超高溫地熱鉆井高效耐磨PDC鉆頭研制及應用

胡書鍇，田 鋒，李漢月，穴 強，郭敬屯，高清春，張召峰，于洪波

(1長江大學 2中國石油集團渤海鉆探工程公司第三鉆井分公司 3中國石油集團渤海鉆探工程公司定向井分公司 4中國石油集團長城鉆探工程有限公司)

地熱資源是一種清潔高效的非常規新能源，加強地熱能高效開發，是當前國內外能源形勢的客觀需求[1-2]。肯尼亞地熱富集區地層主要由火山噴發巖沉積的開放性隆起構造組成，鉆井難度大[3-4]。以OLKARIA區塊為例，從地表到目的層都由火山巖組成。除地層巖石硬、研磨性高等特性之外，地層溫度極高，地表300 m溫度高達180℃以上，深井最高溫度達350℃。出于對PDC鉆頭切削齒熱磨損效應的考慮，認為高溫地熱鉆井中不適合使用PDC鉆頭，因此，國內外在解決高溫地熱井所遇到的問題時，多是基于牙輪鉆頭來開展的[5-7]，很少將PDC鉆頭應用于高溫地熱鉆井中，導致地熱鉆井效率不夠理想。

本文通過對高溫地熱鉆井鉆頭破巖機理的學習和認識，結合高研磨性地層PDC鉆頭設計經驗，通過優化PDC切削齒結構，創新PDC扁噴嘴水眼結構，優選耐熱耐沖擊PDC復合片并突破國內脫鈷技術極限，設計并研制了超高溫地熱PDC鉆頭，在現場取得了成功應用。

一、超高溫地熱PDC鉆頭設計

1.切削結構設計

肯尼亞地熱鉆井地層巖石自2 500 m以下井段，以粗面巖、凝灰巖和玄武巖為主，含有石英、赤鐵礦、正長石等中等硬度、較高研磨性巖石成份，巖石可鉆性級值在6級左右，主要采用空氣泡沫鉆井工藝[8]和牙輪鉆頭鉆進[7]，但鉆進效率不夠理想。

根據現場調研的鉆頭使用情況及高研磨性硬地層PDC鉆頭設計經驗，設計了一種適用于?215.9 mm井眼的地熱鉆井PDC鉆頭。采用5刀翼胎體式結構，保徑長度：94 mm，主切削齒：21枚/?19 mm，規徑齒：12枚/?16 mm，二級后備齒：17枚/?16 mm，倒劃眼齒：5枚/?16 mm。其三維模型如圖1所示。

圖1 PDC鉆頭3D設計模型圖

利用現有PDC鉆頭數字化鉆進分析技術[9]對該PDC鉆頭進行了數字化仿真分析，發現在鉆頭吃深為1.00 mm/轉(鉆速4.50 m/h左右)時，在鉆頭180°方向上形成了一個較大橫向力。分別對各刀翼的翼間角調整優化為：82.03°、70.69°、77.94°、64.30°。通過優化調整可使該鉆頭橫向不平衡力系數控制在0.064以內，滿足工程要求。

通過仿真分析還發現，在一個單位時間段內第11、13號齒的切削體積相對于其他齒明顯偏高，而這顆齒正好位于鉆頭冠頂位置的外側鉆頭最易受到破壞的部分，而第4和第15顆齒的切削體積又相對較小，如圖2所示。

圖2 PDC鉆頭各切削齒切削體積分布圖

后續鉆頭設計主要針對以上問題進行相應調整，比如通過調整這些齒的定位半徑，使其各切削齒的瞬時切削體積的分布更加規律，并進一步降低鉆頭橫向不平衡力系數。

2.“扁噴嘴”水力結構設計

PDC鉆頭應用于高溫環境下的地熱鉆井施工，金剛石復合片的熱磨損應為鉆頭主要失效形式之一，因此在特殊環境下如何提高鉆頭的冷卻效率，應為地熱鉆井用PDC鉆頭水力結構設計的關鍵。從提高鉆井循環介質循環效率，強化冷卻能力的角度考慮，提出了一種新的水眼結構設計方案——“扇形扁噴嘴”(簡稱“扁噴嘴”)結構。該噴嘴的出口形狀為類矩形結構，如圖3所示。

圖3 “扁噴嘴”水力結構設計

在相同的排量及泵壓下，常規鉆頭由于噴嘴過流面積小且噴嘴數量較少，總過流面積小，因此整體噴射流速較高；對于“扁噴嘴”鉆頭，其有效過流面積增大，整體流速有所降低，且鉆頭處壓耗較低，可更有效利用鉆井循環系統的水力能量。而且，“扁噴嘴”對于整個刀翼的冷卻清洗較為均勻，切削齒表面流速值的梯度比較平緩，并且在高切削量的位置流速相對較高，這一特點尤其適合于地熱鉆井，明顯優化提高了水力能量的分配，降低了出現部分齒熱量過高的情況。數值模擬表明：相比傳統噴嘴，“扁噴嘴”水力結構能夠使切削齒表面流速分布更均勻，巖屑運移及切削齒的冷卻效果更好，如圖4所示。

