長慶油田隴東三維水平井用PDC鉆頭 個性化設(shè)計

由于長慶隴東油田三維水平井的軌跡控制難度較大，牙輪鉆頭由于有活動部件，使用周期較短，容易發(fā)生井下落物事故，嚴(yán)重制約著三維水平井的提速。為解決這一難題，使用compass軟件對定向井軌跡剖面進行了優(yōu)化設(shè)計，并有針對性地研制了三維水平井用PDC鉆頭，該類型鉆頭冠部采用了中錐型剖面形狀，外部剖面形狀為短拋物線形，切削齒選擇了預(yù)倒角邊緣加強齒及雙重保護切削結(jié)構(gòu)，主切削齒選用16mm齒，輔助切削齒采用13mm齒，切削齒后傾角由鉆頭中心向外逐漸由15°增加到20°，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角為5°，采用切邊齒保徑設(shè)計，保徑塊采用中等長度（50～60mm）螺旋形低摩阻設(shè)計。
　　1 隴東區(qū)塊目的層延長組巖石可鉆性分析
　　隴東區(qū)塊延長組砂巖主要為凝灰質(zhì)不等粒砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)中砂質(zhì)細(xì)砂巖、凝灰質(zhì)含泥不等粒砂巖和薄層不含凝灰質(zhì)的砂礫巖。砂巖一般為細(xì)粒到中粒，分選中等，顆粒排列中等到緊密。孔隙發(fā)育較差，大小顆粒雜亂分布。泥巖主要是深灰色泥巖、黑色磷質(zhì)泥巖。利用實鉆巖心對該層巖石可鉆性級值進行了室內(nèi)試驗，結(jié)果見表1。
　　由表1可知，該層位巖石非均質(zhì)性極強，可鉆性波動幅度大，巖石可鉆性級值最小值為3.08，最大值為6.84，軟硬地層交替出現(xiàn)，對PDC鉆頭的工作十分不利。為提高水平井段的鉆井速度，采用了復(fù)合鉆井技術(shù)，由于該技術(shù)高轉(zhuǎn)速，多工況的技術(shù)要求，以及該區(qū)塊復(fù)雜的地層特點，造成現(xiàn)有PDC鉆頭適應(yīng)性較差，機械鉆速低，制約了該區(qū)塊的快速開發(fā)。
　　2三維水平井對PDC鉆頭的要求
　　三維水平井由于靶前距較短，三維水平井由于靶前距較短一般在200m-240m之間，偏移距100m-150m之間，根據(jù)井上實際情況進行了定向井段的剖面優(yōu)化設(shè)計，要求PDC鉆頭具有良好的工具穩(wěn)定能力，有效的提高定向施工效率，應(yīng)選用鉆頭刀翼裙部較短，鉆頭側(cè)向力相對較弱的五刀翼設(shè)計。排泄道暢通避免了因冷卻不均導(dǎo)致復(fù)合片產(chǎn)生熱效應(yīng)而失效。
　　復(fù)合鉆井技術(shù)具有高轉(zhuǎn)速特征，鉆頭的絕對轉(zhuǎn)速可近似認(rèn)為是轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和螺桿轉(zhuǎn)速之和。對于常規(guī)低速大扭矩螺桿，轉(zhuǎn)速也在110 r/min以上，鉆頭的工作轉(zhuǎn)速一般會高于170 r/min。由于沒有活動部件，高轉(zhuǎn)速對PDC鉆頭造成的影響較小。但復(fù)合鉆井時鉆頭工作轉(zhuǎn)速是常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆井的3～4倍，切削齒和鉆頭保徑所承受的沖擊載荷增大、磨損程度加劇，應(yīng)優(yōu)選抗沖擊性能較好的金剛石復(fù)合片，并加強鉆頭保徑的耐磨性，保證鉆頭使用壽命。
