槽形反循環(huán)PDC刮刀鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

巫 剛，張永星

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆頭廠，黑龍江大慶163461）

1 概述

反循環(huán)鉆井是指鉆井液從井筒環(huán)空流入，經(jīng)鉆頭、鉆具內(nèi)孔返出的一種鉆井工藝，具有減少地層漏失、延長泥漿泵使用壽命、井控靈活等優(yōu)點(diǎn)，目前反循環(huán)鉆井工藝已在大慶油田表層鉆井中推廣應(yīng)用。

大慶探區(qū)表層井鉆井作業(yè)地層主要是明水組，巖性以泥巖、泥頁巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖為主。常規(guī)反循環(huán)鉆頭的切削齒采用連續(xù)布置的方式進(jìn)行徑向布齒設(shè)計(jì)，鉆頭在使用過程中出現(xiàn)了如下問題：一是鉆頭在鉆井過程中工具面不穩(wěn)定，需要頻繁調(diào)整，延長鉆井作業(yè)時(shí)間；二是鉆頭不能有效鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速太低；三是鉆頭磨損嚴(yán)重，造成鉆頭提前失效。因此，為了提高鉆頭在表層井作業(yè)中的機(jī)械鉆速，提高鉆頭穩(wěn)定性并延長鉆頭的使用壽命，需要針對表層井反循環(huán)鉆井的作業(yè)特點(diǎn)和地質(zhì)情況對反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了一種新型的槽形反循環(huán)PDC刮刀鉆頭（見圖1）。

圖1 槽形反循環(huán)PDC刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)

2 鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 刀翼輪廓設(shè)計(jì)

井底巖石的形狀對于鉆頭的破巖效率影響較大，為了提升鉆頭的破巖效率、抑制鉆頭的橫向振動(dòng)，對鉆頭刀翼輪廓形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其設(shè)計(jì)為臺(tái)階式不連續(xù)凹槽結(jié)構(gòu)（見圖2），凹槽布置在鉆頭刀翼的合適位置，并貫通刀翼，在凹槽的底面布置次級(jí)切削齒。具有這種刀翼形狀的鉆頭在破巖時(shí)會(huì)在井底相應(yīng)位置形成凸起的巖脊（見圖3），巖脊自身的強(qiáng)度顯著下降，易發(fā)生破碎，形成大尺寸巖屑，從而達(dá)到降低鉆頭功耗、提高機(jī)械鉆速的目的。同時(shí)，由于井底巖脊的存在，當(dāng)鉆頭向某一個(gè)方向發(fā)生偏移時(shí)，巖脊對切削齒產(chǎn)生一個(gè)與鉆頭偏移方向相反的阻力，抑制鉆頭的橫向移動(dòng)，從而增強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性。

圖2 鉆頭刀翼輪廓及徑向布齒設(shè)計(jì)

圖3 巖脊模型圖

2.2 切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆頭的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括切削齒尺寸的選擇、布齒密度的選擇、切削齒分布設(shè)計(jì)、切削齒工作角度設(shè)計(jì)等。

（1）切削齒尺寸及布齒密度的選擇。不同尺寸的切削齒適用于不同硬度的地層，為了使鉆頭設(shè)計(jì)人員能更好地選擇切削齒，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐，建立了地層可鉆性等級(jí)和切削尺寸的關(guān)系，見表1?；诖髴c探區(qū)表層井段的地質(zhì)特點(diǎn)，為了提高鉆頭的破巖效率，同時(shí)在兼顧鉆頭耐磨性前提下，新型鉆頭的主切削齒選用1913復(fù)合片，次級(jí)切削齒選用1308復(fù)合片，布齒密度采用中等密度布齒設(shè)計(jì)。

表1 切削齒尺寸與地層可鉆性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

（2）切削齒分布設(shè)計(jì)。鉆頭切削齒的分布設(shè)計(jì)的目的是合理地把切削齒布置在鉆頭表面，使之磨損均勻。切削齒分布設(shè)計(jì)的具體步驟為：確定刀翼數(shù)量、設(shè)置最小布齒間隙和布齒順序，以同一刀翼上相鄰切削齒互不干涉為原則，以直線方式布置切削齒，綜合考慮水力清洗和力平衡，優(yōu)化布齒方案（徑向布齒圖見圖2）。

