松遼盆地火山巖地層用PDC 鉆頭研究及應用

王 輝，吉 林，吳殿友

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300450）

1 地層巖石性質介紹

火山巖分為凝灰?guī)r、流紋巖和火山角礫巖等，松遼盆地營城組以火山巖為主，上部為綠灰、灰色流紋質凝灰熔巖夾灰色絹云母化凝灰?guī)r、綠灰色流紋巖；中部為灰、淺紫、灰白、綠灰、深紫色流紋巖、球粒流紋巖，灰色流紋質角礫巖；下部為深灰色、黑灰色安山質玄武巖。根據徐家圍區(qū)塊內某井的測井數據，利用地層可鉆性分析軟件，分析地層的可鉆性等級（表1）。火山巖地層可鉆性從好到差排布分別為凝灰?guī)r、流紋巖和火山角礫巖，火山角礫巖沖擊性最強，流紋巖研磨性最強。表1 的可鉆性極值、沖擊強度極值、研磨性極值為指數，最小值為0，最大值為10；可鉆性最差地層，極值為10。

表1 可鉆性極值

2 火山巖地層用PDC 鉆頭失效分析

根據火山巖地層用PDC 鉆頭可鉆性分析，營城組火山巖地層對復合片的沖擊性和研磨性都很強（圖1）。在以前試驗過程中發(fā)現，鉆頭在下井之初個別切削齒易出現崩齒破損（圖2）；鉆頭使用一段時間后，鉆頭出現整體崩齒磨損失效（圖3）。在該區(qū)塊首先需要解決鉆頭抗沖擊性，防止鉆頭使用前期出現崩齒破損，同時需要提高鉆頭抗研磨性，提高鉆頭的使用壽命。

圖1 切削齒金剛石磨損

圖2 切削齒金剛石層沖擊破損

圖3 鉆頭整體磨損失效

3 火山巖地層用PDC 鉆頭設計研究

3.1 PDC 鉆頭布齒密度設計

切削齒布齒密度大小，可以確定每個切削齒接觸地面時受力的大小，切削齒數量越多，分配到每一顆切削齒上的正向力越小，受力越小，就越不容易受損，尤其是在火山巖高沖擊強研磨地層，切削齒數量多可以有效保護切削齒。鉆頭切削齒數量選擇可以采用國際鉆井承包商協(xié)會（IADC）關于PDC 鉆頭當量齒數Ne來衡量，當鉆頭當量齒數≤0.139 為低布齒密度布齒，鉆頭當量齒數0.139～0.232 為中等布齒密度，Ne≥0.232 為高布齒密度。

切削齒選用16 mm 復合片，根據Ne=（Dc×Nc）/12.7/（D/215.9），其中Ne為鉆頭當量齒數，Dc為復合片直徑，Nc為復合片個數，D 為鉆頭直徑。切削齒數量大于40 顆為高布齒密度，在火山巖地層中使用需要采用高布齒密度，設計選擇43 顆切削齒，為了均勻布齒，采用八刀翼鉆頭。

3.2 切削齒設計

PDC 鉆頭布齒方式決定了每個切削齒接觸地層的空間方位和部位不同，各切削齒的齒角也不同。對于特定的巖石和井下條件，各切削齒都存在一個理想的后傾角，要根據切削齒的布齒位置，采用不同的后傾角。從鉆頭中心向外，切削齒的破巖量、線速度都呈遞增狀態(tài)。為了控制切削齒在工作過程中均勻等磨損，后傾角都要隨著增大。一般根據所鉆地層的硬度和巖性來確定后傾角的大小，隨著地層硬度由低到高，切削齒的后傾角由小到大，但一般控制在10°～30°。

火山巖地層沖擊性高、研磨性強，需要采用較大的切削齒后傾角，最終該火山巖地層PDC 鉆頭選用18°～24°后傾角。

3.3 鉆頭頭型設計

PDC 鉆頭頭型的布齒如圖4 所示，鉆頭頭型的選擇如圖5所示，其中：曲線1 為平拋面，適合非研磨性地層，高攻擊；曲線2 為短拋面，適合硬且中等研磨性地層；曲線3 為中拋面，適合中硬到硬且研磨性強的地層；曲線4 為長拋面，適合研磨性沖擊性強地層，低機速。從曲線1～4 軌跡可以看出鉆頭頭型由平到長，鉆頭的抗沖擊性和抗研磨性隨之增加。

圖4 鉆頭布齒

圖5 鉆頭頭型

而圖6 中大曲面（R）特點為通過大的表面面積來達到很好的抗沖擊能力，適合在硬且研磨性強地層中使用；小或尖曲面（r）特點為可在切削片上形成較高的點式沖擊，適合于軟且均質性好的地層，得到較高的機械鉆速。從曲線R—r 變化中可以看出鉆頭頭型頂部角度越小，攻擊性越強，鉆頭頭型頂部角度越大，抗沖擊性和抗研磨性越強，因此該火山巖地層PDC 鉆頭設計采用長拋物線、大曲面頂部頭型。

圖6 頭型頂部角度

4 PDC 鉆頭個性化設計成果

火山巖地層用高抗沖擊性強研磨性鉆頭，采用八刀翼16 mm 切削齒、雙排齒、高布齒密度，主切削齒齒前角18°～24°、長拋物線、大曲面頭型頂部，復合片純進口齒斧型齒（圖7）。

圖7 火山巖地層用PDC 鉆頭三維模型

5 火山巖地層用PDC 鉆頭現場應用及效果

根據松遼盆地火山巖地層巖石可鉆性分析結果、區(qū)塊前期鉆頭試驗情況及鉆頭設計思路設計完成了火山巖地層用八刀翼PDC 鉆頭，試驗鉆頭在徐深12-1 井使用，共在水平段試驗4 井次，創(chuàng)造了在松遼盆地徐深區(qū)塊營城組水平段使用PDC 鉆頭完鉆先例，最終協(xié)助井隊一舉刷新了大慶深井徐深區(qū)塊三開最短鉆井周期24.9 d、最快機械鉆速4.24 m/h、最高單趟鉆平均進尺244.5 m 三項紀錄，鉆井周期比區(qū)塊最優(yōu)指標縮短了34.3 d，機械鉆速比區(qū)塊最優(yōu)指標提高了33%。