　　3 新型PDC鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
　　3.1鉆頭刀翼及鉆頭冠部形狀設(shè)計PDC鉆頭的刀翼越多，鉆頭工作越穩(wěn)定，鉆頭使用壽命越長，但是機械鉆速較低，根據(jù)長慶油田隴東區(qū)塊延長組定向施工經(jīng)驗，選擇五刀翼鉆頭進行施工。
　　PDC鉆頭冠部形狀決定著PDC鉆頭的布齒面，將影響鉆頭的穩(wěn)定性、井底清洗、鉆頭磨損及鉆頭各部位的載荷分布。PDC鉆頭冠部剖面形狀有四種基本類型，即平底型、淺錐型、中錐型和長錐型[4-6]，其中平底型和淺錐型，由于內(nèi)錐較淺，起不到穩(wěn)定鉆頭的作用，鉆頭工作時很容易產(chǎn)生橫向振動，造成切削齒的沖擊損壞，尤其鉆遇硬夾層時，常常因冠頂齒和外部齒的先期磨損而導(dǎo)致鉆頭失效，鉆頭中心附近的切削齒得不到最有效的利用，從而對鉆頭壽命造成嚴(yán)重的影響。中錐型冠部剖面形狀具有一定深度的內(nèi)錐和較大的布齒面積，外部區(qū)域可布置較多的切削齒；一定深度的內(nèi)錐可起到穩(wěn)定鉆頭的作用，減少鉆頭的橫向振動，延長鉆頭工作壽命。中錐型冠部剖面具有較強鉆進硬夾層的能力，鉆遇硬夾層時，鉆壓的分配更集中于鉆頭冠頂部位，使冠頂切削齒更容易吃入較硬的地層。長錐型冠部剖面形狀通常為近拋物線形，在四種剖面形狀中布齒面積最大，鉆頭外部可布置較多的切削齒，主要適用于高轉(zhuǎn)速鉆頭的設(shè)計。
　　針對隴東區(qū)塊延長地層軟硬交錯，夾層多的特點，采用中錐型剖面形狀，外部剖面形狀為短拋物線形，這種剖面設(shè)計同時兼顧了三維水平井PDC鉆頭對造斜性能的較高要求。M5365L-2-215.9型鉆頭為5刀翼19mm齒PDC鉆頭，為了應(yīng)對地層軟硬交錯，采用19mm優(yōu)質(zhì)復(fù)合片，加強了鉆頭的抗沖擊性能，避免主力切削齒鉆遇鉆遇軟硬交界面時提前損壞，影響鉆頭的切削能力。該鉆頭采用中錐形剖面設(shè)計，中等布齒密度，同時為了增加其穩(wěn)定性，還采用螺旋刀翼設(shè)計，在實際使用中取得了較好的效果。
　　3.2切削齒的選擇與切削結(jié)構(gòu)設(shè)計1）雙重保護切削結(jié)構(gòu)設(shè)計。三維水平井用鉆頭需要完成直井段負(fù)位移的調(diào)整、造斜、扭方位、入窗等多個工況，對PDC鉆頭的綜合性能要求較高。合理的設(shè)計吃入深度控制結(jié)構(gòu)，能夠既有效地控制滑動鉆進時的鉆頭扭矩、減少工具面波動，又不會明顯降低復(fù)合鉆進時的機械鉆速[7]。綜合考慮隴東區(qū)塊地層情況和復(fù)合鉆井特點，最終采用雙重保護切削結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)不僅可以獲得穩(wěn)定的鉆頭工作扭矩，對提高鉆頭壽命也起到重要的作用：在鉆頭鉆遇硬地層時，輔助切削齒分擔(dān)冠部切削齒的鉆壓，減小冠部切削齒的損壞幾率，同時參與切削巖層，增加鉆頭的使用壽命。在進入軟地層時，這種雙重切削結(jié)構(gòu)可以減緩鉆壓的突然改變，減小鉆頭的震動，從而保護切削齒不受損壞。
