徐小峰，李云峰，王昶皓，李士斌，宋 巍，周 巖，陳春來

1中國石油冀東油田鉆采工藝研究院 2東北石油大學(xué)

0 引言

冀東油田深部沙河街組地層巖性復(fù)雜[1]，具有硬度高、研磨性強。極不均質(zhì)等特點，導(dǎo)致鉆頭吃入地層困難[2-3]。前期使用5刀翼PDC鉆頭，冠部剖面形狀為直線—圓弧形，復(fù)合片數(shù)量為27片，通過不斷提高其攻擊性，復(fù)合片切削角度由21°降為19°再降為17°，但提速效果仍不明顯。鉆頭配備7個14 mm的等直徑噴嘴，中心和外圍噴嘴直射點漫流速度相近，沒有一定的速度梯度，不利于主刀翼切削的巖屑運移到鉆頭外環(huán)空。鉆進過程中，該鉆頭的平均機械鉆速僅為2.86 m/h，嚴(yán)重影響產(chǎn)能建設(shè)進程[4]，因此，急需針對現(xiàn)有PDC鉆頭攻擊性不足、巖屑運移能力差等缺點，進一步對切削齒后傾角和噴嘴組合進行優(yōu)化。

冀東油田深部沙河街組地層軟硬交錯，含礫砂泥巖互層，現(xiàn)有的PDC鉆頭在施工過程中易產(chǎn)生劇烈的橫縱向沖擊及嚴(yán)重的黏滑現(xiàn)象，從而造成鉆頭先期破壞，解決的關(guān)鍵在于深入了解地層抗鉆特性，設(shè)計與地層相匹配的高效鉆頭。謝翠麗等[5]采用?13 mm小型切削齒，在刀翼上添加了人造熱穩(wěn)定的聚晶金剛石塊作為輔助切削元件，在勝利油田軟硬交錯地層中取到了良好的應(yīng)用效果。周劍等[6]根據(jù)四川長寧頁巖氣區(qū)塊地層巖性變化復(fù)雜、硬度高、研磨性強、可鉆性差等特點，設(shè)計了弧線型5刀翼PDC鉆頭，通過優(yōu)化后傾角，提高了鉆頭的沖擊性，三長兩短刀翼設(shè)計，保證鉆頭穩(wěn)定性，后排采用PowerPick齒，防止鉆頭在鉆遇夾層時受到?jīng)_擊破壞，保障鉆頭進尺。

本文從分析沙河街組地層巖石的礦物組分、硬度及塑性系數(shù)、PDC鉆頭可鉆性等方面入手，獲得地層的抗鉆特性，然后分析鉆頭與地層之間的相互作用力，提出適用于深部復(fù)雜巖性地層的鉆頭優(yōu)化方案。

1 巖石礦物組分與抗鉆特性測試

1.1 巖心信息

測試所用巖心取自冀東油田高尚堡地區(qū)G23-39井和G23-74井的深部沙河街組地層，取心井段深度分布在3 800 m～4 300 m之間，巖心覆蓋性較全面，部分巖心信息見表1所示。

1.2 巖石礦物組分分析

采用X射線衍射分析技術(shù)(XRD)定量測試上述巖心的礦物組分，礦物組分及含量如圖1所示。

表1 部分巖心信息表

圖1 巖石礦物分組分析結(jié)果

冀東油田深部沙河街組巖石主要造巖礦物分布廣泛，其中石英、斜長石、白云石含量較多，部分巖石含有大量黏土。脆性礦物和黏土交替分布導(dǎo)致地層軟硬交錯，由于PDC鉆頭的冠部輪廓結(jié)構(gòu)形狀，不同部位的切削齒接觸地層的硬度不一樣而導(dǎo)致受力不均，造成蹩鉆、跳鉆現(xiàn)象甚至發(fā)生鉆頭先期損壞[7]。同時，石英等造巖礦物具有硬度高，性質(zhì)脆等特點，礦物顆粒本身難以被鉆頭破碎，當(dāng)井底不能及時清潔巖屑時破碎的顆粒將對鉆頭產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損[8]。

1.3 巖石抗鉆特性分析

1.3.1 巖石硬度與塑性系數(shù)測試

采用史力涅爾壓入法測試巖石的硬度與塑性系數(shù)，部分實驗結(jié)果見表2。實驗過程中存在壓頭崩齒的現(xiàn)象，如圖2所示，這說明巖石內(nèi)硬質(zhì)礦物含量高，局部壓入硬度過大，導(dǎo)致硬質(zhì)合金壓頭不能壓入巖石而發(fā)生損壞。

表2 硬度及塑性系數(shù)測試結(jié)果表

圖2 新壓頭與崩齒壓頭對比

1.3.2 巖石可鉆性測試

參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：《石油天然氣鉆井工程巖石可鉆性測定與分級》(SY/T5426—2016)對巖石樣品進行可鉆性測試，部分測試結(jié)果如表3所示。

