沖擊類鉆井提速工具專用PDC鉆頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王建龍，于志強(qiáng)，王 波，郭 菲，柳 鶴，劉 軒，趙 虹

(1.中國石油集團(tuán) 渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450；2.中國石油集團(tuán) 渤海鉆探第五鉆井分公司，河北 河間 062465)

沖擊類提速工具主要包括周向沖擊、軸向沖擊和復(fù)合沖擊工具，該類型工具主要是在深部硬地層，巖石硬度高、可鉆性差的地層中，保護(hù)鉆頭、提高機(jī)械鉆速[1-3]。其中，技術(shù)成熟、應(yīng)用規(guī)模最大的沖擊類提速工具主要有扭力沖擊器和螺桿式液動沖擊器兩種。國外阿特拉斯能源技術(shù)公司、貝克休斯及國民油井等公司的沖擊類提速工具比較成熟，為了更好地發(fā)揮工具的作用，需配套專用PDC鉆頭。國內(nèi)中石油鉆井院、渤海鉆探工程院和勝利油田鉆井院等都研制出了不同類型的沖擊類提速工具，但均無配套專用PDC鉆頭，整體應(yīng)用效果不理想。究其原因主要有兩個(gè)方面：一是，由于工具結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和加工工藝等原因?qū)е碌墓ぞ咝阅懿环€(wěn)定；二是，所用PDC鉆頭與工具匹配性差，工具的沖擊能量利用率低，未發(fā)揮出工具的作用。

為了充分發(fā)揮沖擊類提速工具的沖擊破巖效果，本文通過調(diào)研、理論分析與模擬等方法，評價(jià)了沖擊類提速工具與地層和PDC鉆頭的適應(yīng)性，以此設(shè)計(jì)了專用PDC鉆頭，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 沖擊鉆井工具適應(yīng)性分析

1.1 扭力沖擊器

深部致密泥巖地層由于埋藏深、壓實(shí)程度強(qiáng)，巖石的硬度高、塑性和研磨性強(qiáng)，可鉆性差。常規(guī)的“螺桿鉆具+PDC鉆頭”在該類型地層中鉆進(jìn)時(shí)，PDC鉆頭吃入地層困難，鉆頭容易產(chǎn)生黏滑現(xiàn)象，使得鉆柱和鉆頭做無規(guī)則運(yùn)動(如圖1)，破巖效率低[4-5]。然而，大量的現(xiàn)場試驗(yàn)和國內(nèi)外學(xué)者研究表明，扭力沖擊器在深部硬塑性泥巖地層中能夠消除鉆頭的黏滑效應(yīng)，保護(hù)PDC鉆頭，提高機(jī)械鉆速[4,6]。

圖1 深部地層鉆柱運(yùn)動狀態(tài)示意

扭力沖擊器(如圖2)屬于高頻扭轉(zhuǎn)沖擊工具，是將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻的(頻率750～1 500 min-1) 、周期性的周向沖擊力(約2 kN)，并直接作用在鉆頭上。這種高頻沖擊力改變了鉆頭的運(yùn)動狀態(tài)，鉆頭不需要等待扭力蓄積到一定程度就可以破碎巖石，使得整個(gè)切削地層的過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效保護(hù)了鉆頭、提高了硬地層機(jī)械鉆速[7]。

1.2 螺桿式液動沖擊器

深部硬脆性地層具有硬度高、研磨性強(qiáng)、脆性強(qiáng)、可鉆性差的特點(diǎn)，常規(guī)的“螺桿鉆具+PDC鉆頭”很難吃入地層，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆頭磨損嚴(yán)重。在硬脆性地層中鉆進(jìn)時(shí)，施加鉆壓越大，鉆頭吃入地層的深度越深；鉆頭切削齒與地層的接觸面積越小，

