石油復合PDC鉆頭設計特點及應用

　　早在80年代中期,勝利油田就開始試用PDC鉆頭,但只在渤南等少數地層巖性相對較為均質的地區取得了較好的效果。在勝利油田大部分地區一直沒有好的指標和效益,絕大部分PDC鉆頭損壞的主要特征為齒柱折斷、復合片碎裂、沖蝕等,還受到額外作用力的影響,造成非正常損壞。結合PDC鉆頭使用的地區和地層層段,認為PDC鉆頭的損壞有下面幾點原因:(1)地層硬夾層較多:是PDC鉆頭上復合片碎裂、掉片或齒柱式切削齒斷裂的主要原因,因為PDC鉆頭在鉆進過程中,從軟地層鉆至硬夾層時,鉆頭不同部位的切削齒切削地層時受力不均,造成鉆頭出現蹩鉆、跳鉆現象,導致切削齒因受力較大而碎裂或折斷。如果地層傾角較大,對切削齒造成更嚴重的損壞。因此即使同樣的鉆井參數,鉆進硬地層比鉆進軟地層容易損壞。(2)PDC鉆頭水力參數不適合:使用PDC鉆頭時,如比水功率選擇過大,就會造成鉆頭基體嚴重沖蝕,致使切削齒柱或噴嘴脫落。如果比水功率過小,對復合片清洗冷卻不利,在軟地層中易造成鉆頭泥包,在硬地層中易造成復合片的熱加速磨損。由于勝利油田地層多夾層且軟硬交錯的特點,往往出現PDC鉆頭的先期損壞,致使鉆井指標與使用牙輪鉆頭相比沒有明顯的提高,加之PDC鉆頭的價格較高,不能提高經濟效益,這是常規PDC鉆頭在勝利油田沒有市場的主要原因。因此,研制適合多夾層地層的復合型PDC鉆頭,是提高鉆井速度,降低鉆井成本,提高綜合經濟效益的關鍵所在。

　　一、鉆頭設計特點

　　1.冠部輪廓設計:針對勝利油田的多夾層地層的特點,采用等磨損原則和等切削原則相結合進行冠部輪廓設計,確定出適合鉆進多夾層地層的鉆頭冠部輪廓形狀。2.切削結構設計:鉆頭切削結構設計包括切削齒的大小尺寸、切削角度、布齒密度,布齒方法等因素。考慮到常規PDC鉆頭損壞的主要特征是:掉片、崩片、剝蝕脫層和過度磨損等現象,設計了旨在防止PDC復合片早期損壞的切削結構---復合切削結構,采用一定的布齒方法和密度實現的。(1)切削齒的大小:根據所鉆地層的巖性特點,選擇直徑為13mm的PDC復合片作為主切削元件,選擇適當尺寸的人造熱穩定聚晶金剛石作為輔助切削元件,形成復合切削結構,以利于鉆進硬夾層。(2)切削角度:根據所鉆地層的軟硬程度、巖性特點及PDC復合片的破巖特點,隨著地層硬度的由低到高,切削齒的切削角度逐漸由小到大,切削齒側轉角則取垂直于螺旋刀翼線法線的角度。(3)布齒密度:適合多夾層地層的鉆頭的布齒密度是根據所鉆地層的硬度和研磨性而決定。鉆頭在軟硬地層交界面上工作時易產生振動,造成鉆頭鼻部和圓弧過渡帶切削齒掉片、崩片和剝蝕脫層而先期損壞,因此,適當布置同軌齒來提高布齒密度,加強PDC切削齒的抗沖擊性。(4)布齒方法:切削齒布置包括徑向布置和周向布置。復合PDC鉆頭的切削齒布置設計,是利用西南石油學院編制的PDC鉆頭計算機輔助設計軟件設計后,經過調整形成更合適的切削齒布置和定位。(5)切削齒的布置方式:PDC鉆頭一般采用兩種布齒方式:刀翼式和散布式。根據地層軟硬交錯的特點,采用刀翼式布齒,容易形成復合切削結構,在軟地層加強清洗和攜帶巖屑效果,硬夾層加強冷卻效果。3.鉆頭水力結構設計PDC鉆頭的水力結構關系到鉆頭的工作性能好壞和使用壽命的長短。PDC切削齒由于受地層硬度和研磨性以及瞬時載荷影響外,另一個主要因素就是PDC鉆頭,基體和切削齒受水力沖蝕而影響鉆頭的使用壽命。針對PDC鉆頭的水力結構和鉆頭沖蝕特征,對新型復合PDC鉆頭的水力結構設計如下:(1)調整噴嘴的方位角和噴射角度:在能夠勝任冷卻PDC鉆頭、清洗井底和攜帶巖屑的基礎上,適當調整噴嘴的方位角,可減少水力能量對切削齒和刀翼體的沖蝕。(2)增加鉆頭排屑槽的深度:使噴嘴射流反射到鉆頭體的能量大大降低,使鉆頭表面的過流面積增大,減輕射流對鉆頭基體的沖蝕。4.穩定性設計:對新型復合式PDC鉆頭的穩定性設計,主要涉及到了以下幾個方面。(1)力平衡設計:按“力平衡原則”設計鉆頭,可顯著降低由鉆頭的切削作用而產生的井下振動,增加鉆頭穩定性等。(2)螺旋刀翼設計:螺旋式刀翼能夠降低鉆頭回旋作用,有助于鉆井液攜帶巖屑,清洗井底,高鉆頭的穩定性。(3)同軌布齒設計:同軌布齒有助于把鉆頭恢復到居中旋轉,提高其穩定性,增加某些關鍵部位的切削齒分布密度。(4)混合布齒設計:復合PDC鉆頭的切削結構設計主切削件是PDC切削齒,容易減小鉆頭在軟～硬交界面處引發各種振動。

　　二、新型復合PDC鉆頭應用

　　按照上述鉆頭設計制造的新型復合PDC鉆頭,在勝利油田純70-2井第一次下井使用。鉆頭自2014m入井鉆至完鉆2625m,地層層位為沙一段～沙四段。進尺為611m,機械鉆速為8.64m/h,鉆頭起出后新度在85%以上。接著該鉆頭在利932井第二次下井使用,鉆進井段為1736～2100m,層位自沙一段至沙四段,進尺為364m,平均機械鉆速為7.14m/h。鉆頭起出后基本上沒有進一步磨損,仍可再次使用。該鉆頭又在純70-7井第三次下井使用。由于該井使用刮刀鉆頭鉆進到1810m時井斜較大,使用PDC鉆頭糾斜,順利地鉆至設計井深2610m完鉆,并使井斜角降到0.5度,進尺為800m,平均機械鉆速為11.72m/h。該鉆頭鉆井總進尺1775m,相當于3只H517牙輪鉆頭的進尺,創油田單只PDC鉆頭最高進尺新記錄。

　　新型復合PDC鉆頭試驗成功后,在勝利油田各地區進行了推廣應用,使用井段主要是含軟硬交錯地層的東營組至沙河街組地層。據現場使用資料統計:新型復合PDC鉆頭在直井段的平均單只進尺1110m,比牙輪鉆頭進尺提高了1倍以上,機械鉆速比牙輪鉆頭提高了40%以上。新型復合PDC鉆頭的應用大大提高了鉆井速度,降低了鉆井成本,取得了顯著經濟效益。此外,由于新型復合PDC鉆頭鉆壓小、進尺多、負荷低等因素,減少了起下鉆次數和井下事故次數,降低了工人勞動強度。