四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊“一趟鉆”PDC鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用

謝 金，田東彬，田 波，齊昌利，王海斌

（1.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280；2.渤海鉆探第一鉆井工程分公司，天津 300280）

0 引言

威遠(yuǎn)構(gòu)造位于川中古隆平緩構(gòu)造區(qū)威遠(yuǎn)至龍女寺構(gòu)造群，為樂山—龍女寺加里東古隆起上形成的一巨型近穹隆狀的背斜構(gòu)造。二開井段鉆遇層位較多，須家河段以砂巖為主對鉆頭抗研磨能力要求較高，雷口坡、嘉陵江組地層有灰?guī)r硬夾層及石膏層軟硬交錯，龍?zhí)督M鋁土質(zhì)泥巖、頁巖夾凝灰質(zhì)粉砂巖及黑色煤軟硬交替，茅口及棲霞部分井段部分含黃鐵礦、燧石結(jié)核。

當(dāng)鉆頭瞬間過渡到軟地層的時候，鉆頭瞬間吃入地層深度加大，產(chǎn)生較高的扭矩，甚至?xí)锿?。?dāng)鉆頭在井底反復(fù)粘卡振動時，鉆頭的復(fù)合片就會由于過高的沖擊力而破碎，最終因機(jī)械鉆速降低而起鉆，難以達(dá)到二開“一趟鉆”的既定目標(biāo)。通過不斷改善311.2 mm 五（刀）翼16 mm 齒鉆頭冠部形狀、布齒、水利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出抗軟硬交錯、耐磨性更強(qiáng)的適應(yīng)“一趟鉆”特性鉆頭。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 冠部形狀α

結(jié)合現(xiàn)場施工工況，綜合考慮冠部剖面形狀對破巖效率、鉆頭壽命和穩(wěn)定性影響。選擇“直線—圓弧—圓弧”形狀為基本冠部輪廓曲線（圖1），該鉆頭冠部輪廓采用常規(guī)中等內(nèi)錐結(jié)構(gòu)，既能保證鉆頭穩(wěn)定性又能兼顧攻擊性。冠頂鼻部位置寬大，通過大的表面積達(dá)到優(yōu)異的抗沖擊能力，在大鉆壓工況下能獲得較高的機(jī)速；肩部雙圓弧連續(xù)平緩過渡結(jié)構(gòu)可消除集中載荷點(diǎn)，增加穿硬夾層能力，線性相對較長，可以布置更多的切削齒參與工作，強(qiáng)化鉆頭抗研磨能力，提高鉆頭使用壽命。

在圖1 所示的坐標(biāo)系中，這種直線—雙圓弧剖面可以表示為式（1），剖面參數(shù)按式（2）計(jì)算：

圖1 冠部輪廓曲線

式中 Dp——冠部外徑，mm

R0——冠部半徑，mm

R1——內(nèi)圓弧半徑，mm

R2——外圓弧半徑，mm

α——內(nèi)錐半角，°

H2——外錐高度，mm

H1——內(nèi)錐高度，mm

r02——外圓弧圓心徑向坐標(biāo)，mm

利用式（1）和式（2），給定鉆頭冠部外徑Dp、冠頂半徑R0、內(nèi)錐半角α、內(nèi)圓弧半徑R1、外圓弧半徑R2，就可以確定出具體的冠部剖面形狀。

1.2 刀翼結(jié)構(gòu)及布齒設(shè)計(jì)

為了提高鉆頭的攻擊性和穩(wěn)定性，采用五刀直翼非對稱結(jié)構(gòu)（圖2），相鄰刀翼間夾角為67°～75°，這種直刀翼結(jié)構(gòu)鉆頭刀翼清洗效果好，切削齒能及時得到冷卻，在軟到中等硬度的地層中機(jī)械鉆速較高；同時該結(jié)構(gòu)分散井壁切削力，提高鉆頭穩(wěn)定性。

圖2 布齒結(jié)構(gòu)