1—外殼短節(jié)；2—液動錘外殼；3—液動錘；4—傳動接頭；5—分流器；6—啟動器；7—導(dǎo)流器。

破碎巖石效率越高。因此，可以通過增加鉆壓或者減小鉆頭切削齒與地層的接觸面積，提高硬脆性地層的破巖效率。大量的研究和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，螺桿式液動沖擊器(如圖3)在可鉆性級值4級以上、抗壓強(qiáng)度大于100 MPa的硬脆性地層中提速效果最佳[5,8-10]。

1—防掉總成；2—馬達(dá)總成；3—萬向軸總成；4—沖擊振動總成。

螺桿式液動沖擊器屬于軸向沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井工具，將螺桿鉆具和沖擊器集成在一起，形成了具有軸向高頻沖擊功能的螺桿式?jīng)_擊器，既有螺桿鉆具傳輸轉(zhuǎn)速和扭矩的作用，又能產(chǎn)生周期性高頻(900～1 200 min-1)軸向沖擊力(0.5～2.0 kN,可調(diào))。兩者共同作用在鉆頭上，鉆頭在靜壓旋轉(zhuǎn)和軸向高頻沖擊載荷聯(lián)合作用下，破巖效率大幅提高。

2 PDC鉆頭參數(shù)與沖擊能量利用率分析

為了分析PDC鉆頭的截面積與長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對沖擊類提速工具的能量利用率影響規(guī)律，建立了能量利用率模型。沖擊類提速工具與PDC鉆頭組成的沖擊系統(tǒng)由沖擊器(軸向或周向)-PDC鉆頭-巖石組成。利用該模型進(jìn)行分析認(rèn)為，當(dāng)沖擊類提速工具將沖擊能量傳遞給鉆頭時(shí)，由于鉆頭和沖擊類提速工具軸向上與巖石接觸的原因，必然會產(chǎn)生一定的沿程損失。因此，考慮沖擊系統(tǒng)存在波阻抗等因素，推導(dǎo)出沖擊類提速工具能量利用率公式[6]：

(1)

式中：η為能量利用率；S為鉆頭截面積，m3；E為鉆頭和沖擊類提速工具的彈性模量,MPa；Z為波阻系數(shù)；l為鉆頭和沖擊類提速工具沖擊接頭總長，m；k為巖石的抗壓強(qiáng)度，MPa。

基于式(1)，模擬分析了不同抗壓強(qiáng)度條件下，沖擊類提速工具能量利用率與鉆頭截面積和鉆頭長度的關(guān)系，并繪制如4～5曲線。

模擬結(jié)果表明，鉆頭截面積越大、鉆頭長度越短，沖擊類提速工具沖擊能量利用率越高，越能發(fā)揮出工具的沖擊破巖能力。因此，沖擊類提速工具匹配的PDC鉆頭首先是截面積要盡可能的大、鉆頭長度要盡可能的短。

圖4 沖擊類提速工具能量利用率與鉆頭截面積關(guān)系

圖5 沖擊類提速工具能量利用率與鉆頭長度關(guān)系

3 專用PDC鉆頭設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[11-13]

在沖擊類提速工具提高破巖效率機(jī)理基礎(chǔ)上，根據(jù)硬地層對鉆頭的要求，考慮沖擊類提速工具與鉆頭匹配分析，對沖擊類專用PDC鉆頭進(jìn)行了個(gè)性化設(shè)計(jì)。

3.1 扭力沖擊器專用PDC鉆頭結(jié)構(gòu)