（3）切削齒工作角度設(shè)計(jì)。鉆頭切削齒后傾角的大小決定了切削齒攻擊地層的能力，大的后傾角可以增強(qiáng)鉆頭的抗沖擊能力和抗研磨能力，小的后傾角可以提高機(jī)械鉆速。鉆頭的后傾角設(shè)計(jì)需要考慮其對鉆頭切削效率的影響，鉆頭的后傾角越大，鉆頭的軸向切削能力和側(cè)向切削能力會(huì)降低。綜合考慮鉆頭的吃入能力和使用壽命等因素，新型鉆頭切削齒的后傾角設(shè)計(jì)為15°~20°。

鉆頭切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角的作用是使切削齒在切削地層時(shí)，對齒前巖屑產(chǎn)生側(cè)向推力，使巖屑向鉆頭外緣移動(dòng)，防止鉆頭泥包。為了增強(qiáng)鉆頭的排屑能力，將切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)為0°~10°。

（4）鉆頭力平衡設(shè)計(jì)。常規(guī)反循環(huán)鉆頭在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的工具面不穩(wěn)、鉆頭漂移等現(xiàn)象是由鉆頭穩(wěn)定性差造成的，鉆頭的振動(dòng)是其穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式。鉆頭的橫向振動(dòng)是由鉆頭的渦動(dòng)導(dǎo)致，而鉆頭的欠平衡力是引起鉆頭渦動(dòng)的主要原因。通過合理的布齒設(shè)計(jì)，可以有效地控制鉆頭欠平衡力的大小。

切削齒的受力是由其在鉆頭上的空間位置決定的，而切削齒的空間位置是由以下因素來決定的：徑向位置、周向角度、法向角、后傾角、側(cè)轉(zhuǎn)角、切削齒出露高度等。通過對切削齒布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將新型鉆頭的欠平衡力控制在鉆壓的5%以內(nèi)，保證了鉆頭的穩(wěn)定性。

2.3 保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)反循環(huán)鉆頭在使用過程中存在保徑部分過度磨損的問題，為了解決這一問題，將保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙級(jí)保徑結(jié)構(gòu)，保徑段長度分別為98mm和189mm，保徑段全覆蓋布置1913保徑切削齒。這一設(shè)計(jì)既解決了鉆頭保徑部分過度磨損的問題，又保證了井壁質(zhì)量。

針對設(shè)計(jì)方案，使用Creo軟件進(jìn)行鉆頭的可視化建模，輸出三維模型，利用數(shù)控火焰切割機(jī)和DMU80P五軸數(shù)控加工中心加工刀翼，確保加工質(zhì)量和精度符合設(shè)計(jì)要求，通過釬焊和CO2氣體保護(hù)焊工藝進(jìn)行焊接，生產(chǎn)出新型鉆頭成品（見圖4）。

圖4 槽形反循環(huán)PDC刮刀鉆頭成品

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2020年新型的槽形反循環(huán)PDC刮刀鉆頭在杏8區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，單只鉆頭能完鉆10口井，鉆頭進(jìn)尺1020m，平均機(jī)械鉆速68.56m/h，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明新型反循環(huán)PDC刮刀鉆頭與常規(guī)反循環(huán)鉆頭相比，平均機(jī)械鉆速提高了7.54m/h，鉆頭進(jìn)尺增加了110m，鉆頭起出后發(fā)現(xiàn)該鉆頭正常磨損，鉆頭的綜合性能滿足鉆井公司的作業(yè)需求。

表2 槽形反循環(huán)PDC刮刀鉆頭現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

通過對反循環(huán)PDC刮刀鉆頭的剖面形狀、布齒技術(shù)、保徑結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效提高鉆頭的機(jī)械鉆速、增強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性和抗研磨性。槽形反循環(huán)鉆頭與常規(guī)反循環(huán)鉆頭相比，鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速有了大幅提高，鉆頭在鉆進(jìn)過程中工具面穩(wěn)定，具有很高的推廣價(jià)值。