提速工具配套鉆頭的優(yōu)化改進(jìn)

紀(jì) 博

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

隨著油田深部油氣藏勘探和開發(fā)的深入，深井鉆井?dāng)?shù)量逐年增加。而大慶油田深部地層普遍存在巖石堅(jiān)硬、研磨極值高、單只鉆頭進(jìn)尺少、鉆頭壽命短、機(jī)械鉆速低的特點(diǎn)。為解決該問題，大慶鉆探自主研發(fā)了液動(dòng)旋沖工具，目前已形成成熟產(chǎn)品，在大慶、海拉爾、川渝等區(qū)塊推廣使用，取得了很好的提速效果。但配合工具使用的鉆頭易出現(xiàn)損壞。因此開展了提速工具配套鉆頭研究，以達(dá)到進(jìn)一步提高進(jìn)尺和鉆速的目的。

1 鉆頭損壞形式

目前配合提速工具鉆頭損壞形式主要有以下三種（見圖1）：

（1）由于破巖效率低，導(dǎo)致在復(fù)合片在同一位置摩擦產(chǎn)生高溫，使復(fù)合片穩(wěn)定性下降，磨損加快，造成肩部和鼻部齒嚴(yán)重磨損；

（2）由于鉆頭心部齒靜載荷過載，出現(xiàn)崩齒從而引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致掏心；

（3）由于地層研磨性強(qiáng)，肩部齒磨損到一定程度后，胎體與地層直接接觸磨損造成縮徑。

圖1 提速工具鉆頭損壞形式

2 優(yōu)化改進(jìn)方案

針對(duì)上述問題，結(jié)合大慶油田地層特點(diǎn)和提速工具工作特性，開展了提速工具配套鉆頭研制。

（1）冠部曲線設(shè)計(jì)。選擇適用于硬度高、研磨性強(qiáng)地層的中拋物面冠部曲線，通過淺深度內(nèi)錐設(shè)計(jì)降低鉆頭心部單齒載荷。輸入設(shè)計(jì)條件通過理論公式進(jìn)行曲線擬合。

根據(jù)上述理論計(jì)算設(shè)計(jì)出的鉆頭冠部曲線參數(shù)見圖2。

（2）布齒設(shè)計(jì)。針對(duì)鉆頭肩部齒易磨損問題，采用高密度布齒方案，提高肩部布齒密度，使每個(gè)切削齒承受較小的鉆壓，做較小的功，以提高切削齒的壽命（見圖3）。

圖2 提速工具鉆頭優(yōu)化后冠部曲線模型及參數(shù)

與之前使用鉆頭相比，設(shè)計(jì)的單排齒鉆頭布齒密度提高了13%，雙排齒鉆頭布齒密度提高了16%。

完成布齒密度設(shè)計(jì)后，三維展開布齒到每個(gè)刀翼，進(jìn)行切削結(jié)構(gòu)角設(shè)計(jì)。

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

圖3 提速工具鉆頭優(yōu)化后布齒設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論計(jì)算設(shè)計(jì)出的鉆頭后傾角為18°～25°（不同地層特性對(duì)應(yīng)后傾角推薦見表1）?？紤]到提速工具對(duì)鉆頭的作用，最后確定后傾角為20°～30°。鉆頭在配合提速工具使用時(shí)，可有效提高切削效率、保護(hù)切削齒、延長(zhǎng)鉆頭的壽命、提高機(jī)械鉆速。

表1 不同地層特性對(duì)應(yīng)后傾角推薦

（3）PDC 復(fù)合片優(yōu)選。通過測(cè)試進(jìn)行復(fù)合片優(yōu)選（見圖4），最終選用的復(fù)合片磨耗比可達(dá)到41萬，脫鈷深度800μm，抗沖擊達(dá)540J，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平（復(fù)合片參數(shù)對(duì)比見表2）。

圖4 復(fù)合片測(cè)試

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

提速工具配套鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)7 口井（7 只鉆頭，具體使用情況見表3），累計(jì)進(jìn)尺2105.68m，累計(jì)純鉆時(shí)間634.85h，平均單只鉆頭進(jìn)尺300.81m，平均機(jī)械鉆速3.32m/h。其中最高鉆頭進(jìn)尺522.00m，最高鉆速6.11m/h（鉆頭出入井對(duì)比見圖5）。

表2 復(fù)合片性能對(duì)比

表3 提速工具配套鉆頭應(yīng)用情況

圖5 鉆頭出入井對(duì)比情況

4 結(jié)論

（1）針對(duì)大慶探區(qū)地層特性，結(jié)合提速工具工作特性，從多方面對(duì)鉆頭進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使鉆頭更契合提速工具。

（2）優(yōu)化后的鉆頭經(jīng)7 口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，提速效果明顯，且使用壽命有一定提高。

（3）現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外非平面齒復(fù)合片已日趨成熟，建議下步可選用非平面齒復(fù)合片，在含礫地層配合提速工具使用可進(jìn)一步提高鉆速。

（4）下步針對(duì)不同形式的提速工具繼續(xù)進(jìn)行鉆頭改進(jìn)，行成系列化鉆頭產(chǎn)品。