牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖屑［1］），給巖屑錄井帶來(lái)了一定困難。而且，這種問(wèn)題在巖性相近的地層中表現(xiàn)得尤為突出。因此，為了獲得較大的巖屑，從而準(zhǔn)確判斷層位和巖性［1］，在探井中往往使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。但是，使用牙輪鉆頭也有其不足：相對(duì)于PDC鉆頭，牙輪鉆頭進(jìn)尺少、機(jī)械鉆速低，會(huì)延長(zhǎng)鉆井周期，增加鉆井成本；而且，使用牙輪鉆頭存在掉牙輪的風(fēng)險(xiǎn)，不利于井下安全。針對(duì)上述情況，筆者提出了結(jié)合PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)新型鉆頭的思路，即改進(jìn)PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)，使其在保留機(jī)械鉆速快、使用壽命長(zhǎng)和鉆進(jìn)安全等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠在鉆進(jìn)中獲得較大的巖屑，滿(mǎn)足巖屑錄井的需要?；诖?，設(shè)計(jì)了微心PDC鉆頭，并對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了預(yù)期效果。

1 微心PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1 整體結(jié)構(gòu)

在保持普通PDC鉆頭冠部輪廓的基礎(chǔ)上，對(duì)切削齒結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)——在鉆頭中心部位不布置切削齒。這樣，鉆進(jìn)地層時(shí)，在鉆頭的中心部位會(huì)形成一個(gè)圓柱狀的小巖心，稱(chēng)之為微心［2］。

在鉆頭中心靠近鉆頭基體部位與鉆頭軸心成一傾斜角處設(shè)計(jì)斜面。當(dāng)鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，巖心不斷增長(zhǎng)，其頂端就會(huì)接觸到鉆頭中心部位的斜面。在鉆壓作用下，該斜面會(huì)對(duì)巖心產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力。當(dāng)該側(cè)向力達(dá)到一定程度后，巖心就會(huì)斷裂。該結(jié)構(gòu)的鉆頭，稱(chēng)之為微心PDC鉆頭，如圖1所示。

圖1 微心PDC鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Micro-coring PDC bit structure

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

巖心在折斷過(guò)程中要受到來(lái)自鉆頭的扭斷力和擠壓力。因此，巖心內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的剪應(yīng)力和擠壓應(yīng)力。折斷的巖心如圖2所示（圖2中：d為巖心直徑，mm；h為巖心高度，mm；φ為巖心橫斷面與鉆頭中心斜面的夾角，稱(chēng)之為斷心角，（°））。下面針對(duì)圖2進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析與討論。

圖2 折斷的巖心結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of the broken core structure

線(xiàn)彈性范圍內(nèi)，介質(zhì)某處的剪應(yīng)力與其相應(yīng)的剪應(yīng)變成正比［3］，即：

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；G為比例系數(shù)；ρ為某處到轉(zhuǎn)軸的距離，cm。

若在巖心橫截面上距圓心ρ處取微面積dA，其上的剪應(yīng)力為τdA，則橫截面上的扭矩為：

式中：M為截面扭矩，N·m。

式中：τmax為巖心邊緣點(diǎn)的最大剪應(yīng)力，MPa；p為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa。

巖心的擠壓強(qiáng)度和斷心角應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系：

式中：σ為巖心的擠壓強(qiáng)度，MPa；Fp為作用在巖心上的鉆壓，N。

由于種種原因，鉆井中產(chǎn)生的巖心尺寸往往小于理論計(jì)算的巖心尺寸，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)需要考慮這一點(diǎn)。如果斷心角過(guò)大，復(fù)合片與巖心接觸點(diǎn)的半徑就會(huì)過(guò)大，甚至有可能接觸不到巖心；或者即使接觸到巖心，在巖心沒(méi)有斷裂之前，由于磨損的作用，會(huì)把巖心進(jìn)一步磨小，使斷心結(jié)構(gòu)失去作用。同時(shí)，巖心的直徑和高度要根據(jù)地層巖性特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)所鉆地層比較松軟時(shí)，巖心比較容易折斷，這時(shí)應(yīng)選擇相對(duì)較小的斷心角，防止斷心結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生作用；當(dāng)所鉆地層較硬時(shí)，使用較大的斷心角可以產(chǎn)生更大的橫向力，使巖心更容易折斷。綜合考慮上述各種影響因素，將φ設(shè)置為60°～70°。

