Power Drive VorteX鉆具系統配套PDC鉆頭優化設計

劉鵬飛 （中海石油 （中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

和鵬飛 （中海石油能源發展工程技術公司，天津 300452）

李凡，余涵 （中海石油 （中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

Power Drive VorteX（簡稱VorteX）鉆具系統通過井下高性能泥漿馬達的使用，可以為井底鉆頭提供最高可達250r／min的轉速，增大動力，有效解放機械鉆速，獲得較高的鉆井效率，但施工中發現采用該系統也給PDC鉆頭帶來較大的損壞［1］。為了解決該問題，筆者對VorteX鉆具系統配套PDC鉆頭進行了優化設計，以便為油田進行高效鉆進施工提供幫助。

1 VorteX鉆具系統結構

VorteX鉆具組合如下 （以?215.9mm井眼為例）：?215.9mmPDC鉆頭＋?171.5mm旋轉導向工具（Power Drive675X6）＋?171.5mm過濾接頭 （Filter Sub）＋?171.5mm直馬達 （Motor）＋?165.1mm浮閥接頭＋?171.5mm非磁鉆鋌＋?171.5mm MWD＋?171.5mm非磁鉆鋌＋?165.1mm隨鉆震擊器＋X／O＋?127mm加重鉆桿×14（見圖1）。其中，馬達采用斯倫貝謝A700MGT7866系列7／8頭、6級直馬達，與頂驅復合的最高轉速一般限制在250r／min內；過濾接頭主要用于過濾直馬達膠芯剝落物以及泥漿內較大雜物，每次鉆具出井需清理接頭；旋轉導向部分可依據井眼狀況以及造斜需要選擇。

圖1 VorteX鉆具系統組成結構圖

開發VorteX鉆具系統的主要目的是在旋轉導向鉆具的基礎上，通過井下高扭矩直馬達的使用，解決轉盤以及頂驅系統最高持續輸出扭矩和轉速的限制。該系統的主要工作原理如下：通過與頂驅提供的鉆柱轉速和井下馬達轉速相結合，可以增加可用扭矩和鉆頭轉速，用井底更高的扭矩輸出能力允許工具承受更大的鉆壓，從而提高了機械鉆速，降低了鉆井成本。同時，相對于常規旋轉導向系統，其鉆井時的扭轉振動和其他的振動損壞也大為減小，因而所有的輸入能量都用于高效鉆井和使機械鉆速最大化，特別是在大狗腿度井段，VorteX鉆具系統降低了套管磨損和鉆柱的疲勞損壞，減少了鉆柱或套管的失效風險。此外，所有外部部件都隨著鉆柱旋轉，這能夠減少摩阻并增加機械鉆速，且全程旋轉的特性也能幫助清潔和調整井眼，從而降低壓差卡鉆和機械卡鉆的風險。

2 配套PDC鉆頭設計

渤海某油田主力開發油層位于沙二段、沙三段，鉆井深度大，分布井段長，地層巖性差，地層巖性不均、互層多，可鉆性一般，鉆頭選型范圍小，很大程度上制約了機械鉆速的提高。通過對該地區已鉆井井身結構、地層壓力系統的研究和鉆井復雜情況分析，決定采用如圖2所示的井身結構：?444.5mm井眼×?339.7mm套管＋?311.2mm井眼×?244.5mm套管＋?215.9mm井眼×?152.4mm尾管，其中?311.2mm井眼以進東營組50m為中完原則，后續采用?215.9mm鉆頭，配套VorteX鉆具系統鉆進至沙三段完鉆。

2.1 PDC鉆頭初步選型

部分老井鉆頭使用情況表如表1所示。所有井全部使用5刀翼16mm或19mm切削齒的PDC鉆頭，以MS1951型和CK605K型PDC鉆頭為主，平均機械鉆速15m／h左右；無論是鋼體還是胎體5刀翼19mm PDC鉆頭，在機械鉆速方面表現相當；X8井使用了一只5刀翼、16mm切削齒的胎體M1653SS鉆頭完鉆，第一次入井發生了泥包，故初期以5刀翼19mm齒PDC鉆頭為主要選擇對象。

表1 部分老井鉆頭使用情況表

2.2 PDC鉆頭前期改進

根據已鉆東營組、沙河街組PDC鉆頭使用情況，結合鉆頭廠家對常規5刀翼19mm齒PDC鉆頭進行了改進設計，最終采用CKS605型和TS1951SS型鉆頭，2款鉆頭采用中等冠部，長拋物線，較長冠型，5直刀翼，單排19mm齒，設計5個水眼。

通過現場實際使用 （鉆井參數為鉆壓2～4t、頂驅轉速40～70r／min、排量1800～2000L／min），對出井鉆頭進行分析，發現鉆頭損壞部位以肩部及切削外沿為主，損壞形式以切削齒磨損為主，磨損量大約在3.175mm，次要損壞為尖崩刃、復合片破損。這是由于VorteX鉆具提供的高轉速以及鉆頭穩性、地層不均質的原因，導致鉆頭在井下運行不穩。由于存在一定渦動現象，因而受到了不規則的載荷沖擊［2－3］。改進后鉆頭配合VorteX鉆具的強大動力下，4口井鉆頭均有大幅度提高，整體平均機械鉆速達到26.85m／h，平均機械鉆速較老井提高了80%。在?215.9mm井眼中，TS1951SS型鉆頭在東營組、沙河街組整體表現比較平穩，而CKS605型鉆頭在東營組機械鉆速較高，之后在沙河街組逐步降低，鉆頭機械鉆速變化幅度較大。

2.3 PDC鉆頭優化

為了進一步提高機械鉆速，分別對2個型號的鉆頭進行改進優化。將CKS605型鉆頭后冠部形狀改為短冠部，布齒由原來的36顆改為41顆，增加布齒量，提高冠部附近布齒密度，增強后續攻擊力，避免后期機械鉆速大幅度下降；噴嘴數量由原來的5個改為7個，可以更精確地調整噴射面積，使水力分布更為均勻，保證較高的清洗效率，防止泥包現象。同時通過軟件模擬，對鉆頭切削齒受力進行分析，然后對布齒結構和密度進行優化，使各切削齒受力更加均勻，減小切削齒損壞幾率，提高切削效率，延長鉆頭使用壽命。針對TS1951SS型鉆頭，在原型號基礎上，將鼻部圓弧減小，冠型高度降低5.2mm，同時復合片出刃提高1mm，使鉆頭更有效地吃入地層，同時水眼數量未變。此外，建議將噴嘴直徑由18mm改為16mm，以增強水力射流。

3 現場應用效果

將優化后的VorteX鉆具系統配套PDC鉆頭在渤海某油田進行了現場試用，應用情況對比如表2所示。表2結果表明，TS1951SS型和CKS605型PDC鉆頭在后續井中均表現良好，機械鉆速較優化前大有提高。因此，該配套PDC鉆頭具有較好的市場應用前景。

表2 優化前后PDC鉆頭在該油田的應用情況對比表

［1］楊麗，陳康民.PDC鉆頭的應用現狀與發展前景 ［J］.石油機械，2003，31（3）：70－71.

［2］邵明仁.PDC鉆頭厚層礫巖鉆進技術探索與實踐 ［J］.中國海上油氣，2008，20（1）：44－47.

［3］匡立新，吳波 .合理優選PDC鉆頭是提高深井機械鉆速的有效途徑 ［J］.鉆采工藝，2001，24（2）：75－76.