非平面齒鉆頭在塔東城探區塊的應用

解 珅

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163000）

1 概述

塔里木盆地東部俗稱塔東地區，地質勘探面積6.8×104km2，油氣資源當量15.24×108t，豐富的油氣資源，將接替成為大慶油田最穩定的高產區及油氣資源補給的重要領域。但是，對于大慶來說，塔東地區的地質勘探新空間，隨著時間的推移，地質勘探的程度還在不斷深入，我們面臨的地質勘探對象越來越多，也越來越復雜，地質勘探難度變得越來越大。該區塊地質勘探程度較低，地質條件復雜，礫石層及高硬度、高研磨性砂泥巖互層極為發育、可鉆性較差，機械鉆進速度低，特別是奧陶系卻而卻克組（俗稱“黑被子”地層）平均機械鉆速僅為0.92m/h，地層構造較多且差異性較大，地層分布壓力層系多，層系間含有異常高壓層，區塊地層傾角大，控斜與快鉆矛盾比較突出；另外，該地區油氣埋藏較深，奧陶系目的層埋深≥6000m，寒武系目的層埋深≥7000m，底部環境溫度可達200℃，以上地層的主要特征嚴重制約了塔東超深井鉆井周期的縮短、勘探進程的加快及勘探成本的降低，有必要選用適用于塔東城探區塊深層巖石特點的高效鉆頭。

2 地質情況

塔里木盆地北部坳陷區古城―肖塘臺緣帶古城低凸起，北鄰塔北隆起，南側為中部隆起，覆蓋阿瓦提凹陷、滿加爾凹陷、阿滿過渡帶等二級構造單元。北部坳陷內部構造一般位于塔北隆起向塔中隆起延伸的低梁，是塔北隆起與塔中隆起的過渡帶，構造沉積演化長期受塔北隆起及中部隆起的影響和控制。阿滿過渡帶的油氣等資源豐富，先后發現了順北、富滿等大中型下古生界碳酸鹽巖油氣田群，是目前我們國家最大的斷控碳酸鹽巖油氣藏油氣生產基地，年產油氣當量約300×104t。

塔東城探區塊奧陶系卻而卻克組地層，上部巖性以層狀灰、淺灰、褐灰色粉砂巖與深灰、灰色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層；中部以層狀灰、深灰色泥巖、粉砂質泥巖為主，夾褐灰、灰色粉砂巖、泥質粉砂巖；下部為層狀深灰色泥巖、鈣質泥巖夾灰色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖；底部為厚層深灰色泥巖為主。

3 PDC鉆頭優化設計

針對塔東城探區塊奧陶系卻而卻克組地層特性，根據以往選用的PDC 鉆頭失效情況進行分析對比，及對地層非均質性的具體分析，分析得出的結論：目標層具備非均質性和高研磨性，該地層的不同性質使得復合片咬入地層困難，破碎巖石功率降低，由反復磨削所產生大量熱量，散熱不及時導致復合片過早失效，以及PDC 復合片抗研磨性較低，從而致使鉆頭磨損主要集中在線速度較高的鉆頭肩部及鼻部，磨損嚴重會形成半圓形溝槽。高速切削的復合片在接觸到分布不均的地層，會使復合片正面收到強烈沖擊形成嚴重損傷，鉆頭抗正面沖擊性較差，從而致使切削齒崩齒，從根本上降低鉆頭使用壽命。

針對塔東“黑被子”地層碳晶質泥巖主要特征，制定鉆頭改進措施，優化鉆頭冠部設計及布齒密度，個性化設計及加工制造出適用于“黑被子”地層的非平面齒PDC鉆頭。

3.1 PDC鉆頭冠部輪廓設計

通過油氣井的鉆進理論和實踐表明，鉆頭冠部輪廓的形狀對鉆頭的巖石破碎效率和切削齒的磨損有著巨大的影響。鉆頭冠部輪廓長度直接影響機械鉆速；如果外錐長度短，則排列的切削齒數將較少，每個切削齒所受力較大、切削量增大，鉆進效率有所提高，但是鉆頭切削齒過度磨損會導致鉆頭壽命降低；如果外錐長度長，則排列的切削齒數量將增多，鉆頭耐磨性增強，然而錐面越長，各切削齒在剖面位置上受力分布越不均勻，容易引起鉆頭橫向振動和渦動。

