微心PDC鉆頭設計及現場試驗

田京燕，徐玉超

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

PDC鉆頭在鉆進中主要依靠切削齒的剪切和刮削來破碎地層巖石，但在鉆進硬地層時，由于巖石抗壓強度較高，PDC切削齒不能有效切入地層，只能依靠刮削緩慢破碎巖石，機械鉆速較低，巖屑非常細碎（巖屑顆粒直徑通常小于0.5mm，遠小于牙輪鉆頭鉆進時產生的巖屑［1］），給巖屑錄井帶來了一定困難。而且，這種問題在巖性相近的地層中表現得尤為突出。因此，為了獲得較大的巖屑，從而準確判斷層位和巖性［1］，在探井中往往使用牙輪鉆頭鉆進。但是，使用牙輪鉆頭也有其不足：相對于PDC鉆頭，牙輪鉆頭進尺少、機械鉆速低，會延長鉆井周期，增加鉆井成本；而且，使用牙輪鉆頭存在掉牙輪的風險，不利于井下安全。針對上述情況，筆者提出了結合PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩者優點設計新型鉆頭的思路，即改進PDC鉆頭的結構，使其在保留機械鉆速快、使用壽命長和鉆進安全等優點的同時，能夠在鉆進中獲得較大的巖屑，滿足巖屑錄井的需要。基于此，設計了微心PDC鉆頭，并對其進行了現場試驗，取得了預期效果。

1 微心PDC鉆頭結構設計方法

1.1 整體結構

在保持普通PDC鉆頭冠部輪廓的基礎上，對切削齒結構重新進行設計——在鉆頭中心部位不布置切削齒。這樣，鉆進地層時，在鉆頭的中心部位會形成一個圓柱狀的小巖心，稱之為微心［2］。

在鉆頭中心靠近鉆頭基體部位與鉆頭軸心成一傾斜角處設計斜面。當鉆頭持續鉆進時，巖心不斷增長，其頂端就會接觸到鉆頭中心部位的斜面。在鉆壓作用下，該斜面會對巖心產生一個側向力。當該側向力達到一定程度后，巖心就會斷裂。該結構的鉆頭，稱之為微心PDC鉆頭，如圖1所示。

圖1 微心PDC鉆頭結構Fig.1 Micro-coring PDC bit structure

1.2 結構參數

巖心在折斷過程中要受到來自鉆頭的扭斷力和擠壓力。因此，巖心內會產生相應的剪應力和擠壓應力。折斷的巖心如圖2所示（圖2中：d為巖心直徑，mm；h為巖心高度，mm；φ為巖心橫斷面與鉆頭中心斜面的夾角，稱之為斷心角，（°））。下面針對圖2進行結構參數的分析與討論。

圖2 折斷的巖心結構示意Fig.2 Schematic of the broken core structure

線彈性范圍內，介質某處的剪應力與其相應的剪應變成正比［3］，即：

式中：τ為剪應力，MPa；G為比例系數；ρ為某處到轉軸的距離，cm。

若在巖心橫截面上距圓心ρ處取微面積dA，其上的剪應力為τdA，則橫截面上的扭矩為：

式中：M為截面扭矩，N·m。

式中：τmax為巖心邊緣點的最大剪應力，MPa；p為巖石抗壓強度，MPa。

巖心的擠壓強度和斷心角應滿足如下關系：

式中：σ為巖心的擠壓強度，MPa；Fp為作用在巖心上的鉆壓，N。

由于種種原因，鉆井中產生的巖心尺寸往往小于理論計算的巖心尺寸，設計鉆頭時需要考慮這一點。如果斷心角過大，復合片與巖心接觸點的半徑就會過大，甚至有可能接觸不到巖心；或者即使接觸到巖心，在巖心沒有斷裂之前，由于磨損的作用，會把巖心進一步磨小，使斷心結構失去作用。同時，巖心的直徑和高度要根據地層巖性特征進行設計，當所鉆地層比較松軟時，巖心比較容易折斷，這時應選擇相對較小的斷心角，防止斷心結構不能產生作用；當所鉆地層較硬時，使用較大的斷心角可以產生更大的橫向力，使巖心更容易折斷。綜合考慮上述各種影響因素，將φ設置為60°～70°。

若取Fp＝999.54N，p＝60.00MPa，φ＝70°，由式（4）和式（5）可知巖心的直徑和高度應滿足：d≥9.2mm；h≥15.7mm。若取Fp＝999.54N，p＝30.00MPa，φ＝60°，可得巖心的直徑和高度應滿足：d≥13.0mm；h≥28.8mm。

在此基礎上，為檢驗研究結果的可靠性并選出合適的斷心角，分別針對軟硬2種巖性、2種斷心角、2種巖心直徑和2種巖心高度進行了模擬分析。分析結果顯示，在硬地層中，d＝10.0mm、h＝15.0mm比較適合；在軟地層中，d＝15.0mm、h＝20.0mm較為適合。

2 微心PDC鉆頭性能室內試驗

2.1 取心試驗

根據前述研究結果，設計制造了小尺寸微心PDC鉆頭，并進行了室內性能試驗。所設計鉆頭為4刀翼，鉆頭直徑為80.0mm，切削齒直徑為13.4mm，如圖3所示。

圖3 室內試驗用微心PDC鉆頭Fig.3 The micro-coring PDC bit in laboratory experiments

該鉆頭在巖石力學實驗臺架上進行了試驗，鉆壓為5kN，轉速為100r／min；試驗巖石采用可鉆性級值為7的黃色中砂巖。鉆進過程平穩，無特殊振動現象。試驗獲取的微巖心為直徑10.0mm、高度10.0mm的圓柱體，斷裂面呈45°角，如圖4所示。

