山前高陡構(gòu)造地層高效金剛石鉆頭的研發(fā)

王曉彥，樊思成，田東彬，周學(xué)超

（中石油渤海石油裝備中成機(jī)械制造有限公司，天津 300200）

0 引言

塔里木油田庫車山前高陡構(gòu)造地層致密，硬度及研磨性普遍較高，礫石夾層普遍存在呈游離狀態(tài)，且地層傾角大，礫石、煤層、鹽膏、泥巖交互。致使金剛石鉆頭在上述井段鉆進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)蹩鉆、跳鉆及粘滑現(xiàn)象。造成切削齒出現(xiàn)熱損傷、斷裂、心部磨凹、切削齒碎裂。導(dǎo)致在該井段鉆進(jìn)中使用多只金剛石鉆頭，鉆頭起出后均為非正常磨損。斷齒、齒碎裂現(xiàn)象較多。為此，基于軟件模擬和電腦輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)該區(qū)塊使用的金剛石鉆頭進(jìn)行切削結(jié)構(gòu)、吃入角度及水利結(jié)構(gòu)等優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高塔里木山前高陡構(gòu)造地層的鉆進(jìn)深度和速度。

1 金剛石鉆頭使用難點(diǎn)

通過對(duì)該地區(qū)地層資料和以往鉆頭使用情況分析認(rèn)為，山前高陡構(gòu)造金剛石鉆頭的使用難點(diǎn)主要表現(xiàn)在4個(gè)方面。

（1）巖性軟硬交互嚴(yán)重，金剛石鉆頭鉆進(jìn)中會(huì)產(chǎn)生頻繁跳鉆。

（2）大部井段巖石抗壓強(qiáng)度屬中到硬，需提高鉆頭的地層吃入能力。

（3）鉆井液密度高（基本保持在1.8 kg/L），造成鉆井液流動(dòng)及攜砂能力差，必須對(duì)鉆頭的水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

（4）塑性蠕動(dòng)性地層對(duì)鉆頭保徑部位損害較大。

2 設(shè)計(jì)方案

研究巖石破壞機(jī)理和巖屑產(chǎn)生過程后，加深了對(duì)鉆頭設(shè)計(jì)及巖屑攜帶的理解。認(rèn)為一種優(yōu)秀的金剛石鉆頭應(yīng)具備高鉆速、較低的粘滑、渦動(dòng)振動(dòng)，低無效切削及穩(wěn)定的鉆壓。針對(duì)山前高陡構(gòu)造地層的上述特點(diǎn)，主要以提高進(jìn)尺和機(jī)速為目標(biāo)。

2.1 鉆頭剖面的確定

鉆頭剖面即切削結(jié)構(gòu)指鉆頭軸線與半徑方向線構(gòu)成的半平面。設(shè)計(jì)時(shí)采用淺錐且增加了沿鉆頭冠部分布的剖面長(zhǎng)度，提高巖屑清除效率。形狀選用直線—圓弧—直線結(jié)構(gòu)，采用這種剖面形狀，基于的設(shè)計(jì)理念是內(nèi)錐的延長(zhǎng)可增加心部齒切入地層能力，淺錐保持鉆頭攻擊性；外錐的平緩過渡可消除集中點(diǎn)載荷，增加穿硬夾層能力;線形相對(duì)較長(zhǎng)，可以布置更多的切削齒，使齒的受力更均勻，可提高鉆頭穩(wěn)定性，且能提高耐磨性，從而延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。