切削齒的工作角度是后傾角、側(cè)傾角、法向角（裝配角度）三維合成的。后傾角是其中最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)Hough 研究得出的結(jié)論：軟地層金剛石鉆頭應(yīng)采用10°～20°的后傾角、硬地層采用20°～25°后傾角；1990 年代，Kara-Sawa 和Li 等用后傾角為10°、15°、20°、25°、30°和40°的切削齒切削花崗巖，結(jié)論是隨后傾角的增大，切削齒縱向力、切削力、扭矩都呈增大趨勢。現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，鉆壓和扭矩越大，切削齒切削地層的能力越強(qiáng),且抗沖擊破碎的能力也加強(qiáng)。針對威遠(yuǎn)區(qū)塊二開鉆遇地層的特點(diǎn)及使用后的鉆頭肩部磨損嚴(yán)重，采用Ф16 mm 復(fù)合片同時為主副切削齒，后排齒較前排齒出露低，鉆進(jìn)過程中前排齒磨損到一定程度后，后排齒開始切削地層。作用旨在有效控制PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭的縱向和扭轉(zhuǎn)振動，保障鉆頭機(jī)械鉆速和工作壽命。副齒出露高度對鉆頭性能有著重要影響，高出露會影響主齒吃入地層，低出露則起不到保護(hù)主齒的作用，依據(jù)現(xiàn)場和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將高度差設(shè)定為2 mm。

切削齒后傾角采用由內(nèi)向外漸變的設(shè)計(jì)，區(qū)間設(shè)定為10°～25°，確保鉆頭有較好的攻擊性和使用壽命。設(shè)計(jì)側(cè)轉(zhuǎn)角區(qū)間為1°～12°，以加強(qiáng)鉆頭的清洗和排屑的移運(yùn)，避免切削齒與井底的干涉現(xiàn)象，提高鉆進(jìn)效率。

1.3 刀翼優(yōu)化設(shè)計(jì)

降低刀翼厚度，使流道面積最大化。增大刀翼及排屑槽圓角，形成曲面，刀翼形狀近似流線性，減少流體阻力。刀翼根部增厚，使刀翼背部具有較大的斜面，便于上返巖屑。

1.4 水利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛仙關(guān)組巨厚石膏層，龍?zhí)督M鋁土質(zhì)泥巖，易發(fā)生縮徑、垮塌，尤其是在龍?zhí)督M易出現(xiàn)泥包現(xiàn)象。針對鉆頭出現(xiàn)的泥包現(xiàn)象，使用深寬水槽設(shè)計(jì)，運(yùn)用專業(yè)水力分析軟件，對井底流場進(jìn)行模擬，對配置八噴嘴水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，提高水力運(yùn)移巖屑效果，加強(qiáng)鉆井液對金剛石鉆頭鼻部、肩部位置切削齒的清洗冷卻效果。經(jīng)過分析優(yōu)化后的水力結(jié)構(gòu)是鉆頭在鉆進(jìn)過程中，消除了滯留、回流區(qū)域，有效杜絕鉆頭泥包現(xiàn)象，減少了因巖屑從井底沖洗不及時造成重復(fù)切削的情況。

1.5 防卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防卡結(jié)構(gòu)是在PDC鉆頭倒劃眼位置增每個刀翼在增加一顆二級級倒劃眼齒，新增加的倒劃眼齒圓周半徑較常規(guī)倒劃小，并在兩個倒劃眼齒間增加尖錐齒（圖3）：當(dāng)井壁不穩(wěn)出現(xiàn)較大掉塊，尖錐齒破碎體積過大掉塊使其能隨泥漿返出井口，減少因掉塊卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)；而當(dāng)鉆遇縮徑較重或者易垮塌時底層時，在劃眼過程中雙倒劃眼齒的結(jié)構(gòu)能更快、更有效地修復(fù)井壁，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，減少起下鉆時間。

圖3 防卡結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場應(yīng)用及對比分析

針對四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊地層個性化設(shè)計(jì)的金剛石鉆頭，在須家河至棲霞組須家河至棲霞組威204H47-2 和威204H47-3井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)（表1），所鉆巖性為細(xì)砂巖、頁巖、石灰?guī)r、白云巖、石膏、鋁土質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等，鉆頭平均進(jìn)尺1735.5 m，平均機(jī)械鉆速8.96 m/h，在3 口井實(shí)現(xiàn)了二開“一趟鉆”。

表1 新型金剛石鉆頭與其他金剛石鉆頭的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

針對四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊二開的地層特點(diǎn)，個性化設(shè)計(jì)的新型PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速與單只鉆頭進(jìn)尺均有所提高，實(shí)現(xiàn)了二開“一趟鉆”，縮短了鉆井周期，節(jié)約了鉆井成本。