針對新疆塔東地區“黑被子”地層，夾砂礫巖，地層堅硬，研磨性高等特點，選擇了適用于該地層特性的中拋物面冠部曲線，冠部采用淺內錐設計，降低鉆頭心部單齒所承受載荷。冠部輪廓形狀按照等切削原則設計時，冠部輪廓形狀應盡可能保證在切削過程中，鉆頭上的每一顆切削齒有大體相等的切削體積。這樣可最大化地保證鉆頭切削齒在切削過程中磨損均勻，按照等切削原則設計時的理論冠部曲線方程式為：

式中：r——鉆頭徑向尺寸數值；

h——鉆頭軸向定位尺寸數值；

r0——鉆頭冠頂處的徑向數值；

Δ l0——鉆頭冠頂處的軸向數值。

在實際計算和設計中，參照上述理論設計的鉆頭冠部形狀確定r0后就能夠得到理論冠部曲線形狀和尺寸，然后根據鉆頭體結構設計的方法，通過拋物線形冠部進行曲線擬合。設計出的鉆頭冠部曲線參數如圖1所示，形成鉆頭冠部模型如圖2所示。

圖1 冠部曲線參數

圖2 冠部模型

3.2 布齒設計

在完全相同的鉆壓下，復合片的布齒密度越小，切削齒所受載荷越大，切削齒吃入地層的能力越強，PDC鉆頭破碎巖石的效率越高。但是，PDC 鉆頭現場應用表明：伴隨著巖石可鉆級值的增加，PDC鉆頭的布齒密度對破碎巖石效率的影響程度明顯降低，伴隨著PDC鉆頭低密度布齒，帶來的影響是切削齒所受載荷過大導致鉆頭崩齒、碎齒等現象，嚴重制約了PDC鉆頭的使用壽命。事實證明，鉆進硬地層時，鑒于PDC鉆頭的布齒密度對切削效率影響較小，故而延長鉆頭的使用壽命是主要考慮的因素。由此可見，解決PDC 鉆頭肩部齒容易磨損的問題，就是采用高強度復合片，進一步提高PDC 鉆頭肩部的布齒密度，使每個切削齒承受較小的鉆壓，盡可能地做較小的功，進一步提高PDC鉆頭切削齒的壽命。與塔東地區此前選用鉆頭相比，設計的雙排齒鉆頭布齒密度提高了17%（見圖3）。

圖3 雙排齒布齒密度設計

在完成布齒密度的設計后，三維展開布齒到鉆頭的每個刀翼，進行切削結構角設計（見圖4）。

圖4 雙排齒3D布齒方案

結合上述理論計算并設計的鉆頭后傾角為20°~28°。綜合考慮鉆井提速工具對鉆頭的整體效果，最終確定后傾角為20°~30°。鉆頭與鉆井提速工具配合使用時，可進一步提高PDC 鉆頭的切削效率、保護切削齒、延長鉆頭使用壽命、進一步提高鉆井機械鉆速（鉆頭成品模型如圖5所示）。

圖5 鉆頭成品模型

3.3 復合片研選

研選新型非平面復合片，表面的三條凸脊呈120°夾角，鉆頭鉆進過程中通過一條凸脊來切削地層。切削方式由傳統的“面—面”接觸改為“線—面”接觸（見圖6），進一步提高了切削齒對堅硬巖層的切削力；非平面齒復合片脫鈷深度超過1400μm，復合片的耐磨性得到大幅度提升；該復合片的非平面型設計，采用點狀塑性變形來破碎巖石，更適合塔東硬地層應用。

圖6 平面齒和非平面齒受力分析

基于以上分析，我們對于“黑被子”地層設計了一款6刀翼、16mm非平面齒復合片的PDC鉆頭。冠部布齒：采用高密度布齒方案，降低單齒所受載荷，進一步提高鉆頭使用壽命。后傾角：與鉆井提速工具配合使用時，設計制造較大的后傾角（20°~30°），便于鉆頭切削齒吃入地層，進一步提高鉆頭破巖效果。

