鐘山區塊煤層氣開發定向井用PDC鉆頭個性化設計與試驗

高曉亮 王傳留 田宏杰

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

鐘山區塊位于貴州省六盤水市鐘山區和水城縣境內，屬于大河邊向斜。該區域主力煤層位于上二疊統龍潭組，由碎屑巖夾灰巖構成，為一套海陸交互相含煤沉積。厚度為206～241 m，含煤約為40層，煤層總厚約為35 m，含煤系數為14.5%，其中可采及局部可采煤層16～20層，可采總厚度為17～21 m。主力煤層C409、C407和C406厚度分別為7.85 m、1.55 m和2.9 m，埋深在400～1000 m之間，該區域內可采煤層甲烷(CH4)含量最大為99.80%，平均為69.56%，均為富甲烷煤層。為了探索該區域的煤層氣含量并進行預抽采工作，采用從式定向井對該區域重點區域進行鉆井工程施工。

1 工程概況

為了開采該區域煤層氣，采用從式鉆井的方式進行煤層氣開發，每一井臺設計6～8口井進行鉆進，其中一口直井，其余為定向鉆井。井身結構采用二開鉆井，一開采用直徑為311.1 mm 鉆頭+244.5 mm表層套管；二開采用直徑為215.9 mm鉆頭+139.7 mm生產套管。其中定向井井身結構采用直井-造斜-穩斜三段式剖面，具體井身結構圖如圖1所示。

根據鉆探資料顯示，該區域鉆井施工穿越地層從上到下依次為第四系坡積土層、三疊系永寧鎮組石灰巖及白云巖、飛仙關組粉砂質泥巖及細砂巖等組成，其中該層位含煤5～10層，其中6層全區穩定可采。

2 PDC鉆頭個性化設計

為了實現鐘山區快速優質鉆井的需求，針對該區域的煤層氣鉆頭從結構優選、剖面設計、布齒以及保徑設計4個方面進行個性化設計。

2.1 鉆頭結構優選

針對鐘山區塊擬穿越的地層特性及鉆進工藝特點，對鉆頭結構進行優選。由于此次鉆進采用的鉆進工藝特點為直井-造斜-穩斜，應該考慮鉆頭的導向性與穩定性，即在造斜段應具備造斜能力，鉆頭能根據螺桿馬達工具面角的改變進行調整改變。而在穩斜段鉆頭應具有一定的穩定性。因此，此次鉆頭采用刮刀型5刀翼結構，保徑采用一定的螺旋角度，增大與井壁接觸，保證穩定性，另外保徑長度選用較短保徑，以保證鉆頭的造斜能力。鉆頭刀翼結構如圖2所示。

2.2 鉆頭剖面設計

不同的冠部形狀具有不同的工作特性,對于地層的適應性也不同。目前常用的PDC鉆頭剖面形狀主要有魚尾形、淺錐形、短拋物線形以及拋物線形4種。其中，魚尾形鉆頭適用于鉆進粘性極高的泥頁巖層；淺錐形鉆頭能很好地鉆進夾層，且由于此種外形鉆頭依靠較長的保徑和扶正,在快速鉆井中能夠保持方位和井斜的穩定；短拋物線形鉆頭最適合于在可能遇到硬夾層的地層中鉆進；拋物線形鉆頭的整個冠部載荷均勻,無明顯載荷過渡區，適合于高速井下動力鉆進，由于其側向切削能力強。

鑒于鐘山區塊煤層氣鉆井采用從式定向鉆井，要求鉆頭具備能夠配合螺桿馬達鉆進的能力，因此選用拋物線形剖面，為簡化拋物線模型，鉆頭采用直線-圓弧-直線型拋物線冠部形狀，該形狀一方面使得鉆頭具有足夠的切削齒數量，另一方面使各切削齒均勻磨損，對增大鉆頭壽命具有積極的影響。鉆頭剖面結構如圖3所示。

圖3 鉆頭剖面結構

2.3 鉆頭布齒

切削齒排布是確定切削齒在鉆頭剖面上的位置，主要是切削齒的中心距，由于鉆頭直徑確定，鉆頭中心齒合保徑齒位置可以確定，應該按照切削齒能完全覆蓋井底的原則進行排布，一般情況下，鉆頭外部切削齒由于中心距較大，因此切削面積較大，需要密集的切削齒進行分擔，而相對靠近中心的區域分布距離較大。鉆頭切削齒包絡線與布齒如圖4所示。

圖4 鉆頭切削齒包絡線與布齒

2.4 切削齒安裝角度

切削齒安裝于PDC鉆頭體上，應當選擇合適的切削角。在鉆進參數一定時，鉆頭的切入能力隨著切削角的增大而減小，但是過小的切削角容易導致切削齒過早損壞，因此應根據地層情況優選切削角度。通過分析鐘山區塊地層及鉆進工藝條件，并綜合考慮鉆頭的機械鉆速、穩定性和使用壽命，得出該地層PDC鉆頭應采用較小的切削齒后傾角(16°～20°)，從內錐到外錐，后傾角逐漸由小變大。使破碎的巖石快速排出井底，防止重復破碎，根據經驗選擇該地層PDC鉆頭切削齒的側轉角應控制在5°～8°。

