AD區塊復合鉆井用PDC鉆頭個性化設計

　　滑動鉆井與旋轉鉆井相結合是復合鉆井技術的一大優點。滑動鉆井定向糾斜與旋轉方式鉆井有效地減少了起下鉆次數，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，是一種高效的可控鉆井方式。近年來，世界各國普遍利用井下動力鉆具-轉盤或頂驅復合鉆井技術來提高鉆井速度，但井下動力鉆具容易發生轉速降低或制動現象，達不到復合鉆井的預期效果。AD區塊查干組地層非均質性強，可鉆性波動幅度大，地層軟硬極為懸殊，并交替出現，對PDC鉆頭的工作極為不利，筆者針對該區塊地層特點，研制了復合鉆井用個性化PDC鉆頭。
　　
1 AD區塊查干組巖石可鉆性分析
　　
A D區塊查干組地層厚度在3 5～397.85m，砂巖主要為凝灰質不等粒砂巖、凝灰質含礫不等粒砂巖、凝灰質砂礫巖、凝灰質中砂質細砂巖、凝灰質含泥不等粒砂巖和薄層不含凝灰質的砂礫巖。砂巖一般為細粒到中粒，分選中等，顆粒排列中等到緊密。孔隙發育較差，大小顆粒雜亂分布。利用實鉆巖心對該層巖石可鉆性級值進行了室內試驗，如表1所示。
　　
由表1可知，該層位巖石非均質性極強，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，地層軟硬極為懸殊，并交替出現，對PDC鉆頭的工作極為不利。對該層位采用了復合鉆井技術，由于該技術高轉速，多工況的技術要求，以及該區塊復雜的地層特點，造成現有PDC鉆頭適應較差，機械鉆速低，因此開展了該層位復合鉆井用PDC鉆頭個性化設計。
　　
2 復合鉆井技術對PDC鉆頭要求
　　
復合鉆井技術具有高轉速特征，鉆頭的工作轉速一般會高于170 r/min。由于沒有活動部件，高轉速對PDC鉆頭造成的影響較小。但復合鉆井時鉆頭工作轉速是常規轉盤鉆井的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，應優選抗沖擊性能較好的金剛石復合片，并加強鉆頭保徑的耐磨性，保證鉆頭使用壽命。
　　
復合鉆井技術具有多工況特征。用于復合鉆進的PDC鉆頭，在滑動鉆井時要具有較低扭矩的特性，滿足擺放工具的需要，在旋轉鉆井時對地層又要具有較好的吃入性，提高破巖效率和機械鉆速。應綜合考慮鉆頭設計參數，滿足增斜、穩斜、扭方位等不同工況和快速鉆進的需要。
　　
3 新型PDC鉆頭結構優化設計3.1 鉆頭冠部形狀設計
　　
PDC鉆頭冠部形狀決定著PDC鉆頭的布齒面，將影響鉆頭的穩定性、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，其中平底型和淺錐型，由于內錐較淺，起不到穩定鉆頭的作用，鉆頭工作時很容易產生橫向振動，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重的影響。中錐型冠部剖面形狀具有一定深度的內錐和較大的布齒面積，外部區域可布置較多的切削齒；一定深度的內錐可起到穩定鉆頭的作用，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，主要適用于高轉速鉆頭的設計。
　　
針對AD區塊查干組地層軟硬交錯，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，這種剖面設計同時兼顧了復合鉆進PDC鉆頭對造斜性能的要求。
　　
3.2 切削齒的選擇與切削結構設計
　　
3.2.1 雙重保護切削結構設計
　　
復合鉆進用鉆頭需要完成造斜、穩斜、扭方位等多個工況，對PDC鉆頭的綜合性能要求較高。合理的設計吃入深度控制機構，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，又不會明顯降低復合鉆進時的機械鉆速。綜合考慮AD區塊查干組地層情況和復合鉆井特點，最終采用雙重保護切削結構，如圖1所示。這種結構不僅可以獲得穩定的鉆頭工作扭矩，對提高鉆頭壽命也起到重要的作用：在鉆頭鉆遇硬地層或礫巖層時，輔助切削齒分擔冠部切削齒的鉆壓，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，這種雙重切削結構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。
　　
3.2.2 切削齒形狀和尺寸選擇
　　
AD區塊查干組含有軟硬互層和礫巖層，由于礫石相對地層較硬，引起切削礫石的切削齒承受較大鉆壓和扭矩，同時在相對較軟地層中鉆進的鉆頭的機械鉆速較快，因此在與較硬礫石接觸時容易導致切削齒崩斷、碎等事故的發生[5]。為消除應力集中，減小切削齒崩裂失效的可能性，采用了預倒角結構，如圖2所示，錐度為10°，錐面長度為2mm。通過預倒角結構，提高切削齒抵抗軸向和切向沖擊載荷能力。