基于混合布齒技術的新型PDC鉆頭設計與應用

巫　剛

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆頭廠，黑龍江大慶163461）

基于混合布齒技術的新型PDC鉆頭設計與應用

巫剛*

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆頭廠，黑龍江大慶163461）

為了提高PDC鉆頭在大慶地區調整井作業的機械鉆速，并降低鉆頭制造成本，創新性地將混合布齒技術應用于PDC鉆頭個性化設計，針對混合布齒技術特點進行了合理的鉆頭冠部形狀設計、切削結構設計和水力結構設計。結合目前胎體PDC鉆頭的制造工藝，設計制造了基于混合布齒技術的新型?215.9mmPDC鉆頭，相較于同尺寸常規鉆頭，單只鉆頭制造成本降低了721元。新型鉆頭在大慶地區南2區塊進行了現場應用，鉆頭平均機械鉆速38.6m/h,與常規鉆頭相比，提高了1.2m/h。

PDC鉆頭；混合布齒技術；切削結構；水力結構

1　概述

近年來隨著PDC鉆頭原材料成本的不斷提高，企業的利潤空間正在逐步減小，采用新技術降低鉆頭制造成本已成為增加利潤的必要手段。混合布齒技術是指將2種規格的切削齒作為主切削齒交替布置在鉆頭剖面上的一種新型布齒技術。采用這種技術的鉆頭相鄰切削齒尺寸不同，在鉆頭接觸井底時形成不同曲率的切削刃結構，從而提高鉆頭的切削效率。相較于常規布齒技術，混合布齒技術將一部分較大尺寸的切削齒替換為較小尺寸的切削齒，通過該技術能降低復合片的使用成本。

2　混合布齒技術原理

混合布齒技術是指將2種規格的切削齒作為主切削齒交替布置在鉆頭剖面上的一種新型布齒技術（圖1）。基于應用范圍、鉆井目的和鉆井環境，這一新技術可以進行部分或者全部應用。它可以全部運用在鉆頭剖面上，也可部分運用于鉆頭剖面上的某一區域。

圖1　混合布齒原理圖

使用混合布齒技術的切削齒布置需要遵徇以下幾何條件：

（1）同一刀翼上相鄰切削齒尺寸不相同；

（2）從徑向上看，規定區域內相鄰切削齒的尺寸不相同(?m≠?n)。

采用混合布齒技術的PDC鉆頭具有防止振動發生以及振動發生時能減輕強度和傳播的能力，從而增加鉆頭穩定性。

混合布齒技術的一個獨特特征是每一個不同尺寸的切削齒都與井底接觸，當其中一個切削齒脫落時，鉆頭切削齒仍然覆蓋整個井底并繼續鉆進。

在同樣的載荷或鉆壓條件下分布于鉆頭表面上的壓力取決于切削齒尺寸。小切削齒在硬地層中鉆進效率高，它能產生高的和集中的載荷，而大切削齒形成均布載荷。由于不同尺寸的切削齒在切線上形成不同的曲率，混合切削結構會產生混合載荷，從而提高鉆頭的機械鉆速。

3　PDC鉆頭結構設計

PDC鉆頭結構設計主要包括PDC鉆頭冠部形狀結構設計、切削結構設計和水力結構設計等。

3.1冠部形狀設計

冠部設計是根據鉆頭總體參數，如鉆頭直徑、型號、外錐高度、內錐深度等，合理設計冠部輪廓形狀，為PDC鉆頭布齒設計提供合理的空間表面。根據等切削設計原則，建立鉆頭的理論冠部曲線方程式：

在實際設計中，按上述理論設計的冠部形狀曲線確定R0后就可以得出理論冠部曲線形狀(圖2)，然后根據鉆頭體結構設計的需要采用拋物線形冠部進行曲線擬和。

圖2　理論冠部曲線

為使鉆頭受力均勻、磨損均勻，采用較平緩的冠部剖面，同時適當延長外錐長度，增大布齒面積，提高鉆頭的使用壽命和排屑效果；另外，為了提高鉆頭穩定性，刀翼設計一定的錐角（138°）。綜合考慮PDC鉆頭鉆進速度、抗沖擊性和抗研磨性，鉆頭采用淺內錐、中外錐拋物線型剖面結構（圖3）。

圖3　鉆頭冠部曲線

3.2鉆頭切削結構設計

PDC鉆頭切削結構設計主要是確定切削齒空間的位置,包括切削齒的選擇、布齒密度、切削齒的結構角以及切削齒中心的周向、徑向布置。

（1）切削齒選擇。同等磨損條件下，切削齒直徑越大其切削效率越高，因此選用?19.05mm和?16mm的切削齒作為鉆頭的主切削齒，在兼顧鉆頭壽命的前提下，提高鉆頭的機械鉆速。

（2）切削結構設計。切削齒最重要的2個結構角是負前角和側轉角。PDC切削齒結構角對切削齒的切削效率和工作性能有重要影響。合理的負前角能提高切削效率、保護切削齒、延長鉆頭的壽命,有助于提高鉆速。合理的側轉角有利于鉆頭清洗和巖屑搬移,減少鉆頭泥包發生幾率。PDC鉆頭切削結構由若干個分布在鉆頭表面不同部位的切削齒組成,每個切削齒的空間方位和工作部位都不同,所以各切削齒的負前角和側轉角也不同。由于要保持切削齒良好的工作性能,須控制切削齒在工作過程中的磨損,使切削齒磨損降為最小。因此,以切削齒磨損最小為目標對切削齒負前角和側轉角進行優化,確定各齒結構角大小。