若取Fp＝999.54N，p＝60.00MPa，φ＝70°，由式（4）和式（5）可知巖心的直徑和高度應(yīng)滿(mǎn)足：d≥9.2mm；h≥15.7mm。若取Fp＝999.54N，p＝30.00MPa，φ＝60°，可得巖心的直徑和高度應(yīng)滿(mǎn)足：d≥13.0mm；h≥28.8mm。

在此基礎(chǔ)上，為檢驗(yàn)研究結(jié)果的可靠性并選出合適的斷心角，分別針對(duì)軟硬2種巖性、2種斷心角、2種巖心直徑和2種巖心高度進(jìn)行了模擬分析。分析結(jié)果顯示，在硬地層中，d＝10.0mm、h＝15.0mm比較適合；在軟地層中，d＝15.0mm、h＝20.0mm較為適合。

2 微心PDC鉆頭性能室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 取心試驗(yàn)

根據(jù)前述研究結(jié)果，設(shè)計(jì)制造了小尺寸微心PDC鉆頭，并進(jìn)行了室內(nèi)性能試驗(yàn)。所設(shè)計(jì)鉆頭為4刀翼，鉆頭直徑為80.0mm，切削齒直徑為13.4mm，如圖3所示。

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)用微心PDC鉆頭Fig.3 The micro-coring PDC bit in laboratory experiments

該鉆頭在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)，鉆壓為5kN，轉(zhuǎn)速為100r／min；試驗(yàn)巖石采用可鉆性級(jí)值為7的黃色中砂巖。鉆進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)特殊振動(dòng)現(xiàn)象。試驗(yàn)獲取的微巖心為直徑10.0mm、高度10.0mm的圓柱體，斷裂面呈45°角，如圖4所示。

圖4 室內(nèi)試驗(yàn)獲得的微巖心Fig.4 Micro cores obtained in laboratory experiments

試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的微心PDC鉆頭結(jié)構(gòu)合理，能夠在試驗(yàn)室條件下取得符合要求的巖心，具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基本條件。

2.2 提速試驗(yàn)

PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速越高，其切削齒的線(xiàn)速度越高，鉆頭破碎巖石的動(dòng)能就越高，機(jī)械鉆速就越高［4］。就同一PDC鉆頭而言，不同部位切削齒的情況不同：靠近鉆頭外側(cè)切削齒的線(xiàn)速度高，破巖效率也高；靠近中心部位切削齒的線(xiàn)速度低，尤其是中心切削齒，線(xiàn)速度非常低。而PDC鉆頭中心切削齒破巖效率過(guò)低，會(huì)影響該鉆頭的整體破巖效率［5］。為了分析微心PDC鉆頭的提速效果，在室內(nèi)進(jìn)行了與相同尺寸常規(guī)結(jié)構(gòu)PDC鉆頭的鉆速對(duì)比試驗(yàn)（試驗(yàn)中，2種鉆頭采用了相同的轉(zhuǎn)速、鉆壓和相同巖性的巖心），試驗(yàn)結(jié)果為：微心PDC鉆頭的機(jī)械鉆速為39.96m／h，常規(guī)PDC鉆頭的機(jī)械鉆速為29.70m／h。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在同等條件下，微心PDC鉆頭比常規(guī)PDC鉆頭的機(jī)械鉆速提高16.2%，表明該鉆頭設(shè)計(jì)合理，提速效果明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證微心PDC鉆頭在鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的可行性，在臨盤(pán)油田的街403井和勝坨油田的坨202井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 街403井

街403井為臨盤(pán)油田臨南坡折帶部位的一口勘探評(píng)價(jià)井，該井完鉆層位在沙三段，設(shè)計(jì)井深4 290.00m，目的層較深，下部井段巖性以泥巖和砂巖為主，地層中的不均質(zhì)夾層會(huì)影響鉆頭的穩(wěn)定性，但地層總體可鉆性相對(duì)較好。因此，試驗(yàn)之前對(duì)微心PDC鉆頭進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)：根據(jù)鄰井的PDC鉆頭使用資料以及地層巖性分析結(jié)果，確定試驗(yàn)用微心PDC鉆頭的冠部輪廓為中內(nèi)錐—短外錐［6］，采用螺旋刀翼布齒方式，目的是在鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的切削齒能逐個(gè)吃入地層，提高鉆頭的穩(wěn)定性［7］；采用φ16.0mm復(fù)合片為主切削元件的中等布齒密度，以保證鉆頭具有較長(zhǎng)的使用壽命和較高的機(jī)械鉆速；采用復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，在主切削齒后增加備用齒（φ13.4mm復(fù)合片）；采用折斷式微心結(jié)構(gòu)，巖心柱理論直徑為10.0mm，高度為10.0mm；同時(shí)，為了能夠使巖屑順利上返排出，在保持鉆頭受力平衡的條件下，對(duì)排屑槽進(jìn)行了加寬、加深，并使之延伸至鉆頭中心部位。設(shè)計(jì)的φ215.9mm CP5263SJ型微心PDC鉆頭見(jiàn)圖5。

