松遼盆地火山巖地層用PDC 鉆頭研究及應(yīng)用

王 輝，吉 林，吳殿友

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300450）

1 地層巖石性質(zhì)介紹

火山巖分為凝灰?guī)r、流紋巖和火山角礫巖等，松遼盆地營(yíng)城組以火山巖為主，上部為綠灰、灰色流紋質(zhì)凝灰熔巖夾灰色絹云母化凝灰?guī)r、綠灰色流紋巖；中部為灰、淺紫、灰白、綠灰、深紫色流紋巖、球粒流紋巖，灰色流紋質(zhì)角礫巖；下部為深灰色、黑灰色安山質(zhì)玄武巖。根據(jù)徐家圍區(qū)塊內(nèi)某井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，利用地層可鉆性分析軟件，分析地層的可鉆性等級(jí)（表1）?；鹕綆r地層可鉆性從好到差排布分別為凝灰?guī)r、流紋巖和火山角礫巖，火山角礫巖沖擊性最強(qiáng)，流紋巖研磨性最強(qiáng)。表1 的可鉆性極值、沖擊強(qiáng)度極值、研磨性極值為指數(shù)，最小值為0，最大值為10；可鉆性最差地層，極值為10。

表1 可鉆性極值

2 火山巖地層用PDC 鉆頭失效分析

根據(jù)火山巖地層用PDC 鉆頭可鉆性分析，營(yíng)城組火山巖地層對(duì)復(fù)合片的沖擊性和研磨性都很強(qiáng)（圖1）。在以前試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，鉆頭在下井之初個(gè)別切削齒易出現(xiàn)崩齒破損（圖2）；鉆頭使用一段時(shí)間后，鉆頭出現(xiàn)整體崩齒磨損失效（圖3）。在該區(qū)塊首先需要解決鉆頭抗沖擊性，防止鉆頭使用前期出現(xiàn)崩齒破損，同時(shí)需要提高鉆頭抗研磨性，提高鉆頭的使用壽命。

圖1 切削齒金剛石磨損

圖2 切削齒金剛石層沖擊破損

圖3 鉆頭整體磨損失效

3 火山巖地層用PDC 鉆頭設(shè)計(jì)研究

3.1 PDC 鉆頭布齒密度設(shè)計(jì)

切削齒布齒密度大小，可以確定每個(gè)切削齒接觸地面時(shí)受力的大小，切削齒數(shù)量越多，分配到每一顆切削齒上的正向力越小，受力越小，就越不容易受損，尤其是在火山巖高沖擊強(qiáng)研磨地層，切削齒數(shù)量多可以有效保護(hù)切削齒。鉆頭切削齒數(shù)量選擇可以采用國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì)（IADC）關(guān)于PDC 鉆頭當(dāng)量齒數(shù)Ne來衡量，當(dāng)鉆頭當(dāng)量齒數(shù)≤0.139 為低布齒密度布齒，鉆頭當(dāng)量齒數(shù)0.139～0.232 為中等布齒密度，Ne≥0.232 為高布齒密度。

切削齒選用16 mm 復(fù)合片，根據(jù)Ne=（Dc×Nc）/12.7/（D/215.9），其中Ne為鉆頭當(dāng)量齒數(shù)，Dc為復(fù)合片直徑，Nc為復(fù)合片個(gè)數(shù)，D 為鉆頭直徑。切削齒數(shù)量大于40 顆為高布齒密度，在火山巖地層中使用需要采用高布齒密度，設(shè)計(jì)選擇43 顆切削齒，為了均勻布齒，采用八刀翼鉆頭。

3.2 切削齒設(shè)計(jì)

PDC 鉆頭布齒方式?jīng)Q定了每個(gè)切削齒接觸地層的空間方位和部位不同，各切削齒的齒角也不同。對(duì)于特定的巖石和井下條件，各切削齒都存在一個(gè)理想的后傾角，要根據(jù)切削齒的布齒位置，采用不同的后傾角。從鉆頭中心向外，切削齒的破巖量、線速度都呈遞增狀態(tài)。為了控制切削齒在工作過程中均勻等磨損，后傾角都要隨著增大。一般根據(jù)所鉆地層的硬度和巖性來確定后傾角的大小，隨著地層硬度由低到高，切削齒的后傾角由小到大，但一般控制在10°～30°。

火山巖地層沖擊性高、研磨性強(qiáng)，需要采用較大的切削齒后傾角，最終該火山巖地層PDC 鉆頭選用18°～24°后傾角。

3.3 鉆頭頭型設(shè)計(jì)

PDC 鉆頭頭型的布齒如圖4 所示，鉆頭頭型的選擇如圖5所示，其中：曲線1 為平拋面，適合非研磨性地層，高攻擊；曲線2 為短拋面，適合硬且中等研磨性地層；曲線3 為中拋面，適合中硬到硬且研磨性強(qiáng)的地層；曲線4 為長(zhǎng)拋面，適合研磨性沖擊性強(qiáng)地層，低機(jī)速。從曲線1～4 軌跡可以看出鉆頭頭型由平到長(zhǎng)，鉆頭的抗沖擊性和抗研磨性隨之增加。

圖4 鉆頭布齒

圖5 鉆頭頭型

而圖6 中大曲面（R）特點(diǎn)為通過大的表面面積來達(dá)到很好的抗沖擊能力，適合在硬且研磨性強(qiáng)地層中使用；小或尖曲面（r）特點(diǎn)為可在切削片上形成較高的點(diǎn)式?jīng)_擊，適合于軟且均質(zhì)性好的地層，得到較高的機(jī)械鉆速。從曲線R—r 變化中可以看出鉆頭頭型頂部角度越小，攻擊性越強(qiáng)，鉆頭頭型頂部角度越大，抗沖擊性和抗研磨性越強(qiáng)，因此該火山巖地層PDC 鉆頭設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)拋物線、大曲面頂部頭型。

圖6 頭型頂部角度

4 PDC 鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)成果

火山巖地層用高抗沖擊性強(qiáng)研磨性鉆頭，采用八刀翼16 mm 切削齒、雙排齒、高布齒密度，主切削齒齒前角18°～24°、長(zhǎng)拋物線、大曲面頭型頂部，復(fù)合片純進(jìn)口齒斧型齒（圖7）。

圖7 火山巖地層用PDC 鉆頭三維模型

5 火山巖地層用PDC 鉆頭現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

根據(jù)松遼盆地火山巖地層巖石可鉆性分析結(jié)果、區(qū)塊前期鉆頭試驗(yàn)情況及鉆頭設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)完成了火山巖地層用八刀翼PDC 鉆頭，試驗(yàn)鉆頭在徐深12-1 井使用，共在水平段試驗(yàn)4 井次，創(chuàng)造了在松遼盆地徐深區(qū)塊營(yíng)城組水平段使用PDC 鉆頭完鉆先例，最終協(xié)助井隊(duì)一舉刷新了大慶深井徐深區(qū)塊三開最短鉆井周期24.9 d、最快機(jī)械鉆速4.24 m/h、最高單趟鉆平均進(jìn)尺244.5 m 三項(xiàng)紀(jì)錄，鉆井周期比區(qū)塊最優(yōu)指標(biāo)縮短了34.3 d，機(jī)械鉆速比區(qū)塊最優(yōu)指標(biāo)提高了33%。