楊博仲， 姚建林， 沈欣宇

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2國(guó)家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3 四川川慶石油鉆采科技有限公司 4西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院)

川東地區(qū)鉆井過程中，以二疊系長(zhǎng)興組為代表的難鉆地層成為該區(qū)高效勘探開發(fā)的“攔路虎”，該地層巖性主要以灰色泥-粉晶灰?guī)r為主，巖石強(qiáng)度較高，對(duì)鉆頭的吃入能力要求高，部分層段研磨性強(qiáng)，常規(guī)PDC鉆頭抗沖擊、抗研磨能力難以滿足實(shí)鉆需求。前期巖石力學(xué)研究成果表明，川東地區(qū)二疊系長(zhǎng)興組地層抗壓強(qiáng)度在150～200 MPa之間，軟硬交錯(cuò)，內(nèi)摩擦角45°以上，PDC鉆頭可鉆性級(jí)值集中在10～15，且局部層段含燧石結(jié)核，可鉆性極差[1]。

為提高該層段鉆井速度，近年來累計(jì)在該層段試驗(yàn)國(guó)內(nèi)外不同廠商的牙輪、PDC鉆頭，均未取得理想的提速效果，平均單只鉆頭進(jìn)尺均小于120 m，平均單只鉆頭機(jī)械鉆速低于1.5 m/h。

一、長(zhǎng)興組地層新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)

基于上述二疊系長(zhǎng)興組地層的巖石力學(xué)分析結(jié)果，運(yùn)用硬夾層的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗渦動(dòng)布齒設(shè)計(jì)、力平衡設(shè)計(jì)、水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)，開展了新型PDC鉆頭的設(shè)計(jì)。

1.鉆頭結(jié)構(gòu)及主切削齒設(shè)計(jì)

由于該地層巖石可鉆性變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，即使發(fā)育夾層也多為軟夾層，因此在鉆頭優(yōu)化選型及個(gè)性化PDC鉆頭設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)考慮增強(qiáng)鉆頭的攻擊性和地層吃入特性，同時(shí)要注意提高鉆頭的穩(wěn)定性和穿越夾層的能力[2-3]，設(shè)計(jì)的PDC鉆頭主要采用7刀翼胎體結(jié)構(gòu)，主切削齒采用常規(guī)?13.44 mm+錐形齒?13.44 mm結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1)錐形齒結(jié)構(gòu)和常規(guī)PDC齒復(fù)合切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即壓碎和切削兩種方式，提高鉆頭在燧石結(jié)核、黃鐵礦、石英及硅質(zhì)灰?guī)r的抗沖擊性和抗研磨性、吃入能力，保證鉆頭鉆進(jìn)效率。

錐形齒結(jié)構(gòu)可以將載荷更好地集中于一點(diǎn)進(jìn)行破巖，較厚的切削齒金剛石面提高了鉆頭切削強(qiáng)度，同時(shí)也提高鉆頭耐磨性，顯著提高進(jìn)尺與機(jī)械鉆速。

錐形齒比單個(gè)PDC切削齒更易將載荷集中于一點(diǎn)作用到巖石上(見圖1)，且這種高集中力再結(jié)合其自身的高切削強(qiáng)度和耐磨性，使錐形齒結(jié)構(gòu)鉆頭可以鉆穿常規(guī)PDC鉆頭所不能適應(yīng)的難鉆復(fù)雜地層。

圖1 錐形切削齒與PDC切削齒振動(dòng)對(duì)比圖

(2)后排齒采用抗扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)布局，增加鉆頭的抗沖擊和抗研磨性能。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了獨(dú)有的抗扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)，在前排主切削齒磨損后，作為第二切削元件切削地層；平衡軸向鉆壓保護(hù)PDC提高鉆進(jìn)進(jìn)尺，提高鉆頭的穩(wěn)定性極大減小了鉆頭在井底的震動(dòng)。

2.鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在這類較難鉆地層中鉆進(jìn)時(shí)，由于切削齒與巖石接觸區(qū)域(特別是齒刃區(qū)域)的接觸比壓高，劇烈摩擦產(chǎn)生的熱很容易造成PDC齒熱磨損現(xiàn)象的發(fā)生。所以，一方面要特別重視鉆頭水力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則不應(yīng)是防泥包，而應(yīng)是防切削齒熱磨損；另一方面，應(yīng)盡可能增大在鉆頭上的有效鉆井液排量。隨著井底流場(chǎng)分布規(guī)律的改善和鉆井液排量的增大，均有助于增進(jìn)鉆頭切削齒的冷卻效果，減緩切削齒的磨損速度。在選擇、確定具體使用參數(shù)時(shí)需充分考慮鉆井參數(shù)、破巖效率與鉆頭切削齒磨損規(guī)律之間的關(guān)系，盡量避免采用高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，低轉(zhuǎn)速-高鉆壓模式更有利于提高PDC鉆頭的綜合性能。具體設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1)采用特殊橫向漫流水力單元。大幅度提高鉆頭清洗能力，避免造成巖屑二次切削，提高鉆進(jìn)效率。

(2)弧線形刀翼設(shè)計(jì)。有效提高鉆頭工作穩(wěn)定性，保證硬地層鉆進(jìn)中鉆頭的震動(dòng)。

二、仿真模擬分析與制造技術(shù)

利用PDC鉆頭數(shù)字化鉆進(jìn)分析系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)的二疊系長(zhǎng)興組高效PDC鉆頭進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)和水力學(xué)仿真分析，通過仿真分析優(yōu)化輪廓冠部形狀、切削齒角度和水力結(jié)構(gòu)等參數(shù)。

