山前高陡構造地層高效金剛石鉆頭的研發

王曉彥，樊思成，田東彬，周學超

（中石油渤海石油裝備中成機械制造有限公司，天津 300200）

0 引言

塔里木油田庫車山前高陡構造地層致密，硬度及研磨性普遍較高，礫石夾層普遍存在呈游離狀態，且地層傾角大，礫石、煤層、鹽膏、泥巖交互。致使金剛石鉆頭在上述井段鉆進時會出現蹩鉆、跳鉆及粘滑現象。造成切削齒出現熱損傷、斷裂、心部磨凹、切削齒碎裂。導致在該井段鉆進中使用多只金剛石鉆頭，鉆頭起出后均為非正常磨損。斷齒、齒碎裂現象較多。為此，基于軟件模擬和電腦輔助設計系統對該區塊使用的金剛石鉆頭進行切削結構、吃入角度及水利結構等優化設計，以提高塔里木山前高陡構造地層的鉆進深度和速度。

1 金剛石鉆頭使用難點

通過對該地區地層資料和以往鉆頭使用情況分析認為，山前高陡構造金剛石鉆頭的使用難點主要表現在4個方面。

（1）巖性軟硬交互嚴重，金剛石鉆頭鉆進中會產生頻繁跳鉆。

（2）大部井段巖石抗壓強度屬中到硬，需提高鉆頭的地層吃入能力。

（3）鉆井液密度高（基本保持在1.8 kg/L），造成鉆井液流動及攜砂能力差，必須對鉆頭的水力結構進行優化。

（4）塑性蠕動性地層對鉆頭保徑部位損害較大。

2 設計方案

研究巖石破壞機理和巖屑產生過程后，加深了對鉆頭設計及巖屑攜帶的理解。認為一種優秀的金剛石鉆頭應具備高鉆速、較低的粘滑、渦動振動，低無效切削及穩定的鉆壓。針對山前高陡構造地層的上述特點，主要以提高進尺和機速為目標。

2.1 鉆頭剖面的確定

鉆頭剖面即切削結構指鉆頭軸線與半徑方向線構成的半平面。設計時采用淺錐且增加了沿鉆頭冠部分布的剖面長度，提高巖屑清除效率。形狀選用直線—圓弧—直線結構，采用這種剖面形狀，基于的設計理念是內錐的延長可增加心部齒切入地層能力，淺錐保持鉆頭攻擊性；外錐的平緩過渡可消除集中點載荷，增加穿硬夾層能力;線形相對較長，可以布置更多的切削齒，使齒的受力更均勻，可提高鉆頭穩定性，且能提高耐磨性，從而延長鉆頭使用壽命。

優化了螺旋布齒帶，能夠有效降低切削齒與巖石之間相互作用產生的局部圍壓，螺旋角保持在最低水平，以最大限度地緩解水利損失問題。

2.2 布齒結構設計

選用Wilmot等提出的新的布齒結構——復合布齒結構。實質是將2種不同尺寸的切削齒，交錯布置在鉆頭徑向剖面上，如圖1所示，現場實驗證明[4]，這種布齒結構的金剛石鉆頭在硬地層中具有良好的穩定性，耐用性和較高的機械鉆速。常規金剛石鉆頭的布齒密度是根據地層的硬度和可鉆性來決定，所以適合山前高陡地層巖性特點切削齒分布采用高等密度，沿剖面曲線非等距布齒，最小間距≥3 mm（避免相鄰2齒產生干涉）。

這種特殊設計可大幅提升鉆頭保徑壽命，規避在塑性蠕變地層中過早失效的問題，同時降低鉆頭反扭矩。

圖1 復合布齒結構

2.3 齒工作角度設計

切削齒的工作角度是后傾角、側傾角、法相角（裝配角）三維合成的。后傾角是其中最重要的設計參數，本文著重優化后傾角。根據Hough在1986年研究得出的結論：軟地層的金剛石鉆頭應采用10°～20°的后傾角，硬地層應采用20°～25°后傾角為宜。現場經驗表明，鉆壓和扭矩越大，切削齒切削地層的能力越強，而且抗沖擊破碎的能力也加強。因此，針對山前高陡構造的巖性特點，采用由內向外漸變后傾角設計，區間定為15°～29°。提高鉆頭攻擊性的同時，增強外錐部的抗沖擊能力。

2.4 刀翼優化設計

應用刀翼三維設計軟件設計優化，見圖2。

（1）增大刀翼及排屑槽圓角，形成曲面。刀翼形狀近似流線體，以減少流體的阻力。

圖2 刀翼三維設計軟件

（2）刀翼根部增厚，使刀翼背部具有較大的斜面，鉆進時給巖屑上返的分力。

2.5 水利優化設計

通過流體數值分析軟件（圖3）對水利設計進行流體剪切應力，橫向流動狀態及攜巖的模擬檢測，從而對水眼的個數、角度、位置動態調整做出優化并提升；最終使新型鉆頭水利設計方案的巖屑清除效率和冷卻性能達到最優。

圖3 流體數值分析軟件

3 使用案例

根據上述設計理念設計的新型鉆頭，在塔里木克深區塊山前高陡構造使用。

圖4 6翼和5翼金剛石鉆頭

3.1 新型金剛石鉆頭鉆（圖4）進技術指標統計（表1）

3.2 鄰井同井段以往金剛石鉆頭鉆進數據（表2）

表1 新型金剛石鉆頭鉆進技術指標

表2 鄰井同井段以往金剛石鉆頭鉆進數據

不難看出，高效金剛石鉆頭應用取得良好效果，機械鉆速有不同程度提高。縮短了鉆井液浸泡地層的時間，為山前高陡構造的提速提供了重要技術支撐。

4 認識與結論

（1）通過鉆頭剖面、布齒技術及鉆頭穩定性力平衡研究和優化設計，增強了金剛石鉆頭穿夾層和硬地層能力，機械鉆速提高、鉆頭使用壽命延長。

（2）采用專業水利及鉆頭受力檢測軟件，在現場應用推廣中得到驗證。

（3）使用中還應根據不同地層巖性變化相應調整技術參數，以防止鉆頭先期損壞，造成不必要的浪費。