為了提高耐磨性，采用5刀翼、雙排布齒結(jié)構(gòu)。綜合考慮鉆頭攻擊性和抗沖擊性，設(shè)計(jì)13 mm復(fù)合片和23°后傾角。為了提高沖擊能量利用率，縮短了鉆頭長度，增大了鉆頭截面積，鉆頭夾持部位長度設(shè)計(jì)為50 mm，較常規(guī)PDC鉆頭長度縮短30%。為了保證復(fù)合片的快速冷卻，采用深排水槽設(shè)計(jì)。為了提高鉆頭冠部主體強(qiáng)度，設(shè)計(jì)鋼體PDC鉆頭。扭力沖擊器專用PDC鉆頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該P(yáng)DC鉆頭配合扭力沖擊器在玉門油田某井中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，鉆遇地層為深部白堊系-志留系，地層巖石硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，可鉆性級值7～9級。使用井段4 520～4 604 m，平均機(jī)械鉆速1.12 m/h，較鄰井同井段“螺桿鉆具+常規(guī)PDC鉆頭”機(jī)械鉆速(0.75 m/h)提高49.3%。鉆頭出井之后，出現(xiàn)輕微磨損，未出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象，與扭力沖擊器匹配性較好，提速效果明顯。

a 端面

b 側(cè)面

3.2 螺桿式液動沖擊器專用PDC鉆頭結(jié)構(gòu)

為了提高耐磨性，采用6刀翼、雙排布齒結(jié)構(gòu)；綜合考慮鉆頭攻擊性和抗沖擊性，設(shè)計(jì)前排15 mm復(fù)合片、后排13 mm脊型鋼齒、21°后傾角；為了提高沖擊能量利用率，縮短了鉆頭長度，增大了鉆頭截面積，鉆頭夾持部位長度設(shè)計(jì)為50 mm，較常規(guī)PDC鉆頭長度縮短30%。為了保證復(fù)合片的快速冷卻，采用深排水槽設(shè)計(jì)；為了提高鉆頭冠部主體強(qiáng)度，設(shè)計(jì)鋼體PDC鉆頭。脊型齒分布于后排齒肩部，優(yōu)先與地層接觸，能夠瞬間將分散的載荷集中于較小面積的巖層，提高破巖效率；脊形齒鉆頭與地層接觸面積小，更易形成破碎坑，提高破巖效率。螺桿式液動沖擊器專用PDC鉆頭結(jié)構(gòu)如圖7所示。

該P(yáng)DC鉆頭配合液動沖擊器在冀東油田某井中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，鉆遇地層為沙河街地層，主要巖性為細(xì)砂巖夾雜礫巖、玄武巖，地層巖石硬度高、研磨性強(qiáng)，可鉆性級值5～7級。使用井段2 907～3 410 m，平均機(jī)械鉆速3.98 m/h，較鄰井同井段“螺桿鉆具+常規(guī)PDC鉆頭”機(jī)械鉆速(2.85 m/h)

a 端面

b 側(cè)面

提高39.6%。鉆頭出井之后，復(fù)合片出現(xiàn)輕微磨損，脊型鋼齒磨損嚴(yán)重，總體設(shè)計(jì)原則與螺桿式液動沖擊器相匹配。優(yōu)化重點(diǎn)是如何提高后排脊型鋼齒的使用壽命，建議考慮更換成錐球形PDC齒，例如斯倫貝謝研發(fā)的的Stinger錐球齒PDC鉆頭。

4 結(jié)語

扭力沖擊器適用于深部硬塑性地層，螺桿式液動沖擊器適用于深部硬脆性地層。為了更好地發(fā)揮沖擊性能，需要配備專用的PDC鉆頭，提高沖擊能量的利用效率。模擬結(jié)果表明，鉆頭截面積越大、鉆頭長度越短，沖擊能量利用率越高，越能發(fā)揮出工具的沖擊破巖能力。為了提高沖擊能量利用率，盡可能縮短鉆頭長度，增大截面積；為了提高沖擊類PDC鉆頭的抗研磨性，設(shè)計(jì)5～7刀翼，雙排高密度布齒；兼顧鉆頭的攻擊性和抗沖擊性，切削齒后傾角設(shè)計(jì)為20～25°；為了提高鉆頭冠部主體強(qiáng)度，設(shè)計(jì)鋼體鉆頭。另外，建議借鑒Stinger錐球齒PDC鉆頭設(shè)計(jì)，優(yōu)化螺桿式液動沖擊器專用PDC鉆頭，提高抗沖擊性能。