　　2）切削齒形狀和尺寸選擇。隴東區(qū)塊延長組含有軟硬交互層，當(dāng)鉆頭鉆遇較硬的砂泥巖地層時，切削齒將承受較大的鉆壓和扭矩，容易導(dǎo)致切削齒崩斷、碎等事故的發(fā)生[8-10]。為消除應(yīng)力集中，減小切削齒崩裂失效的可能性，采用了預(yù)倒角結(jié)構(gòu)，如圖2所示，錐度為10°，錐面長度為2mm。通過預(yù)倒角結(jié)構(gòu)，提高切削齒抵抗軸向和切向沖擊載荷能力。
　　切屑齒直徑大小的選擇依地層可鉆性極值而異。地層可鉆性級值低，抗鉆阻力小，在同樣的鉆壓水平下，切削齒比較容易吃入地層，故較大切削齒可獲得較高的破巖效率，機械鉆速高、不易泥包；地層可鉆性級值越高，抗鉆阻力越大，切削齒尺寸越大，吃入越困難，相反小直徑齒出露量較小，抗沖擊韌性相對較好。因此，從提高破巖效率方面考慮，地層可鉆性級值越高，選用的切削齒尺寸應(yīng)越小。一般情況下，鉆進3級以下軟地層的PDC鉆頭，選用19mm切削齒可獲得較高的破巖效率；鉆進4～5級地層時，選用16mm切削齒可獲得較高的破巖效率；鉆進5級以上的硬地層，推薦采用13mm切削齒。根據(jù)隴東區(qū)塊地層可鉆性評價結(jié)果，地層可鉆性級值在3～7級，主切削齒應(yīng)選用16mm切削齒，輔助切削齒采用13mm切削齒。M5265LDB-215.9型PDC鉆頭為5刀翼16mm齒鉆頭，輔助切屑齒采用13mm齒，16mm主齒在切削硬度不高地層時有較好的破巖效果，在鉆遇少量5級以上較硬夾層時，13mm輔助齒可在主齒出現(xiàn)輕微磨損后繼續(xù)對地層進行有效切削，同時減少鉆遇夾層時的振動，保證其穩(wěn)定性，使得在定向鉆進過程中能夠按照預(yù)定的軌跡鉆進。
　　3）切削角度設(shè)計。切削角度包括后傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角，直接影響到鉆頭對地層的切削能力。隨著地層硬度由低到高，切削齒的切削角度應(yīng)逐漸由小變大，后傾角越小對地層的吃入性越強，切削齒承受的負(fù)荷也越大，在使用中更容易破損而影響鉆頭壽命。用于復(fù)合鉆進的PDC鉆頭設(shè)計中，還必須綜合考慮鉆頭的正向切削能力和側(cè)向切削能力。鉆頭的正向切削能力強，表示鉆頭更容易吃入巖層，旋轉(zhuǎn)鉆進時具有較高的機械鉆速，但鉆頭的工作扭矩對鉆壓的波動敏感，滑動鉆進中工具面難以控制。側(cè)向切削能力反映了鉆頭側(cè)向吃入地層的能力，側(cè)向切削能力太強容易在井壁上形成臺階或螺旋井眼等缺陷。
　　在綜合考慮長慶油田隴東區(qū)塊地層特點和水平井剖面設(shè)計的技術(shù)需求，M5265LDB-215.9型PDC鉆頭，切削齒后傾角由鉆頭中心向外逐漸由15°增加到20°，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角為5°，這樣的切削角度設(shè)計使得鉆頭在使用時保證鉆頭對地層的具有較好的吃入能力，同時在鉆遇硬地層時不會因切屑齒承受過大的負(fù)荷而損壞，在鉆遇軟硬交界地層時，扭矩值會出現(xiàn)較大的波動，為了保證工具面的穩(wěn)定，需要降低鉆壓平穩(wěn)過渡。該地層軟硬程度差距較大，極易在由軟地層進入硬地層時形成臺階，因此切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角為設(shè)計為5°，使得鉆頭具有適中的側(cè)向切削能力，在定向鉆進中這樣可使得工具面較穩(wěn)定，同時在鉆遇軟硬交界面時配合鉆壓和轉(zhuǎn)數(shù)的變化可很好的避免形成臺階。