優(yōu)化了螺旋布齒帶，能夠有效降低切削齒與巖石之間相互作用產(chǎn)生的局部圍壓，螺旋角保持在最低水平，以最大限度地緩解水利損失問題。

2.2 布齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用Wilmot等提出的新的布齒結(jié)構(gòu)——復(fù)合布齒結(jié)構(gòu)。實(shí)質(zhì)是將2種不同尺寸的切削齒，交錯(cuò)布置在鉆頭徑向剖面上，如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明[4]，這種布齒結(jié)構(gòu)的金剛石鉆頭在硬地層中具有良好的穩(wěn)定性，耐用性和較高的機(jī)械鉆速。常規(guī)金剛石鉆頭的布齒密度是根據(jù)地層的硬度和可鉆性來決定，所以適合山前高陡地層巖性特點(diǎn)切削齒分布采用高等密度，沿剖面曲線非等距布齒，最小間距≥3 mm（避免相鄰2齒產(chǎn)生干涉）。

這種特殊設(shè)計(jì)可大幅提升鉆頭保徑壽命，規(guī)避在塑性蠕變地層中過早失效的問題，同時(shí)降低鉆頭反扭矩。

圖1 復(fù)合布齒結(jié)構(gòu)

2.3 齒工作角度設(shè)計(jì)

切削齒的工作角度是后傾角、側(cè)傾角、法相角（裝配角）三維合成的。后傾角是其中最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，本文著重優(yōu)化后傾角。根據(jù)Hough在1986年研究得出的結(jié)論：軟地層的金剛石鉆頭應(yīng)采用10°～20°的后傾角，硬地層應(yīng)采用20°～25°后傾角為宜?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，鉆壓和扭矩越大，切削齒切削地層的能力越強(qiáng)，而且抗沖擊破碎的能力也加強(qiáng)。因此，針對(duì)山前高陡構(gòu)造的巖性特點(diǎn)，采用由內(nèi)向外漸變后傾角設(shè)計(jì)，區(qū)間定為15°～29°。提高鉆頭攻擊性的同時(shí)，增強(qiáng)外錐部的抗沖擊能力。

2.4 刀翼優(yōu)化設(shè)計(jì)

應(yīng)用刀翼三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化，見圖2。

（1）增大刀翼及排屑槽圓角，形成曲面。刀翼形狀近似流線體，以減少流體的阻力。

圖2 刀翼三維設(shè)計(jì)軟件

（2）刀翼根部增厚，使刀翼背部具有較大的斜面，鉆進(jìn)時(shí)給巖屑上返的分力。

2.5 水利優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過流體數(shù)值分析軟件（圖3）對(duì)水利設(shè)計(jì)進(jìn)行流體剪切應(yīng)力，橫向流動(dòng)狀態(tài)及攜巖的模擬檢測(cè)，從而對(duì)水眼的個(gè)數(shù)、角度、位置動(dòng)態(tài)調(diào)整做出優(yōu)化并提升；最終使新型鉆頭水利設(shè)計(jì)方案的巖屑清除效率和冷卻性能達(dá)到最優(yōu)。

圖3 流體數(shù)值分析軟件

3 使用案例

根據(jù)上述設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的新型鉆頭，在塔里木克深區(qū)塊山前高陡構(gòu)造使用。

圖4 6翼和5翼金剛石鉆頭

3.1 新型金剛石鉆頭鉆（圖4）進(jìn)技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)（表1）

3.2 鄰井同井段以往金剛石鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)（表2）

表1 新型金剛石鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)

表2 鄰井同井段以往金剛石鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

不難看出，高效金剛石鉆頭應(yīng)用取得良好效果，機(jī)械鉆速有不同程度提高。縮短了鉆井液浸泡地層的時(shí)間，為山前高陡構(gòu)造的提速提供了重要技術(shù)支撐。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）通過鉆頭剖面、布齒技術(shù)及鉆頭穩(wěn)定性力平衡研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了金剛石鉆頭穿夾層和硬地層能力，機(jī)械鉆速提高、鉆頭使用壽命延長(zhǎng)。

（2）采用專業(yè)水利及鉆頭受力檢測(cè)軟件，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推廣中得到驗(yàn)證。

（3）使用中還應(yīng)根據(jù)不同地層巖性變化相應(yīng)調(diào)整技術(shù)參數(shù)，以防止鉆頭先期損壞，造成不必要的浪費(fèi)。