圖4 室內試驗獲得的微巖心Fig.4 Micro cores obtained in laboratory experiments

試驗結果表明，設計的微心PDC鉆頭結構合理，能夠在試驗室條件下取得符合要求的巖心，具備現場試驗的基本條件。

2.2 提速試驗

PDC鉆頭的轉速越高，其切削齒的線速度越高，鉆頭破碎巖石的動能就越高，機械鉆速就越高［4］。就同一PDC鉆頭而言，不同部位切削齒的情況不同：靠近鉆頭外側切削齒的線速度高，破巖效率也高；靠近中心部位切削齒的線速度低，尤其是中心切削齒，線速度非常低。而PDC鉆頭中心切削齒破巖效率過低，會影響該鉆頭的整體破巖效率［5］。為了分析微心PDC鉆頭的提速效果，在室內進行了與相同尺寸常規結構PDC鉆頭的鉆速對比試驗（試驗中，2種鉆頭采用了相同的轉速、鉆壓和相同巖性的巖心），試驗結果為：微心PDC鉆頭的機械鉆速為39.96m／h，常規PDC鉆頭的機械鉆速為29.70m／h。

試驗結果顯示，在同等條件下，微心PDC鉆頭比常規PDC鉆頭的機械鉆速提高16.2%，表明該鉆頭設計合理，提速效果明顯。

3 現場試驗

為進一步驗證微心PDC鉆頭在鉆井現場實際應用的可行性，在臨盤油田的街403井和勝坨油田的坨202井進行了現場試驗。

3.1 街403井

街403井為臨盤油田臨南坡折帶部位的一口勘探評價井，該井完鉆層位在沙三段，設計井深4 290.00m，目的層較深，下部井段巖性以泥巖和砂巖為主，地層中的不均質夾層會影響鉆頭的穩定性，但地層總體可鉆性相對較好。因此，試驗之前對微心PDC鉆頭進行了針對性的設計：根據鄰井的PDC鉆頭使用資料以及地層巖性分析結果，確定試驗用微心PDC鉆頭的冠部輪廓為中內錐—短外錐［6］，采用螺旋刀翼布齒方式，目的是在鉆進時鉆頭的切削齒能逐個吃入地層，提高鉆頭的穩定性［7］；采用φ16.0mm復合片為主切削元件的中等布齒密度，以保證鉆頭具有較長的使用壽命和較高的機械鉆速；采用復合切削結構，在主切削齒后增加備用齒（φ13.4mm復合片）；采用折斷式微心結構，巖心柱理論直徑為10.0mm，高度為10.0mm；同時，為了能夠使巖屑順利上返排出，在保持鉆頭受力平衡的條件下，對排屑槽進行了加寬、加深，并使之延伸至鉆頭中心部位。設計的φ215.9mm CP5263SJ型微心PDC鉆頭見圖5。

圖5 φ215.9mm CP5263SJ型微心PDC鉆頭設計結果Fig.5 Designedφ215.9mm CP5263SJ type micro-coring PDC bit

試驗中，φ215.9mm微心PDC鉆頭從井深3 450.00m鉆至取心點3 679.00m，平均機械鉆速7.21m／h。試驗結果表明，返出的巖屑尺寸較大，一些巖屑的直徑達到了10.0mm以上，為巖屑錄井卡準層位、判斷巖性提供了保障；而且，平均機械鉆速比鄰井同層位其他PDC鉆頭提高了17.8%。

3.2 坨202井

坨202井為勝利油田布置的一口勘探開發井，完鉆層位在沙四段，油層埋藏深。該井下部地層以泥質灰巖和砂礫巖為主，地層巖石抗壓強度高，研磨性強，巖性不均質性強，易對PDC鉆頭造成沖擊和磨損破壞。為滿足巖屑錄井的需要，該井的鄰井主要使用牙輪鉆頭，機械鉆速較低。

針對該井地層巖性特征和錄井的需要，設計了φ215.9mm P5253SJC型微心PDC鉆頭（見圖6）。該鉆頭總體布齒結構與街403井使用的微心鉆頭類似，但考慮到坨202井沙四段地層抗壓強度高、研磨性和均質性強，進行了如下改進：采用了雙排切削齒結構，主切削齒為φ16.0mm高性能復合片，后排切削齒為φ13.4mm復合片，以提高鉆頭的抗沖擊和抗研磨性能；適當減小主切削齒的后傾角度，以提高鉆頭在硬地層中的吃入性能和機械鉆速。

圖6 φ215.9mm P5253SJC型微心PDC鉆頭設計結果Fig.6 Designedφ215.9mm P5253SJC type micro-coring PDC bit

試驗中，該鉆頭從井深3 375.00m入井，鉆至井深3 520.00m完鉆，平均機械鉆速2.22m／h。對比鄰井的鉆井情況可知，該微心PDC鉆頭可以取得與牙輪鉆頭大小相當的巖屑，完全滿足巖屑錄井的需要；同時，與牙輪鉆頭相比，機械鉆速提高了48.0%左右，單鉆頭平均進尺也增加了48.5%，效果非常好。

4 結 論

1）為滿足巖屑錄井的需要，設計了微心PDC鉆頭。試驗表明，該鉆頭具有PDC鉆頭機械鉆速高、使用壽命長和鉆進安全等優點；同時，能夠像牙輪鉆頭一樣在鉆進中獲得較大的巖屑，從而確保巖屑錄井能卡準層位、有效辨別巖性。

2）設計的微心PDC鉆頭與常規PDC鉆頭、牙輪鉆頭相比，機械鉆速都有一定提高，表明其在滿足巖屑錄井要求的同時，還具有提速功能。

3）在不同地層使用時，微心PDC鉆頭的結構要根據地層巖性特征進行調整，提高其針對性，這樣才能獲得較好的效果。