圖5 φ215.9mm CP5263SJ型微心PDC鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.5 Designedφ215.9mm CP5263SJ type micro-coring PDC bit

試驗(yàn)中，φ215.9mm微心PDC鉆頭從井深3 450.00m鉆至取心點(diǎn)3 679.00m，平均機(jī)械鉆速7.21m／h。試驗(yàn)結(jié)果表明，返出的巖屑尺寸較大，一些巖屑的直徑達(dá)到了10.0mm以上，為巖屑錄井卡準(zhǔn)層位、判斷巖性提供了保障；而且，平均機(jī)械鉆速比鄰井同層位其他PDC鉆頭提高了17.8%。

3.2 坨202井

坨202井為勝利油田布置的一口勘探開(kāi)發(fā)井，完鉆層位在沙四段，油層埋藏深。該井下部地層以泥質(zhì)灰?guī)r和砂礫巖為主，地層巖石抗壓強(qiáng)度高，研磨性強(qiáng)，巖性不均質(zhì)性強(qiáng)，易對(duì)PDC鉆頭造成沖擊和磨損破壞。為滿(mǎn)足巖屑錄井的需要，該井的鄰井主要使用牙輪鉆頭，機(jī)械鉆速較低。

針對(duì)該井地層巖性特征和錄井的需要，設(shè)計(jì)了φ215.9mm P5253SJC型微心PDC鉆頭（見(jiàn)圖6）。該鉆頭總體布齒結(jié)構(gòu)與街403井使用的微心鉆頭類(lèi)似，但考慮到坨202井沙四段地層抗壓強(qiáng)度高、研磨性和均質(zhì)性強(qiáng)，進(jìn)行了如下改進(jìn)：采用了雙排切削齒結(jié)構(gòu)，主切削齒為φ16.0mm高性能復(fù)合片，后排切削齒為φ13.4mm復(fù)合片，以提高鉆頭的抗沖擊和抗研磨性能；適當(dāng)減小主切削齒的后傾角度，以提高鉆頭在硬地層中的吃入性能和機(jī)械鉆速。

圖6 φ215.9mm P5253SJC型微心PDC鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.6 Designedφ215.9mm P5253SJC type micro-coring PDC bit

試驗(yàn)中，該鉆頭從井深3 375.00m入井，鉆至井深3 520.00m完鉆，平均機(jī)械鉆速2.22m／h。對(duì)比鄰井的鉆井情況可知，該微心PDC鉆頭可以取得與牙輪鉆頭大小相當(dāng)?shù)膸r屑，完全滿(mǎn)足巖屑錄井的需要；同時(shí)，與牙輪鉆頭相比，機(jī)械鉆速提高了48.0%左右，單鉆頭平均進(jìn)尺也增加了48.5%，效果非常好。

4 結(jié) 論

1）為滿(mǎn)足巖屑錄井的需要，設(shè)計(jì)了微心PDC鉆頭。試驗(yàn)表明，該鉆頭具有PDC鉆頭機(jī)械鉆速高、使用壽命長(zhǎng)和鉆進(jìn)安全等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，能夠像牙輪鉆頭一樣在鉆進(jìn)中獲得較大的巖屑，從而確保巖屑錄井能卡準(zhǔn)層位、有效辨別巖性。

2）設(shè)計(jì)的微心PDC鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭、牙輪鉆頭相比，機(jī)械鉆速都有一定提高，表明其在滿(mǎn)足巖屑錄井要求的同時(shí)，還具有提速功能。

3）在不同地層使用時(shí)，微心PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)要根據(jù)地層巖性特征進(jìn)行調(diào)整，提高其針對(duì)性，這樣才能獲得較好的效果。