綜合考慮切削齒的切削效率、鉆頭穩定性和使用壽命，將PDC鉆頭負前角設定為15°～25°，從內錐到鼻部，負前角由小逐漸變大，從鼻部到外錐，負前角由大變小。考慮到鉆頭作業時易發生泥包現象，為了提高鉆頭的排屑和防泥包能力，將切削齒的側轉角控制在0°～10°之間。

（3）切削齒周向布置。切削齒的周向布置是在垂直于鉆頭軸線平面內按一定方式確定切削齒的周向位置角,得到周向布置圖（見圖4）。依據鉆頭力平衡設計原則，新型PDC鉆頭采用了不對稱刀翼結構設計，即鉆頭各刀翼上的切削齒周向角分布不對稱。

（4）切削齒徑向布置。切削齒徑向布置是在鉆頭半徑平面內沿冠部外形輪廓布置切削齒,確定中心齒、保徑齒和其他各齒的徑向位置,得到徑向布齒圖(見圖5),它反映切削齒的分布密度和在井底的覆蓋情況。設計重點是使切削齒能完全覆蓋井底。確定中心齒位置的原則是使中心齒處于切掉中心巖石的最有利位置;確定保徑齒位置的原則是保證保徑齒工作面超出規徑線部分與加工要求磨削量相等。

圖4　切削齒周向布置

圖5　徑向布齒圖

3.3鉆頭水力結構設計

鉆頭的水力結構設計主要是通過各種途徑來提高井底“壓力梯度”，來提高鉆頭實際水功率，即努力提高射流的清巖、破巖、切削齒的潤滑和冷卻效果。鉆頭水力結構設計主要包括噴嘴布置參數設計和排屑槽結構設計。

（1）噴嘴布置參數設計。合適的噴嘴直徑可使PDC鉆頭得到高速鉆進所需要的鉆頭壓力降和單位面積上的水功率。噴嘴或水眼的配置和取向取決于鉆頭的類型，一般說來，噴嘴的配置和取向基本原則是：每個噴嘴或水眼能清洗和冷卻一組復合片（見圖6）。

圖6　噴嘴布置參數設計

為了有效地減少井底流場中產生對鉆頭不利的渦流與湍流，同時也為了加大鉆頭水功率，提高了鉆頭的破巖效率，利用CFD軟件對鉆頭水力參數進行了優化設計，將噴嘴噴射角度分別確定為15°、17°、19.5°、 22°，具體布置參數見表1。

表1　鉆頭噴嘴布置參數

（2）排屑槽結構設計。排屑槽過流面積是以其排屑能力為依據來設計的，衡量排屑能力的好壞則是以鉆井液在排屑槽中的流速大小為標準。當已知鉆井液總流量和排屑槽中的給定鉆井液返速，就可以計算出保徑寬度和排屑槽直徑的數值。由于扇形排屑槽排屑面積較大，采用此結構的鉆頭的排屑效果較好，因此鉆頭的排屑槽斷面形狀設計采用了扇形結構（圖7）。

4　現場應用

在大慶地區調整井作業中使用的?215.9mmPDC鉆頭主切削齒選用?19.05mm的復合片，使用混合布齒技術的新型PDC鉆頭的主切削齒選用了?19.05mm和?16.00mm復合片。單片?16.00mm復合片的采購成本較?19.05mm低103元，因此一只混合布齒鉆頭能節省成本721元。

2015年采用混合布齒技術的?215.9mmR3624型PDC鉆頭在大慶南2區塊進行了現場試驗。PDC鉆頭在南2區塊自上而下鉆遇地層為明水組、四方臺組、嫩江組、姚家組和青山口組，巖性主要為：灰黑色泥巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、黑黑褐色油頁巖等。單只鉆頭在該區塊平均機械進尺為4379m,，鉆頭磨損情況正常，鉆頭試驗數據見表2。與鄰井作業的常規PDC鉆頭相比，單只鉆頭平均進尺增加了126m,平均機械鉆速提高了1.2m/h。

圖7　鉆頭排屑槽形狀

表2　PDC鉆頭現場試驗數據表

5　結論

針對混合布齒技術特點，設計了合理的PDC鉆頭冠部形狀、切削結構和水力結構，結合目前的胎體PDC鉆頭制造工藝，制造了基于混合布齒技術的新型?215.9mm PDC鉆頭，并在大慶地區南2區塊調整井作業中進行了現場應用，鉆頭平均機械鉆速提高了1.2m/h，這表明混合布齒鉆頭的性能得到了提高，滿足了鉆井公司的作業需求。

[1]李樹盛，蔡鏡侖，馬德坤.PDC鉆頭冠部設計的原理與方法[J].石油機械，1998，26（3）：1-3.

[2] 李樹盛，馬德坤，侯季康.PDC鉆頭運動學研究[J].石油礦場機械，1996，25（4）：26-28.

TE2

B

1004-5716(2016)11-0030-04

2015-12-21

2015-12-21

巫剛（1985-），男（漢族），四川內江人，工程師，現從事鉆頭設計工作。