大慶油田登婁庫組PDC鉆頭設計與應用

巫 剛，陳瑞誠

（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

PDC 鉆頭在軟到中地層具有機械鉆速高、鉆頭進尺多和使用壽命長的特點，但在中到硬的地層存在機械鉆速低和進尺少的問題。大慶油田登婁庫組地層埋藏深度在3000～3600m左右，巖性以深紫色泥巖、灰色泥質粉砂巖、深紫色粉砂質泥巖、綠灰色泥巖、灰色含礫粗砂巖等為主。常規PDC 鉆頭在使用過程中出現了如下問題：一是鉆頭不能有效鉆進，機械鉆速低；二是鉆頭磨損嚴重，使用壽命短；三是鉆頭進尺少，增加了鉆井作業成本。

針對大慶油田登婁庫組地層的地質特點，結合大慶鉆探工程公司的“三大兩高”（大排量、大鉆壓、大扭矩，高轉速、高泵壓）提速策略，開展登婁庫組地層PDC鉆頭結構的個性化設計工作，設計了一種新型的登婁庫組地層高效PDC鉆頭。

2 地質情況

大慶油田各區塊登婁庫組地層埋藏深度差異較大，巖石均質性較差，為此開展了登婁庫組巖石機械破碎特性參數測試工作，全面評價了各區塊登婁庫組巖石的硬度、塑性系數、可鉆性等參數，為開展登婁庫組PDC鉆頭的個性化設計工作提供理論參考。

巖石硬度是指巖石抵抗其它物體壓入的破碎強度，即在壓頭壓入巖石后，巖石產生第一次體積破碎時接觸面上單位面積的載荷。利用全自動巖石硬度測定儀對登婁庫組巖石的硬度參數進行了測試，參照巖石史氏硬度的分類標準，將巖石硬度定級為4～6級，屬于中軟—中硬地層。

巖石塑性系數是指巖石在壓頭壓入后，巖石產生第一次體積破碎時破碎消耗的總功與彈性變形功的比值，本文利用圓柱壓入法的實驗方法來獲取登婁庫組地層巖石塑性系數。經實驗測試獲得登婁庫組地層巖石塑性系數為1.03～1.75，參照巖石塑性系數的分類標準，可知登婁庫組地層屬于低塑性—脆性地層。

巖石的可鉆性可理解為鉆井過程中巖石抗破碎強度的能力，它表征巖石破碎的難易程度。本文采用微鉆速的實驗方法來評價巖石的可鉆性，獲取可鉆性級值后，參照巖石可鉆性分級標準對照表，將登婁庫組巖石可鉆性定級為4～10級。

3 PDC鉆頭優化設計

3.1 PDC鉆頭冠部輪廓設計

合理的PDC 鉆頭冠部輪廓結構特征參數對鉆頭切削齒的切削效率、水力清洗效果、鉆頭穩定性能具有重要的影響。PDC鉆頭冠部設計需要滿足三個基本要求:

（1）按照PDC 鉆頭等切削原則設計PDC 鉆頭時，冠部形狀應當保證鉆頭上的各切削齒的切削量均勻，磨損量大致均衡。

（2）在冠面上有足夠的布齒空間和排屑空間，便于復合片在冠部表面布置。

（3）冠部輪廓形狀方便加工成型。冠部形狀按等切削原則設計時，冠部形狀就應盡可能保證實現鉆頭上的每一顆切削齒有大致相等的切削體積。這樣盡可能保證鉆頭切削齒磨損均勻，按等切削原則設計時的理論冠部曲線方程式為：

由前文可知登婁庫組地層可鉆性較差，研磨性較高，為使鉆頭受力均勻、磨損均勻，采用較平緩的冠部剖面，同時適當延長外錐長度，增大布齒面積，提高鉆頭的使用壽命和排屑效果；另外，為了提高鉆頭穩定性，刀翼設計一定的錐角（154°）。綜合考慮PDC 鉆頭鉆進速度、抗沖擊性和抗研磨性，鉆頭采用淺內錐、中外錐單圓弧型剖面結構（見圖1）。

3.2 切削結構設計

PDC鉆頭的切削結構設計主要包括切削齒尺寸及布齒密度的選擇、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。同等磨損條件下，切削齒直徑越大其磨損面積越大，因此直徑由大到小的切削齒適應于由軟地層到硬地層作業的鉆頭。大慶油田登婁庫地層可鉆性定級為4～10級，可鉆性屬于軟到中，結合切削齒尺寸與地層可鉆性的經驗關系（見表1），鉆頭的主切削齒選用直徑15.88mm 的復合片，保徑切削齒選用直徑13.44mm的復合片，布齒密度選用中等密度布齒，以達到提高鉆頭破巖效率、增強鉆頭耐磨性能、延長鉆頭使用壽命的目的。