圖4 扁噴嘴介質流速云圖

3.PDC復合片優選

PDC復合片是鉆頭的最重要的切削元件，“熱磨損”現象是難鉆地層PDC鉆頭切削齒失效的主要原因。因此，在高溫地熱井PDC鉆頭的研制過程中，除了在水力結構設計采用針對性的冷卻措施以外，還必須在耐熱、耐沖擊高性能PDC復合片技術上下功夫。

共選取了六種性能較好的PDC復合片作為優選對象，其中包括國外三家公司的四種齒和國內具有代表性的兩家公司的兩種齒。分別開展了C掃描分析、表面SEM檢測、VTL濕磨檢測、落錘沖擊檢測、旋轉沖擊檢測和脫鈷層檢測等七項檢測分析。具體指標參數見表1所示。

表1 PDC復合片樣品規格參數

實驗測試分析結果表明，從耐磨性上，1613XM、1308CKF、1613PR、1613GOS和1613C五種齒的耐磨性能均較好，且差異不大。而從沖擊載荷測試實驗中可以看出，1308CKF、1613XM、1613GOS和1613PR四種齒性能相近。而從總體情況來看，國外的切削齒綜合性能較國內兩種齒要高一個層次。在完成基齒的性能比較分析后，將上述六種齒都進行脫鈷技術處理，以增強在地熱鉆井條件下的高溫耐磨、耐沖擊性能。

在制造PDC復合片時通常采用鈷、鎳、鐵作為燒結助劑對金剛石粉進行超高壓高溫燒結，鈷在PDC復合片燒結過程中起到了催化劑的作用，但在PDC復合片的使用過程中造成了破壞性的影響。為此，引入了復合片“脫鈷”技術思想。所謂“脫鈷”，就是通過各種技術工藝手段，使復合片中彌散分布的鈷析出，從復合片的金剛石層脫離，以防止金剛石石墨化和減少熱膨脹帶來的應力集中裂紋，提高PDC復合片的耐熱性和耐磨性。復合片經脫鈷后，其抗磨性能可得到顯著提高(室內實驗測試結果表明，耐磨壽命最高可達一個數量級之多)。

對上述六種基齒進行脫鈷處理后，開展了脫鈷PDC復合片耐磨性能檢測、旋轉沖擊檢測和脫鈷層深度分析。結果表明，1613GOS齒和1613ZT齒耐磨性能相當，耐磨性較強；1613C齒和1308CKF齒耐磨性能相當，耐磨性適中；1613PR齒和1613XM齒性能相當，耐磨性較差。其中的1613GOS齒抗沖擊性性能優異，在實驗標定測試條件下，可承受6 052次沖擊載荷，且發生崩損后刃口小，裂紋擴展不明顯，具備了應用于肯尼亞地熱鉆井鉆頭的切削齒的高溫耐磨性、高抗沖擊性等綜合力學性質。1613GOS復合片同樣具有良好的脫鈷性能，脫鈷深度達到了0.42～0.5 mm(國外最大脫鈷深度為0.6 mm)，耐磨性能顯著提高，從而為深部難鉆地層高性能個性化金剛石鉆頭提供了有力的關鍵材料保障。

二、現場應用效果

選取了肯尼亞項目某地熱井2 000 m以下井段進行了現場試驗。試驗井段為2 497～3 000 m(斜井段，井斜角20°)，巖性為粗面巖、黑花崗巖、微花崗巖，2 600 m以后以微花崗巖為主。鉆頭在2 497 m入井，一直鉆到設計井深3 000 m，總進尺503 m，純鉆時間67.2 h，平均鉆速為7.5 m/h。

與同平臺3口鄰井(使用牙輪鉆頭)鉆井情況進行了對比，對比情況見表2。由表2中數據可以看出，PDC鉆頭進尺比牙輪鉆頭的平均單只進尺提升了465.2%，相當于6.3只牙輪鉆頭的進尺，純鉆時間提升了194.0%，ROP提升了91.8%。

表2 PDC鉆頭與鄰井三牙輪鉆頭性能指標對比

三、結論

(1)研制了超高溫地熱井專用PDC鉆頭。設計了新型“扁噴嘴”水力結構，增強了高溫冷卻效果；優選抗沖擊復合片，突破國內復合片深脫鈷技術極限，提高了切削齒耐熱、耐磨、耐沖擊性能。

(2)研制的超高溫地熱鉆井專用PDC鉆頭平均機械鉆速7.49 m/h，相比牙輪鉆頭提升91.8%，單只專用PDC鉆頭的進尺相當于以前的4～9只牙輪鉆頭，極大地提高了高溫地熱井鉆井效率。