表3 巖石可鉆性測試結(jié)果

1.3.3 測試結(jié)果分析

冀東油田深部沙河街組地層的礦物組分、硬度與塑性系數(shù)、可鉆性測試結(jié)果均存在嚴(yán)重的離散性，說明該地層的巖性復(fù)雜，巖石具有很強的非均質(zhì)性和各向異性。

表2中巖石的硬度分布在868～2 069 MPa之間，普遍表現(xiàn)為中軟-中硬，部分巖石硬度達7級。巖石的塑性系數(shù)在2左右，表現(xiàn)出較強的脆性，實驗時直接發(fā)生了脆性斷裂。由表3可見，巖石的可鉆性級值主要分布在6～10級，整體屬于難鉆地層，并伴隨著軟硬交錯，個別巖心出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。巖石硬度高，低鉆壓切削齒不能有效吃入地層，使巖石難以產(chǎn)生大體積剪切破碎，而只能以表面破碎或疲勞破碎方式破巖，導(dǎo)致破巖效率極低，這是影響機械鉆速的主要原因[9-11]。此外，黏土礦物在鉆井液的作用下水化膨脹具有強黏性，在巖屑的黏附和機械“鑲嵌”共同作用下引起PDC鉆頭泥包現(xiàn)象[12]。

因此，優(yōu)化切削齒后傾角和噴嘴組合，是提高PDC鉆頭的攻擊性和巖屑移運能力的關(guān)鍵[13]。

2 PDC鉆頭破碎巖石力學(xué)分析

2.1 PDC單齒復(fù)合片受力分析

假設(shè)通過鉆頭剛體作用于單個PDC切削齒的軸向載荷和水平載荷分別為FPN和FPS，其理論模型如圖3所示[14]。提取被切巖石的單元體及其對稱面，如圖4所示。

圖3 復(fù)合片的切削過程

圖4 巖體受力分析

井底壓差作用在自由表面ABEF上，其表面積為SP1；巖石剪切面ABCD的面積為SP2，剪切破壞角為θ。剪切面上受到正應(yīng)力σn和剪應(yīng)力τ作用：

(1)

(2)

按照摩爾-庫倫準(zhǔn)則，可解得切削齒工作面與刃前巖石作用力為：

(3)

式中：b—應(yīng)力分布系數(shù)，無量綱；θ—剪切破壞角，(°)；α—切削齒的后傾角，(°)；β—切削齒與接觸面CDFE間的摩擦角，(°)；d—復(fù)合片吃入地層深度，m；c—巖石的內(nèi)聚力，MPa；φ—巖石的內(nèi)摩擦角，(°)；ph—井筒壓力與地層壓力之差，MPa。

2.2 復(fù)合片后傾角對切削力的影響

通過求解公式(3)，可分析后傾角從5°到30°變化時切削齒所受到的軸向力和側(cè)向力。

如圖5所示，后傾角增大，軸向力先增大后平穩(wěn)，側(cè)向力則出現(xiàn)了一個明顯的拐點。當(dāng)后傾角為18°時側(cè)向力達到最大值，而軸向力最大值出現(xiàn)在后傾角25°時，但此時側(cè)向力已經(jīng)有顯著降低趨勢。由此可見，鉆頭切削齒后傾角在15°～20°時，在齒刃及切削面上產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使切削齒更容易切入地層，有利于發(fā)揮切削齒剪切破巖的優(yōu)勢，提高破巖效率。

圖5 切削齒受力與后傾角的關(guān)系

3 冀東油田深部難鉆地層鉆頭優(yōu)化

3.1 鉆頭切削齒后傾角優(yōu)化

建立PDC單齒切削仿真模型[15]，選取5°、10°、15°、20°四個不同后傾角分析切削齒破巖效果，如圖6所示，優(yōu)選適合該地層的破巖后傾角。

圖6 不同切削齒后傾角地層應(yīng)力云圖

當(dāng)切削齒后傾角為5°時，最大應(yīng)力集中于切削齒前端小范圍地層內(nèi)，隨著傾角的增大，其應(yīng)力及應(yīng)力作用范圍也隨之增大；當(dāng)切削齒后傾角為15°時，切削齒作用在巖層內(nèi)的側(cè)應(yīng)力以及產(chǎn)生應(yīng)力區(qū)域的范圍都達到最大；繼續(xù)增大后傾角到20°時，其應(yīng)力作用范圍有明顯減小。因此，可確定后傾角為15°時產(chǎn)生的破巖效果較佳。