1. 動(dòng)力學(xué)仿真分析

從圖2和圖3可以看出，計(jì)算鉆頭軸向力平均值為62.5 kN，橫向力平均值為2.67 kN。該鉆頭橫向不平衡力系數(shù)為0.042 7，小于0.05設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較好的工作穩(wěn)定性。

圖2 鉆頭軸向力分析曲線

圖3 鉆頭橫向力分析曲線

從圖4可以看出，該鉆頭切削體積峰值位于8、11、12齒附近區(qū)域，分別位于6#刀翼、3#刀翼和6#刀翼的冠頂區(qū)域附近。說明該區(qū)域處于易損傷(磨損)區(qū)域，可通過優(yōu)化調(diào)整布齒參數(shù)，改善這部分切削齒的工作狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化切削齒切削量的均衡性。

圖4 鉆頭各切削齒切削體積分布圖

從圖5可以看出，該鉆頭橫向不平衡力指向2#刀翼和3#刀翼之間，該側(cè)刀翼的保徑部分將承擔(dān)更多的規(guī)徑切削工作量。

綜上所述，從鉆頭井底動(dòng)態(tài)分布、受力分析，可以看出優(yōu)化后各齒尤其是鉆頭鼻部各切削齒的切削體積更加均衡，這就保證了各齒具有相同的壽命或相近的壽命，穩(wěn)定性好，有利于大幅提高鉆頭壽命。

圖5 鉆頭橫向不平衡力指向示意圖

2. 水力學(xué)仿真分析

井底較高的壓力梯度以及橫向漫流速度，能夠起到較好的巖屑沖擊翻轉(zhuǎn)和橫向運(yùn)移效果。

圖6 井底壓力云圖

圖7 井底流速云圖

從圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，在井底面上，噴嘴沖擊井底形成較高的射流壓力，其壓力梯度較高，利于在井底形成較高流速的橫向漫流，井底中心沒有出現(xiàn)低壓和低流速區(qū)域，井底中心和井底外緣位置均具有較高的沖擊壓力和流體流速，水力能量分布合理。從圖8中可以看出，在井底面上，流體沿著流道向井底邊緣運(yùn)動(dòng)，并且井底未出現(xiàn)明顯渦旋?；诜抡娣治雠c優(yōu)化結(jié)果，獲得適用川渝地區(qū)長(zhǎng)興組地層的高效PDC鉆頭的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖8 井底流速矢量圖

3. PDC鉆頭模具3D打印技術(shù)

模具成型是胎體PDC鉆頭制造中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是準(zhǔn)確實(shí)施鉆頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，模具成型精度及質(zhì)量直接影響成品PDC鉆頭的性能。通過將3D打印技術(shù)引入鉆頭模具制造領(lǐng)域，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，取得了較好效果。打印模具包括了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、模型診斷、分層處理、打印工藝參數(shù)優(yōu)化、無人職守模具打印、后期處理等6項(xiàng)工序，可以制作任意復(fù)雜曲面形狀的模具，將該技術(shù)引入鉆頭模具制造，配合現(xiàn)有軟模成型工藝，加工鉆頭基礎(chǔ)模具用于鉆頭制造，改進(jìn)了傳統(tǒng)模具加工工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭高效研發(fā)。

三、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

2016年9月18日在YA012-12井，對(duì)自主研發(fā)的CHS7135型抗扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)錐形齒PDC鉆頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆井參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)鉆井參數(shù)

鉆頭出井原因：鉆時(shí)變慢，起鉆更換鉆頭。

鉆頭磨損描述如圖9：鉆頭出井新度50%，水眼未堵塞，未發(fā)生泥包現(xiàn)象，未出現(xiàn)切削齒掉落,切削齒嚴(yán)重磨損1顆，主切削齒出現(xiàn)少量磨損，保徑齒磨損正常。

YA012-12井?149.2 mm井眼二疊系長(zhǎng)興組(5 008～5 203.13 m)采用CHS7135型PDC鉆頭鉆進(jìn)，平均單只鉆頭進(jìn)尺195 m，平均機(jī)械鉆速3.1 m/h，同比鄰井YA012-X7井進(jìn)口FX64鉆頭單只進(jìn)尺提高134%，平均機(jī)械鉆速提高109.46%；同比YA012-X8井國(guó)產(chǎn)鉆頭單只進(jìn)尺提高103%，平均機(jī)械鉆速提高134.85%。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，CHS7135型號(hào)PDC鉆頭在下川東二疊系長(zhǎng)興組適應(yīng)性強(qiáng)，同比國(guó)內(nèi)、外PDC鉆頭優(yōu)勢(shì)明顯，提速效果顯著。

圖9 鉆頭入井前后對(duì)比圖

四、結(jié)論

(1)基于難鉆地層巖石力學(xué)研究成果，提出了抗扭轉(zhuǎn)沖擊結(jié)構(gòu)+錐形切削齒為主體的PDC鉆頭方案，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在鉆頭模具制造環(huán)節(jié)引入3D打印技術(shù)，成功研發(fā)出適用于川東地區(qū)二疊系長(zhǎng)興組地層CHS7135型PDC鉆頭系列。

(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取得了突出的提速效果，平均單只鉆頭進(jìn)尺可達(dá)到195 m，平均機(jī)械鉆速3.1 m/h，同比鄰井同層位采用的進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭指標(biāo)均有大幅提高。

(3)鉆頭針對(duì)硅質(zhì)灰?guī)r及燧石結(jié)核地層的攻擊性及抗研磨性有待提高，下步須優(yōu)化切削齒切削角度和錐形齒布齒設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高鉆井整體速度。