頁巖氣水平井高效破巖PDC 鉆頭個性化設計

樊思成，黃繼慶，張 斌

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

自2004 年美國“頁巖氣革命”實現大規模開發以來，國內開發利用頁巖氣蓄勢待發，開發前景樂觀。四川境內頁巖氣資源豐富，估算資源量達27.5 萬億立方米，可采資源量達4.42 萬億立方米，資源量和可采資源量均居全國第一[1]。四川海相頁巖已優選出兩套優質頁巖氣含氣層系，分別為志留系龍馬溪組頁巖和寒武系筇竹寺組頁巖，但開發難度大、效率低，所鉆水平井水平段一般需要3 趟鉆以上才能完成。通過采用進口鉆頭配合旋轉導向工具提速，雖然取得了一定的效果，但作業成本較高，不能實現頁巖氣的規模效益開發，亟需開展相關高效破巖鉆頭等提速工具的國產化研究。

1 建立頁巖地層可鉆性剖面

巖石的可鉆性是指在一定鉆進方法下巖石抵抗鉆頭破碎它的能力，它反映了巖石破碎的難易程度[2]，是進行鉆頭選型和技術特征設計的重要依據。在彈性力學理論基礎上，利用鄰井測井數據[3]，建立了長寧—威遠區塊頁巖地層可鉆性剖面，如圖1、圖2 所示。

圖1 長寧區塊頁巖可鉆性剖面

圖2 威遠區塊頁巖可鉆性剖面

通過建立的可鉆性剖面可以獲得長寧—威遠區塊頁巖巖石力學參數，詳見表1。

表1 長寧—威遠區塊頁巖地層巖石力學參數

2 確定鉆頭個性化設計特征

根據頁巖力學參數，長寧—威遠區塊頁巖地層可鉆性極值在5.02～5.65，抗壓強度在93～118 MPa，壓入硬度在1390～1880 MPa，屬于中硬地層。結合目前區塊已使用鉆頭技術特征統計分析，綜合推薦鉆頭采用5刀翼、Ф16 mm 復合片的特征設計。

2.1 鉆頭冠型設計

鉆頭的冠部剖面形狀對破巖效率、鉆頭壽命和穩定性都具有直接影響，所鉆地層頁巖具有結構致密、塑性高、不易切削等特性，故選擇“直線—圓弧—圓弧”為基本冠型剖面曲線（圖3），采用深錐、雙圓弧設計可以增強鉆頭的穩定性。

在圖3 的坐標系中，直線—圓弧—圓弧剖面可以表示為[4]：

圖3 冠型剖面曲線

剖面參數按式（2）計算：

式中 DP——冠部外徑，mm

R0——冠部半徑，mm

α——內錐半角，°

R1——內圓弧半徑，mm

R2——外圓弧半徑，mm

H2——外錐高度，mm

H1——內錐高度，mm

r02——外圓弧圓心徑向坐標，mm

利用式（1）和式（2），定鉆頭冠部外徑Dp取204 mm，冠頂半徑R0取63 mm、內錐半角α（取67°）、內圓弧半徑R1（取35 mm）、外圓弧半徑R2（取65 mm），確定出具體的冠部剖面形狀。

2.2 鉆頭布齒設計及受力分析

鉆頭冠型確定后，進行布齒設計，長刀翼心部采用Ф13 mm切削齒、主切削齒采用Ф16 mm、中等密度布齒、高攻擊切削角度、防卡倒劃眼、強化保徑等個性化設計特征。

布齒完成后，為了減小鉆頭的橫向力和軸心偏移量，保持鉆頭切削穩定性，達到力平衡設計的目的，需要對切削齒的受力狀態進行優化分析。巖石對每個切削齒的作用力都可以用三維矢量表示，對所有切削齒的力矢量進行求和，得到鉆頭的載荷矢量（圖4）。

圖4 切削齒受力分析

所有切削齒的合力也是巖石對鉆頭的反作用力，可以用4個分量進行表示：沿鉆頭軸線方向的軸向力FN，垂直于且通過鉆頭軸線的徑向力FR，矢量方向平行于鉆頭軸線的扭矩MT，矢量方向垂直于鉆頭軸線的側彎矩MB。

鉆頭載荷的計算式為[5]：

根據上述數學模型，利用專業軟件進行PDC 鉆頭切削齒受力計算分析，切削體積呈正態分布，優化后不平衡度8.6%在設計允許范圍之內（圖5、圖6）。鉆頭各切削齒受力合理，布齒科學。

圖5 切削齒受力分析

圖6 鉆頭力平衡度分析

2.3 鉆頭水力設計

鉆頭水力結構形式主要包含噴嘴尺才、形狀、安放位置、傾角以及流道形狀和布置等[6]，通過優化水力結構設計，使鉆頭井底流場分布達到最優的清巖和冷卻效果。PDC 鉆頭內外環空流場可視為穩定的不可壓縮湍流流場，鉆頭表面和井壁按固壁無滑移邊界條件處理，排量取30 L/s，泥漿密度1.95 g/cm3，按假塑流體處理[7]，稠度系數取0.22，冪律指數取0.69，噴嘴布置數據見表2。利用CFD 技術進行井底流場數值模擬仿真分析，結果見圖7、圖8。

圖7 速度分布

圖8 流速矢量

表2 鉆頭噴嘴布置數據表

通過對井底流場流速分布圖及速度矢量圖進行分析，整個鉆頭井底流場無明顯低速區和回流區，水力分布較合理，利于巖屑的運移和井底清洗，有效減少鉆頭泥包風險。

3 現場應用

該只鉆頭2 次入井累計進尺2005 m，累計純鉆186.5 h，平均機械鉆速10.7 m/h。與同平臺井相比機械鉆速提高32.4%，使用效果得到了施工方的高度認可。

4 結論

建立長寧—威遠區塊頁巖地層可鉆性剖面，獲得了目標地層可鉆性極值等巖石參數，為鉆頭設計提供了理論技術支撐。針對四川長寧—威遠區塊頁巖特性，從PDC 鉆頭的冠型、布齒、水力等方面開展了理論研究和個性化設計。通過現場應用，單只鉆頭累計進尺2005 m，平均機械鉆速同比提高32.4%，驗證了鉆頭設計的合理性，破巖效率進一步提升，為頁巖氣規模效益開發提供了強有力支撐。