3.2 鉆頭噴嘴優(yōu)化

為優(yōu)化鉆頭噴嘴尺寸，解決鉆頭泥包現(xiàn)象，設(shè)置兩組不同噴嘴組合鉆頭進行流場和壓力場模擬，分析流體輔助破巖與井底清潔效果。噴嘴尺寸由中心到外圍分別為：①2×?14 mm+5×?16 mm；②2×?16 mm+5×?14 mm，模擬結(jié)果如圖7所示。

如圖7(a)所示，兩組噴嘴模擬射流速度分別為19.83 m/s和21.86 m/s。圖7(b)所示，第一組噴嘴噴射出的流體在主刀翼上沒有形成很好的覆蓋，同時流體對鉆頭復(fù)合片有強烈的沖擊作用，易引發(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象，縮短鉆頭的使用壽命；第二組噴嘴在鉆頭底部形成由中心到井壁的漫流場，流體在刀翼和導(dǎo)流槽的覆蓋面全，漫流推力清除井底巖屑和冷卻鉆頭。圖7(c)所示，第二組噴嘴噴出流體均勻作用在鉆頭表面，沖蝕的嚴(yán)重性較小，增大內(nèi)部噴嘴尺寸具有很好的防沖蝕效果。

由此可見，中心噴嘴尺寸大于外圍噴嘴能在井底形成溫流場，產(chǎn)生更好的輔助破巖、保護鉆頭和清潔井底的效果。

圖7 第一組、第二組鉆頭噴組組合模擬結(jié)果對比

為得到最優(yōu)結(jié)果，選取噴嘴尺寸為：③2×?18 mm+5×?12 mm；④2×?17 mm+5×?13 mm；⑤1×?16 mm+1×?18 mm+5×?13 mm進一步進行模擬，結(jié)果如圖8。

第二組到第五組的最大流速分別為21.86 m/s、23.96 m/s、23.20 m/s和23.21 m/s，其速度場差別不大。而流場覆蓋面積來看，第四組和第五組均在鉆頭中心處產(chǎn)生了漩渦區(qū)[16]。漩渦區(qū)對流場及流體攜帶巖屑產(chǎn)生巨大的影響，巖屑在漩渦區(qū)會不斷沖刷鉆頭，將降低鉆頭壽命；第三組噴嘴組合中，沒有漩渦區(qū)產(chǎn)生，但在主刀翼的冠部沒有流線通過，說明該位置不能得到鉆井液很好的潤滑。綜合以上五組模擬結(jié)果，設(shè)計兩個?16 mm中心噴嘴+5個?14 mm外圍噴嘴更適合該地層鉆井過程中的冷卻、潤滑及井底清潔。

圖8 三組不同噴組尺寸組合下鉆頭流場及應(yīng)力場分布云圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

優(yōu)化后的鉆頭分別在高尚堡區(qū)塊A井水平段試驗兩井次，B井水平段試驗一井次，層位為沙河街組。A井第一次全新鉆頭入井，進尺731 m，純鉆時間為138.79 h，平均鉆速為5.27 m/h，中途測試作業(yè)需要起鉆；第二次全新鉆頭入井，累計進尺為458 m，純鉆時間為71.79 h，平均鉆速達到6.38 m/h，鉆達設(shè)計井深起鉆。B井全新鉆頭，累計進尺為633 m，累計純鉆時間為134.51 h，平均鉆速達到4.7 m/h，鉆達設(shè)計井深起鉆。

三井次現(xiàn)場試驗中，累計進尺1 822 m，單只鉆頭平均進尺607 m，累計純鉆時間345.09 h，平均機械鉆速5.45 m/h，比試驗前鉆頭的平均機械鉆速2.86 m/h提高了90.6%，如圖9所示。此外，優(yōu)化后的鉆頭還有助于降低鉆壓、減少鉆頭跳動等，提高鉆頭的穩(wěn)定性和方向控制。

圖9 試驗鉆頭機械鉆速及進尺統(tǒng)計

5 結(jié)論

(1)冀東油田深部沙河街組巖石主要造巖礦物以石英、斜長石、白云石等為主，具有硬度高，性質(zhì)脆的特點；巖石軟硬交錯、中硬巖石多且非均質(zhì)性較強，可鉆性差，低鉆壓切削齒不能有效吃入地層，使巖石不能產(chǎn)生大體積剪切破碎。

(2)建立地層—PDC鉆頭系統(tǒng)力學(xué)模型，分析鉆頭切削齒的后傾角在15°～20°之間在齒刃及切削面上產(chǎn)生的應(yīng)力集中較大。其中，后傾角15°時產(chǎn)生的破巖效果較佳。

(3)設(shè)置2個?16 mm的中心噴嘴+5個?14 mm的外圍噴嘴，可有效實現(xiàn)PDC鉆頭在冀東油田深部地層鉆進中的冷卻、潤滑及井底清潔。