巨厚礫石層中PDC 鉆頭的設計與應用

胡 佳，郭俊磊，吉 林，楊賢達

（1.渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280；2.渤海鉆探第三鉆井工程分公司，天津 300280）

0 引言

近年來，隨著石油開采技術的進步，PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復合片）鉆頭以高機速、長壽命的特點在石油鉆井行業中所占的比例越來越大，但在巨厚礫石層中鉆頭切削齒易先期損壞，使用效果達不到預期。

吉木薩爾凹陷頁巖油水平井采用381.0/215.9（mm）或311.2/215.9（mm）二開井身結構，一開井段段長1700 m，其中礫石層長約1200 m，為典型巨厚礫石層，通常需要2～3 趟鉆才能鉆穿，施工效率低，嚴重制約了該區塊鉆進速度。通過調查鉆頭使用情況發現，前期鉆頭采用19 mm 單排齒結構，四刀翼布局，PDC 鉆頭破損形態為鉆頭芯部和外錐復合片崩齒或斷齒（圖1），分析主要原因為：該井段礫石含量30%以上，礫徑大，地層均質性較差，配合高轉速螺桿鉆進時，鉆頭機速較快但容易崩齒。為此，通過攻關該地區個性化PDC 鉆頭設計，以解決鉆頭機械鉆速低和壽命短的問題，提高油藏開發經濟效益。

圖1 前期鉆頭磨損情況

1 地層巖石特性分析

吉木薩爾凹陷一開井段所鉆地層為第四系至侏羅系，第四系至白堊系0～1200 m 巖性以黃色、紅褐色泥巖、膏質泥巖與粉砂巖互層為主，夾砂礫巖、小礫巖、細礫巖，礫徑3～20 mm；侏羅系1200～1700 m 巖性為砂巖夾泥巖。通過導入相關錄測井數據，利用地層可鉆性分析軟件計算得出，該井段地層單軸抗壓強度10～60 MPa，可鉆性級值2～5.5，屬軟～中硬地層。

2 鉆頭個性化設計

根據地層可鉆性分析數據及前期PDC 鉆頭使用損壞特征，設計一款兼顧抗沖擊性和高攻擊性的PDC 鉆頭，分別從冠部輪廓設計、切削結構設計、三維建模等3 個方面進行設計。

2.1 冠部輪廓設計

針對本課題所研究的地層特點，采用等磨損原則進行冠部輪廓設計[1]，確定出適合鉆進巨厚礫石層、軟-中硬地層的冠部輪廓形狀：中深錐、兩段圓弧式冠部輪廓（圖2），這種冠部輪廓具有以下特點：①中深內錐角θ，能增加鉆頭心部切削齒在井底的覆蓋面積，提高心部抗沖擊能力；②第一段圓弧采用大弧度θ1、小圓弧半徑r1，能提供鉆頭肩部更大的切削體積和布齒密度，達到很好的抗沖擊能力；③第二段圓弧采用小弧度θ2、大圓弧半徑r2，使鉆頭肩部齒到保徑齒更加圓滑的過渡，可以進一步控制鉆頭的振動，提高鉆頭的穩定性。

圖2 鉆頭冠部輪廓

2.2 切削結構設計

（1）切削齒尺寸。根據地層可鉆性極值及抗壓強度特點，選擇直徑19 mm 的大尺寸PDC 齒作為主切削元件，對軟巖層的切削效率更高，考慮到PDC 鉆頭的設計特點及前期損壞特征，鉆頭心部布齒密度要低于肩部，鉆頭心部齒更容易崩齒導致鉆頭掏心，所以心部齒采用小一級的尺寸16 mm（圖3），使用兩種不同尺寸切削齒形成復合切削結構，在實現快速鉆進的同時，極大延長鉆頭使用壽命。

（2）布齒密度。根據PDC 鉆頭的IADC 標準，確定該鉆頭采用較低的布齒密度，鉆頭當量齒數Ne≤0.139D，其中D 為鉆頭外徑，即381.0 mm 或311.2 mm，則鉆頭當量齒數Ne≤52.96 或Ne≤43.26，根據國際鉆井承包商協會（IADC）關于PDC 鉆頭當量齒數的計算公式：Ne=（Dc×Nc）/［12.7/（Db/215.9）］。計算可得：Nc=（Ne×Db×12.7）/（Dc×215.9）。式中，Ne是鉆頭當量齒數；Dc是復合片直徑；Nc是復合片個數；Db是鉆頭直徑。該鉆頭中，Dc=19.05 mm，Db=381.0 mm 或311.2 mm，則Nc=Ne×（Db×12.7）/（19.05×215.9）。

