長慶油田隴東三維水平井用PDC鉆頭 個性化設計

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，容易發生井下落物事故，嚴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化設計，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，切削齒選擇了預倒角邊緣加強齒及雙重保護切削結構，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°，切削齒側轉角為5°，采用切邊齒保徑設計，保徑塊采用中等長度（50～60mm）螺旋形低摩阻設計。
　　1 隴東區塊目的層延長組巖石可鉆性分析
　　隴東區塊延長組砂巖主要為凝灰質不等粒砂巖、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?？紫栋l育較差，大小顆粒雜亂分布。泥巖主要是深灰色泥巖、黑色磷質泥巖。利用實鉆巖心對該層巖石可鉆性級值進行了室內試驗，結果見表1。
　　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，軟硬地層交替出現，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鉆頭適應性較差，機械鉆速低，制約了該區塊的快速開發。
　　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，根據井上實際情況進行了定向井段的剖面優化設計，要求PDC鉆頭具有良好的工具穩定能力，有效的提高定向施工效率，應選用鉆頭刀翼裙部較短，鉆頭側向力相對較弱的五刀翼設計。排泄道暢通避免了因冷卻不均導致復合片產生熱效應而失效。
　　復合鉆井技術具有高轉速特征，鉆頭的絕對轉速可近似認為是轉盤轉速和螺桿轉速之和。對于常規低速大扭矩螺桿，轉速也在110 r/min以上，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。
　　3 新型PDC鉆頭結構優化設計
　　3.1鉆頭刀翼及鉆頭冠部形狀設計PDC鉆頭的刀翼越多，鉆頭工作越穩定，鉆頭使用壽命越長，但是機械鉆速較低，根據長慶油田隴東區塊延長組定向施工經驗，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。
　　針對隴東區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，為了應對地層軟硬交錯，采用19mm優質復合片，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計，中等布齒密度，同時為了增加其穩定性，還采用螺旋刀翼設計，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構設計1）雙重保護切削結構設計。三維水平井用鉆頭需要完成直井段負位移的調整、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。合理的設計吃入深度控制結構，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[7]。綜合考慮隴東區塊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。
　　2）切削齒形狀和尺寸選擇。隴東區塊延長組含有軟硬交互層，當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，容易導致切削齒崩斷、碎等事故的發生[8-10]。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。
　　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。根據隴東區塊地層可鉆性評價結果，地層可鉆性級值在3～7級，主切削齒應選用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輕微磨損后繼續對地層進行有效切削，同時減少鉆遇夾層時的振動，保證其穩定性，使得在定向鉆進過程中能夠按照預定的軌跡鉆進。
　　3）切削角度設計。切削角度包括后傾角和側轉角，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，切削齒承受的負荷也越大，在使用中更容易破損而影響鉆頭壽命。用于復合鉆進的PDC鉆頭設計中，還必須綜合考慮鉆頭的正向切削能力和側向切削能力。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。側向切削能力反映了鉆頭側向吃入地層的能力，側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塊地層特點和水平井剖面設計的技術需求，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°，切削齒側轉角為5°，這樣的切削角度設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荷而損壞，在鉆遇軟硬交界地層時，扭矩值會出現較大的波動，為了保證工具面的穩定，需要降低鉆壓平穩過渡。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，因此切削齒側轉角為設計為5°，使得鉆頭具有適中的側向切削能力，在定向鉆進中這樣可使得工具面較穩定，同時在鉆遇軟硬交界面時配合鉆壓和轉數的變化可很好的避免形成臺階。
　　4）布齒密度和布齒方法。根據隴東區塊巖石可鉆性，鉆頭采用了五刀翼、中密度布齒設計。為適應復合鉆進的高轉速要求，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部位的布齒密度。布齒數量和各切削齒位置按“力平衡原則”設計，橫向不平衡力控制在鉆壓的3％以內，“力平衡設計”顯著降低由鉆頭切削作用而產生的井下振動，增加鉆頭工作時的穩定性，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保徑結構設計保徑結構設計采用了主動保徑結構和被動保徑結構相結合的設計方案，如圖4所示。主動保徑結構保徑齒分為切邊的和不切邊的。為減小復合鉆進鉆頭引起的扭矩和工具面的波動，在復合鉆進PDC鉆頭設計中普遍采用了切邊齒保徑設計，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，在復合鉆進鉆頭設計中，綜合考慮了鉆頭的穩定性和側鉆能力，確定采用中等長度（50～60mm）螺旋形低摩阻保徑塊設計，保證鉆頭的工作穩定性和鉆出光滑規則的井眼。海勝M5365LDB-215.9型鉆頭為5刀翼19mm鉆頭，主動保徑齒采用13mm優質復合片，這種設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，并且具有很好的穩定性。切邊齒保徑設計，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，影響工具面的穩定。中等長度（50～60mm）保徑塊設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，增加其穩定性，對于不規則井眼還具有修正功能。
　　4應用效果分析
　　研制的長慶油田隴東區塊水平井鉆進用個性化PDC鉆頭共試驗5井次，鉆頭穩定性好，抗沖擊性強, 造斜鉆進時工具面穩定，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用效果。
　　5結論
　　為提高隴東區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、保徑結構等條件的基礎上，優化設計了中錐型剖面，預倒角和雙重保護切削結構，選用16mm主切削齒，13mm輔助切削齒，切削齒后傾角漸變和5°切削齒側轉角，切邊齒保徑的個性化PDC鉆頭，通過現場試驗，機械鉆速和單只鉆頭進尺均取得了較好的效果，滿足了該區水平井鉆井提速的需要，具有較高推廣價值。