3.4 鉆頭噴嘴布置

流線型噴嘴具有流量系數較高、射流的擴散角小、等速核長度較長、能量轉換效率高、鉆頭實際得到的水力功率高等特點，因此，該PDC鉆頭噴嘴的內流道形狀選用了流線型設計（見圖7）。

圖7 噴嘴結構

選用合適的噴嘴直徑可使PDC鉆頭獲得高速鉆進所需要的鉆頭壓降和單位面積上的水功率。鉆頭的類型決定了鉆頭噴嘴或水眼的配置及取向，一般來說，鉆頭噴嘴的配置及取向的基本原則是：每個噴嘴都能清洗和冷卻一組復合片，如一個直面刀翼或一個螺旋形刀翼。

PDC 鉆頭噴嘴的分布采用了組合式鑲裝，即選擇不同直徑的噴嘴，使噴嘴的當量直徑滿足鉆井設計的具體要求。噴嘴直徑不同，射流的沖擊壓力也不同，在這樣的前提下，井底會逐漸形成一個比較大的“壓力梯度”。鉆頭的噴嘴最好采用不同心式鑲裝，即四個噴嘴不在同一水平方向上安裝。為了使鉆頭磨削產生的巖屑向井壁方向翻轉，使鉆井液能充分清洗井底巖屑，在距鉆頭中心較遠的位置安裝直徑相對小的噴嘴，在兩個主刀翼距鉆頭中心較近的位置鑲裝直徑相對大的噴嘴。噴嘴的不同心設計可產生不對稱的井底流場，而不對稱的井底流場有以下三個特點：一是井底壓力梯度大；二是井底部分區域壓力減小，在鉆頭附近的局部空間還可能出現“低壓區”，這就降低了“壓持作用”且有利于冷化井底，尤其對泥漿密度較大的調整井效果更明顯；三是采用階梯式鑲裝噴嘴，噴嘴的噴射距離不相等，即噴嘴距離鉆頭體外錐面的距離不等。

采取以上措施進行鉆頭噴嘴的優化設計分布，不僅能夠有效地減少井底流場中產生對鉆頭不利的渦流與湍流，同時也加大了鉆頭水功率，進一步提高了鉆頭的破巖效率。

4 現場應用

針對塔東城探區塊奧陶系卻而卻克組地層特性及鉆井作業特點設計的PDC鉆頭在城探區塊進行了現場試驗（見圖8），在該井成功試驗2井次，2只鉆頭累計進尺996m，平均壽命197.5h，平均機械鉆速2.87m/h，與同區塊同層位鄰井相比平均鉆速提高40.35%，較臨井相比共節約3趟鉆。

圖8 出井后鉆頭磨損情況

通過對該試驗井2只鉆頭使用情況分析：

（1）該井第一趟鉆進尺709m，純鉆168.3h，平均機械鉆速4.21m/h，創城探區塊卻爾卻克組單趟鉆最高進尺、最長壽命、最快機械鉆速3項記錄；

（2）第二趟鉆鉆速較第一趟鉆較慢，但該鉆頭在“黑被子”泥巖層段鉆進時間較長、進尺高，較鄰井至少節省一趟起下鉆（具體使用數據見表1）。

表1 2只鉆頭施工數據表

5 結論

（1）通過鉆頭現場試驗結果表明，塔東城探區塊奧陶系卻而卻克組地層使用的非平面齒鉆頭與常規PDC鉆頭相比提速效果更顯著，行程進尺較高，降低了鉆井公司油氣田開發的的鉆頭成本。

（2）將選用的新型非平面齒復合片與普通平面復合片進行比較，在工作時間相同的條件下，新型非平面齒復合片切削磨損量更小，說明“線—面”接觸的切削方式，提高了PDC切削齒的接觸面積，接觸面的磨削阻力進行了分散處理，間接提高了PDC切削齒的耐磨性，滿足了鉆井公司的作業需求，具有較高的推廣價值。