　　4）布齒密度和布齒方法。根據(jù)隴東區(qū)塊巖石可鉆性，鉆頭采用了五刀翼、中密度布齒設(shè)計。為適應(yīng)復(fù)合鉆進的高轉(zhuǎn)速要求，為增強鉆頭外錐部位的耐磨性和抗沖擊性，特別增加了鉆頭外側(cè)部位的布齒密度。布齒數(shù)量和各切削齒位置按“力平衡原則”設(shè)計，橫向不平衡力控制在鉆壓的3％以內(nèi)，“力平衡設(shè)計”顯著降低由鉆頭切削作用而產(chǎn)生的井下振動，增加鉆頭工作時的穩(wěn)定性，提高鉆頭使用壽命。圖3所示為新型PDC鉆頭的井底覆蓋情況。
　　3.3保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了主動保徑結(jié)構(gòu)和被動保徑結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方案，如圖4所示。主動保徑結(jié)構(gòu)保徑齒分為切邊的和不切邊的。為減小復(fù)合鉆進鉆頭引起的扭矩和工具面的波動，在復(fù)合鉆進PDC鉆頭設(shè)計中普遍采用了切邊齒保徑設(shè)計，保徑齒與井壁的接觸面積大，齒不容易吃入井壁，鉆頭的側(cè)向切削能力低，降低了鉆頭工作扭矩。被動保徑是指保徑塊，在復(fù)合鉆進鉆頭設(shè)計中，綜合考慮了鉆頭的穩(wěn)定性和側(cè)鉆能力，確定采用中等長度（50～60mm）螺旋形低摩阻保徑塊設(shè)計，保證鉆頭的工作穩(wěn)定性和鉆出光滑規(guī)則的井眼。海勝M5365LDB-215.9型鉆頭為5刀翼19mm鉆頭，主動保徑齒采用13mm優(yōu)質(zhì)復(fù)合片，這種設(shè)計可以保證定向鉆進中鉆頭具有較好的保徑能力，13mm齒在鉆遇較硬地層時磨損較輕，并且具有很好的穩(wěn)定性。切邊齒保徑設(shè)計，使得鉆頭刀翼與井壁接觸面大，13mm齒使得其不易吃入地層，這樣在鉆進過程中即可確保其保徑能力，還能避免大量吃入地層造成扭矩值有較大的波動，影響工具面的穩(wěn)定。中等長度（50～60mm）保徑塊設(shè)計主要是為了使得鉆頭在鉆進中進一步增大與井壁接觸面，增加其穩(wěn)定性，對于不規(guī)則井眼還具有修正功能。
　　4應(yīng)用效果分析
　　研制的長慶油田隴東區(qū)塊水平井鉆進用個性化PDC鉆頭共試驗5井次，鉆頭穩(wěn)定性好，抗沖擊性強, 造斜鉆進時工具面穩(wěn)定，平均機械鉆速18.52m/h , 單只鉆頭平均進尺為1462.7m, 鉆頭井下工作時間在均100h以上，與鄰井相比，分別提高了21.29%和20.12%，機械鉆速和單只鉆頭進尺均取得了較好的應(yīng)用效果。
　　5結(jié)論
　　為提高隴東區(qū)塊三維水平井的施工速度，在綜合考慮鉆頭冠部形狀、切削齒的形狀、尺寸、布齒密度和角度、保徑結(jié)構(gòu)等條件的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計了中錐型剖面，預(yù)倒角和雙重保護切削結(jié)構(gòu)，選用16mm主切削齒，13mm輔助切削齒，切削齒后傾角漸變和5°切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角，切邊齒保徑的個性化PDC鉆頭，通過現(xiàn)場試驗，機械鉆速和單只鉆頭進尺均取得了較好的效果，滿足了該區(qū)水平井鉆井提速的需要，具有較高推廣價值。