槽形反循環PDC刮刀鉆頭設計與應用

巫 剛，張永星

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆頭廠，黑龍江大慶163461）

1 概述

反循環鉆井是指鉆井液從井筒環空流入，經鉆頭、鉆具內孔返出的一種鉆井工藝，具有減少地層漏失、延長泥漿泵使用壽命、井控靈活等優點，目前反循環鉆井工藝已在大慶油田表層鉆井中推廣應用。

大慶探區表層井鉆井作業地層主要是明水組，巖性以泥巖、泥頁巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖為主。常規反循環鉆頭的切削齒采用連續布置的方式進行徑向布齒設計，鉆頭在使用過程中出現了如下問題：一是鉆頭在鉆井過程中工具面不穩定，需要頻繁調整，延長鉆井作業時間；二是鉆頭不能有效鉆進，機械鉆速太低；三是鉆頭磨損嚴重，造成鉆頭提前失效。因此，為了提高鉆頭在表層井作業中的機械鉆速，提高鉆頭穩定性并延長鉆頭的使用壽命，需要針對表層井反循環鉆井的作業特點和地質情況對反循環鉆頭結構進行優化設計,設計了一種新型的槽形反循環PDC刮刀鉆頭（見圖1）。

圖1 槽形反循環PDC刮刀鉆頭結構

2 鉆頭優化設計

2.1 刀翼輪廓設計

井底巖石的形狀對于鉆頭的破巖效率影響較大，為了提升鉆頭的破巖效率、抑制鉆頭的橫向振動，對鉆頭刀翼輪廓形狀進行了優化設計，將其設計為臺階式不連續凹槽結構（見圖2），凹槽布置在鉆頭刀翼的合適位置，并貫通刀翼，在凹槽的底面布置次級切削齒。具有這種刀翼形狀的鉆頭在破巖時會在井底相應位置形成凸起的巖脊（見圖3），巖脊自身的強度顯著下降，易發生破碎，形成大尺寸巖屑，從而達到降低鉆頭功耗、提高機械鉆速的目的。同時，由于井底巖脊的存在，當鉆頭向某一個方向發生偏移時，巖脊對切削齒產生一個與鉆頭偏移方向相反的阻力，抑制鉆頭的橫向移動，從而增強鉆頭的穩定性。

圖2 鉆頭刀翼輪廓及徑向布齒設計

圖3 巖脊模型圖

2.2 切削結構設計

鉆頭的切削結構設計主要包括切削齒尺寸的選擇、布齒密度的選擇、切削齒分布設計、切削齒工作角度設計等。

（1）切削齒尺寸及布齒密度的選擇。不同尺寸的切削齒適用于不同硬度的地層，為了使鉆頭設計人員能更好地選擇切削齒，根據經驗和現場實踐，建立了地層可鉆性等級和切削尺寸的關系，見表1。基于大慶探區表層井段的地質特點，為了提高鉆頭的破巖效率，同時在兼顧鉆頭耐磨性前提下，新型鉆頭的主切削齒選用1913復合片，次級切削齒選用1308復合片，布齒密度采用中等密度布齒設計。

表1 切削齒尺寸與地層可鉆性的經驗關系

（2）切削齒分布設計。鉆頭切削齒的分布設計的目的是合理地把切削齒布置在鉆頭表面，使之磨損均勻。切削齒分布設計的具體步驟為：確定刀翼數量、設置最小布齒間隙和布齒順序，以同一刀翼上相鄰切削齒互不干涉為原則，以直線方式布置切削齒，綜合考慮水力清洗和力平衡，優化布齒方案（徑向布齒圖見圖2）。

（3）切削齒工作角度設計。鉆頭切削齒后傾角的大小決定了切削齒攻擊地層的能力，大的后傾角可以增強鉆頭的抗沖擊能力和抗研磨能力，小的后傾角可以提高機械鉆速。鉆頭的后傾角設計需要考慮其對鉆頭切削效率的影響，鉆頭的后傾角越大，鉆頭的軸向切削能力和側向切削能力會降低。綜合考慮鉆頭的吃入能力和使用壽命等因素，新型鉆頭切削齒的后傾角設計為15°~20°。

鉆頭切削齒側轉角的作用是使切削齒在切削地層時，對齒前巖屑產生側向推力，使巖屑向鉆頭外緣移動，防止鉆頭泥包。為了增強鉆頭的排屑能力，將切削齒的側轉角設計為0°~10°。

（4）鉆頭力平衡設計。常規反循環鉆頭在鉆進過程中出現的工具面不穩、鉆頭漂移等現象是由鉆頭穩定性差造成的，鉆頭的振動是其穩定性差的主要表現形式。鉆頭的橫向振動是由鉆頭的渦動導致，而鉆頭的欠平衡力是引起鉆頭渦動的主要原因。通過合理的布齒設計，可以有效地控制鉆頭欠平衡力的大小。

切削齒的受力是由其在鉆頭上的空間位置決定的，而切削齒的空間位置是由以下因素來決定的：徑向位置、周向角度、法向角、后傾角、側轉角、切削齒出露高度等。通過對切削齒布置的優化設計，將新型鉆頭的欠平衡力控制在鉆壓的5%以內，保證了鉆頭的穩定性。

2.3 保徑結構設計

常規反循環鉆頭在使用過程中存在保徑部分過度磨損的問題，為了解決這一問題，將保徑結構設計為雙級保徑結構，保徑段長度分別為98mm和189mm，保徑段全覆蓋布置1913保徑切削齒。這一設計既解決了鉆頭保徑部分過度磨損的問題，又保證了井壁質量。

針對設計方案，使用Creo軟件進行鉆頭的可視化建模，輸出三維模型，利用數控火焰切割機和DMU80P五軸數控加工中心加工刀翼，確保加工質量和精度符合設計要求，通過釬焊和CO2氣體保護焊工藝進行焊接，生產出新型鉆頭成品（見圖4）。

圖4 槽形反循環PDC刮刀鉆頭成品

3 現場應用

2020年新型的槽形反循環PDC刮刀鉆頭在杏8區塊進行了現場試驗，單只鉆頭能完鉆10口井，鉆頭進尺1020m，平均機械鉆速68.56m/h，試驗數據見表2。現場試驗表明新型反循環PDC刮刀鉆頭與常規反循環鉆頭相比，平均機械鉆速提高了7.54m/h，鉆頭進尺增加了110m，鉆頭起出后發現該鉆頭正常磨損，鉆頭的綜合性能滿足鉆井公司的作業需求。

表2 槽形反循環PDC刮刀鉆頭現場試驗數據表

4 結論

通過對反循環PDC刮刀鉆頭的剖面形狀、布齒技術、保徑結構等進行優化設計，能有效提高鉆頭的機械鉆速、增強鉆頭的穩定性和抗研磨性。槽形反循環鉆頭與常規反循環鉆頭相比，鉆頭進尺和機械鉆速有了大幅提高，鉆頭在鉆進過程中工具面穩定，具有很高的推廣價值。