3 現場試驗

3.1 設備與鉆進工藝

采用的鉆機為TSJ3000/445型鉆機，鉆具為?127 mm鉆桿和?172 mm螺桿馬達，馬達彎頭角度為1.5°～1.76°，配備F800泥漿泵。采用的工藝方法為定向鉆進和回轉鉆進混合的鉆進方法，直井及穩斜段采用復合鉆進，即采用馬達加轉盤回轉的方式，造斜段采用螺桿馬達進行定向鉆進。采用的鉆進工藝參數：鉆壓為2～3 t，轉速轉盤為50 r/min+螺桿轉速，泵量為20～30 L/min。

3.2 試驗結果與分析

試制的PDC鉆頭在鐘1-1-X4井及鐘1-8-6井進行鉆進，試驗過程中鉆頭具有良好的導向性，能夠跟隨螺桿鉆具方位及傾角調整而調整，側切能力強，能夠滿足定向鉆進需求。具體試驗數據見表1。

表1 試驗結果數據表

由表1可見，鉆進深度合計達1361.3 m，在鐘1-8-6井效率達到10.87 m/h，鉆頭切削齒幾乎無磨損，可以繼續使用。鉆進1361.3 m后的鉆頭如圖5所示。

圖5 鉆進1361.3 m后的鉆頭

但是在鐘1-1-X4井的鉆進中，鉆頭鉆進效率相對較低，在鉆進至610 m后，由于進尺緩慢進行更換鉆頭，通過地層資料顯示，該鉆頭在400～800段，鉆進巖層為中生界三疊系下統飛仙關組，巖性主要為灰色和灰綠色粉砂巖、粉砂質泥巖及泥質粉砂巖、淺灰—灰色灰巖及泥灰巖、灰色隱晶—細晶灰巖，巖石硬度相對較硬，機械鉆速僅為8.15 m/h。為了增大鉆頭機械鉆速，對鉆頭結構進行優化設計。

4 鉆頭改進與試驗

4.1 鉆頭結構改進設計

研究表明鉆頭機械鉆速與鉆頭剖面形狀、切削齒大小、切削角度大小等具有較大關系，本次優化設計針對鉆頭這幾個方面進行優化。

(1)剖面形狀。鉆井實踐證明，鉆頭冠部輪廓形狀對鉆頭破巖效率及切削齒的磨損影響較大。利用室內實驗及有限元對不同冠部形狀的 PDC鉆頭進行受力分析，結果都表明鉆頭冠部輪廓長度影響其鉆速。為了提高鉆進效率，對新鉆頭的剖面形狀進行了改進，即降低鉆頭外錐長度，增大內錐角。

(2)切削齒大小與切削角度。根據現場應用經驗，對于較軟到中硬地層，選用直徑較大的PDC切削齒，采用低密度或中密度布齒的鉆頭；對于中硬到堅硬地層，選用直徑較小的PDC切削齒，采用中密度或高密度布齒的鉆頭。目前，現場應用較多的切削齒直徑尺寸主要有13 mm、16 mm和19 mm這3種規格。隨著切削齒直徑的增大，適應地層從堅硬到較軟。由于之前的鉆頭采用直徑為19 mm的切削齒鉆進效率不理想，為了改善鉆進效率，新鉆頭采用直徑為16 mm的切削齒，并適當增加布齒數量。切削角的大小決定了PDC切削齒切削地層的能力，大切削角增大了鉆頭切削齒的抗沖擊及抗研磨能力，但是降低了鉆頭切削地層的能力，因此，將新鉆頭的切削角適當調小，即由原來的15°～20°調整至13°～18°，以期提高堅硬地層段機械鉆速。

4.2 鉆進試驗

采用新設計的數據對鉆頭進行了建模并加工試制，為了縮短加工周期，本次采用鋼體式鉆頭，改進后的PDC鉆頭如圖6所示。

從圖6可以看出，試驗后的改進型PDC鉆頭切削齒幾乎無磨損，可以繼續使用。

采用改進后的鉆頭在原鉆井進行鉆進試驗，井號為鐘1-8-X8井，設計井深為1095 m，其中一開采用空氣淺孔錘鉆進至129.5 m，二開采用改進的PDC鉆頭，本次鉆進試驗機械鉆速為18.62 m/h，相對于之前試驗鉆頭的10.67 m/h提高了71%。機械鉆速的提高大大縮短了鉆井工期，滿足了煤層氣開發定向鉆井的需要。使用后的改進型PDC鉆頭如圖7所示。

圖6 改進后的PDC鉆頭

圖7 使用后的改進型PDC鉆頭

5 結語

(1)合理的PDC鉆頭結構、剖面形狀以及布齒能夠保證鉆頭具有較好的導向性，鉆頭能夠跟隨螺桿馬達進行側向切削并改變鉆進軌跡。

(2)針對地層屬性，個性化選擇合理的鉆頭剖面及布齒能夠保證鉆頭在相應地層具有較好的鉆進效率和鉆頭壽命。

(3)此次設計的PDC鉆頭導向性較好，鉆進穩定，無不正常磨損，改進后的鉆頭機械鉆速較高，滿足了鐘山區塊煤層氣鉆進對PDC鉆頭的要求。

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