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。PDC 鉆頭切削齒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。切削齒分布設計主要包括徑向分布設計和周向分布設計。

切削齒徑向分布設計是在鉆頭半徑平面內沿冠部外形輪廓布置切削齒，確定中心齒、保徑齒和其他各齒的徑向位置，得到徑向分布圖(圖2)，它反映了切削齒的分布密度和在井底的覆蓋情況。

切削齒的周向分布設計是在垂直于鉆頭軸線平面內按一定方式確定切削齒的周向位置角。依據鉆頭力平衡設計原則，新型PDC鉆頭采用了不對稱六刀翼結構設計，即鉆頭各刀翼上的切削齒周向角分布不對稱（見圖3）。

（3）切削齒工作角度設計。PDC 鉆頭切削齒工作角對切削齒的切削效率和工作性能有著重要影響，切削齒最重要的兩個工作角是后傾角和側轉角。后傾角決定切削齒作用于地層力的方向，合理的后傾角能提高切削效率、保護切削齒、延長鉆頭的壽命，有助于提高鉆速。側轉角決定齒前切屑的排屑力的方向，反映工作面方向與切削齒對齒前切削側向作用力的大小及方向之間的關系，合理的側轉角有利于鉆頭清洗和巖屑運移，有效避免鉆頭泥包發生。

結合大慶油田登婁庫組地層的地質情況，綜合考慮切削齒的切削效率、鉆頭穩定性和使用壽命，將PDC鉆頭后傾角設定為12°～22°，從內錐到鼻部，齒前角由小逐漸變大，從鼻部到外錐，齒前角由大變小。

考慮到登婁庫地層主要由泥巖和砂巖組成，鉆頭在泥巖地層鉆進時易發生泥包現象，為了提高鉆頭的排屑和防泥包能力，將切削齒的側轉角控制在0°～10°之間。

3.3 鉆頭水力結構設計

PDC 鉆頭的井底清巖、切削齒的潤滑和冷卻都是靠射流的沖擊和射流到達井底后產生的漫流橫推作用完成的。射流對井底的沖擊產生的清巖作用是靠沖擊壓力的不均勻性實現的，用“壓力梯度”來衡量這種不均勻性的大小。“壓力梯度”越大巖屑越易翻轉，清巖效果越好，鉆頭不易產生重復破碎而提高鉆頭的技術指標。PDC 鉆頭的水力結構設計的目的在于通過提高“壓力梯度”來增強切削、清洗、潤滑和冷卻效果。

利用三維造型設計軟件和計算流體動力學仿真軟件（CFD）進行PDC鉆頭水力結構的設計，主要包括以下兩點。

（1）鉆頭噴嘴形狀的選擇。流線型噴嘴的流量系數高，射流的擴散角小，等速核較長，能量轉換效率高，鉆頭實際得到的水力功率高，因此，將PDC 鉆頭噴嘴的內流道形狀設計成了流線型。

（2）噴嘴分布設計。PDC 鉆頭噴嘴的分布采用組合式鑲裝，即選擇不同出口直徑的噴嘴，使射流的沖擊壓力不同，以形成較大的井底“壓力梯度”。為使巖屑向井壁方向翻轉，充分清洗井底巖屑，將出口直徑相對小的噴嘴鑲裝在距鉆頭的中心較遠的位置，將出口直徑相對大的噴嘴鑲裝在距鉆頭中心較近的位置，噴嘴具體分布參數見表2。

表2 鉆頭噴嘴分布參數

4 現場應用

2021 年針對大慶油田登婁庫組地層設計的215S5626 型PDC 鉆頭進行了現場應用，鉆頭進尺為202.3m，平均機械鉆速為5.69m/h。與鄰井常規鉆頭相比，新型鉆頭進尺增加了12%，機械鉆速提高了11%，新型鉆頭的綜合性能滿足鉆井公司的作業需求。鉆頭試驗數據見表3，使用后鉆頭磨損情況見圖4。

5 結論

針對大慶油田登婁庫組地層的地質情況和鉆井作業需求，對PDC鉆頭的冠部輪廓、切削結構、水力結構等進行優化設計，設計了一種適應于登婁庫組地層作業的新型PDC鉆頭，該型鉆頭有效增加了鉆頭進尺，提高了鉆頭機械鉆速，延長了鉆頭使用壽命，滿足了鉆井公司的作業需求，具有較高的推廣價值。

表3 PDC鉆頭現場試驗數據表