當Db=381.0 mm，鉆頭布齒數量Nc≤62.3 顆；當Db=311.2 mm，鉆頭布齒數量Nc≤41.5 顆。能滿足使用要求，結合鉆頭心部和肩部的磨損情況，心部布齒密度設定為1.5～1.8，肩部布齒密度設定為4.2～4.8，利用等磨損方法繪制出徑向布齒圖（圖3）。

圖3 鉆頭徑向布齒

（3）切削齒角度。切削齒角度一般指后傾角和側傾角，后傾角是切削齒與地層的接觸角，角度大小直接影響鉆頭的機械鉆速，側傾角的方向影響巖屑排出的方向，鉆頭在井底旋轉方向為順時針方向，側傾角也采用順時針方向有利于巖屑排出。根據相關研究數據表明，在礫巖層地層中，切削齒磨損量在后傾角為15°～20°之間增長速度平緩，在20°時達到最大值[2]，本課題所研究鉆頭切削齒后傾角選用15°～20°，切削齒側傾角選擇0～5°。

（4）刀翼布局。區塊前期鉆頭采用兩長兩短四刀翼布局，鉆頭肩部切削齒崩齒嚴重至本體出槽，說明該部位布齒密度偏低需要強化，將四刀翼優化為五刀翼布局以提高鉆頭肩部的布齒密度，因此選擇兩長三短五刀翼布局，提高鉆頭整體壽命。

（5）復合片的選擇。復合片的主要技術指標是抗沖擊性和耐磨性，從結構形式上一般分為平面齒和異形齒，平面齒是PDC鉆頭最常用的一種切削齒，具有高效的剪切破巖能力，同時具有自銳出刃的特性，耐磨性高。異形齒是近年來從平面齒變化出的一種新型齒，通過結構形式、切削機理的改變，可適用于不同的地層工況，用于提高機械鉆速或延長鉆頭壽命。

PDC 鉆頭工作時，鉆頭外錐接近保徑處的復合片線速度最大，切削扭矩也最大，是最容易發生崩齒損壞的部位，在該部位應用1～2 顆三棱異形齒來提高鉆頭整體抗沖擊性，三棱齒以凸棱分開巖石，分解了正面沖擊復合片的作用力，減緩了對兩側平面部分的直接沖擊，降低了切削齒崩損的概率，有效提高復合片的抗沖擊性，延長鉆頭使用壽命（圖4）。相關試驗數據表明，三棱異形齒較常規齒抗沖擊性能提高35%（圖5）。

圖4 異形齒位置

圖5 復合片抗沖擊測試結果

2.3 三維設計

根據本課題設計理念，通過三維軟件設計了適合在巨厚礫石層中快速鉆進的PDC 鉆頭，鉆頭主要設計特點為：主切削齒采用19/16 mm 復合切削結構、低布齒密度、兩長三短五刀翼布局，外錐部位選擇三棱齒復合片，其余復合片選擇平面齒（圖6）。

圖6 鉆頭三維模型

3 應用效果

按照上述設計特征制造的個性化鉆頭在吉木薩爾頁巖油區塊紅旗331 井、吉2805H 和吉2807H 井進行了推廣應用，試驗效果良好。一開直井段機械鉆速分別為28.9 m/h、31.5 m/h 和37.3 m/h，比區塊平均機速22 m/h 分別提高了31.3%、43.2%、69.5%，單只PDC 鉆頭進尺1700～1800 m，均一趟鉆完成鉆進目標（表1）。現場應用效果表明，新型PDC 鉆頭能較好地適應吉木薩爾上部地層鉆進，機械鉆速和鉆頭壽命均達到預期效果。

表1 現場試驗數據統計

4 結論

（1）在鉆進巨厚礫石層時，采用適當的切削齒后傾角（15°～20°），有利于提高鉆頭機械鉆速和抗沖擊性能，鉆頭使用壽命有較大提高。

（2）應用19/16 mm 復合切削結構，能提高鉆頭心部齒抗沖性能，防止心部磨損出槽。

（3）通過在PDC 鉆頭外錐部位應用三棱異形齒，能明顯改善該部位的抗沖能力，延長鉆頭壽命。

（4）新型PDC 鉆頭在吉木薩爾頁巖油區塊應用成功，為各油田鉆進該類地層提供了參考依據，具有較高的經濟價值。