劉志鵬 曾恒 周學軍

四川川石·克銳達金剛石鉆頭有限公司

新疆維吾爾自治區(qū)吐哈油田柯克亞構造具有較大的勘探開發(fā)潛力，但是該構造的中深部發(fā)育有大段煤層，鉆進過程中井壁坍塌、縮徑、卡鉆等現(xiàn)象頻發(fā)。嚴重的甚至造成鉆頭掉齒、斷刀翼等井下事故，嚴重影響了PDC鉆頭在該區(qū)的推廣使用。本著高效、防卡的基本要求，以一只215.9mmCK506型鉆頭為例開展了該地層用PDC鉆頭的個性化設計研究，以期達到3方面技術效果：①對鉆頭的布齒和刀翼布局進行優(yōu)化設計，保證鉆頭具有足夠的使用壽命和較高的機械鉆速。②對鉆頭進行特殊的防蹩卡結構設計，提高鉆頭在破碎性地層中應對井下掉塊的能力。③提高鉆頭在井底的穩(wěn)定性和抗沖擊性，最大限度減少鉆頭在井底的振動及復雜運動[1]。從而減輕井下掉塊對鉆頭的傷害，延長鉆頭的使用壽命，提高PDC鉆頭的進尺和速度。

1 鉆頭的個性化設計

圖1為該區(qū)中深部地層起出鉆頭使用后實際磨損情況，鉆頭外錐部位切削齒崩損嚴重，保徑部位有明顯損傷。分析認為造成這種現(xiàn)象的原因主要是井下掉塊落入流道中，這些井下掉塊在扭矩和鉆壓的作用下對鉆頭產(chǎn)生憋卡作用，對鉆頭切削齒和本體造成了嚴重損傷。因此，我們從冠部輪廓、徑向與周向布齒、特殊保徑等重點內容入手進行鉆頭個性化設計。

圖1 出井后的常規(guī)PDC鉆頭照片

1.1 冠部輪廓設計

冠部輪廓設計是PDC鉆頭設計的基礎，它直接影響著鉆頭的布齒和受力[2]。鑒于柯克亞構造中深部地層可鉆性極值高，軟硬交錯頻繁，加之鉆柱長，容易導致鉆頭發(fā)生振動等特點，根據(jù)鄰井鉆頭使用情況及硬地層PDC鉆頭設計經(jīng)驗，該鉆頭選用“直線—圓弧—直線”的冠部形狀和六刀翼布局設計，相鄰刀翼之間夾角約為60°。目的是通過提高鉆頭的穩(wěn)定性和增加鉆頭外肩部的布齒密度有效延長鉆頭的使用壽命[3]。圖2為鉆頭的冠部形狀及徑向布齒設計。

圖2 215.9mmCK506鉆頭徑向布齒圖

1.2 切削齒選擇及布齒密度的確定

小尺寸的PDC齒吃入硬巖層的能力強，而大尺寸的PDC齒對軟巖層的切削效率高。因此在PDC鉆頭設計過程中，隨著地層硬度或可鉆性極值的增加，選用的切削齒的尺寸逐漸趨小[4]?？紤]柯克亞構造中深層以煤層為主，夾有致密砂巖、礫石層等，確定主切削齒為16mm。

鉆頭布齒密度是根據(jù)地層巖石的強度和研磨性等參數(shù)確定的。一般情況下，在地層強度較高，研磨性較強時采用高密度布齒以延長鉆頭使用壽命。而在地層強度較低時，適當降低布齒密度可增大單齒分擔的破碎功，加快鉆頭鉆進速度[5]。根據(jù)柯克亞構造巖層的力學性質，采用了“中密度”布齒，以便在保證鉆頭使用壽命的前提下盡量提高鉆頭的機械鉆速。

1.3 徑向及周向布齒設計

PDC鉆頭的徑向布齒設計一般遵循3項原則：等切削原則、等功率原則和等磨損原則。根據(jù)巖石破碎學相關理論和高溫高壓條件下巖石力學相關理論，井底巖石在巨大的井筒液柱壓力和圍壓作用下，巖性有從脆性向塑性轉變的趨勢，切削齒與巖石互作用指數(shù)（n）趨于1，此時3個布齒原則的數(shù)學計算模型基本相同，因此215.9mmCK506鉆頭統(tǒng)一按照等切削原則進行徑向布齒設計[6]。

此外，該鉆頭還采用了自適應布齒技術，即鉆頭的布齒可以隨鉆遇地層性質的變化在一定程度范圍內自動調整其地層適應性[7]。當鉆遇較軟地層時，切削齒的吃入深度值比較大，此時各切削齒的切削量不均度增加，鉆頭的切削結構的地層適應性變“軟”，破巖效率升高。而當鉆遇較硬地層時，切削齒的吃入深度值比較小，此時各切削齒的切削量不均度降低，鉆頭的切削結構的地層適應性變“硬”，切削齒均承受工作載荷，以利于保障切削齒的壽命。

1.4 特殊保徑結構設計

應對地層掉塊、卡鉆是該型號PDC鉆頭的主要研究方向之一，圍繞這一目的，對該型號鉆頭的保徑結構進行了特殊設計[8]：

1）摒棄常規(guī)PDC鉆頭設計中保徑塊與刀翼銜接的設計方式，而是在縮短鉆頭刀翼尾部保徑塊長度的同時，將保徑塊整體上移一定距離，同時4個保徑塊圍繞鉆頭軸線呈90°均勻分布，并盡可能與鉆頭排屑槽相對應。在提高鉆頭工作穩(wěn)定性的同時拓展排屑空間，保證井底掉塊順利通過鉆頭表面進入環(huán)空，保徑塊也有助于遮擋上部井壁的大掉塊落入鉆頭流道，降低鉆頭發(fā)生蹩卡現(xiàn)象的概率（圖3）。

圖3 215.9mmCK506鉆頭三維模型圖

2）增加冠部流道寬度，增加鉆頭與井底、井壁間的容屑空間[9]。

3）采用鋼體式結構，使鉆頭刀翼具有較強的沖擊韌性。

2 鉆頭的仿真分析與優(yōu)化設計

初步完成215.9mmCK506鉆頭方案后，借助PDC鉆頭數(shù)字化鉆進仿真系統(tǒng)和CFD軟件對設計方案進行了力平衡分析和井底流場分析，在此基礎上對鉆頭的方案進行了優(yōu)化設計。

2.1 力平衡設計

鉆進過程中，PDC切削齒承受徑向力、切向力、軸向力和彎矩等作用力，這些力的大小與鉆頭冠部形狀、切削齒的布置方式和定位參數(shù)等直接相關。這些力的矢量和在垂直于鉆頭軸線的平面上產(chǎn)生一個靜不平衡力（其值通常與鉆壓成正比，大小用所占鉆壓的百分比表示），它是導致PDC鉆頭偏離幾何中心旋轉的根本原因[10]。

力平衡設計通過對切削齒布置參數(shù)的調整，一方面使鉆頭的橫向不平衡力顯著降低（小于鉆壓值的5%），布齒參數(shù)優(yōu)化后鉆頭的橫向力約為鉆壓的3.9%。從而保證鉆頭具有良好的工作穩(wěn)定性；另一方面使鉆頭上易磨損區(qū)域內的切削齒工作負荷趨于均衡（切削量變化幅度不高于15%）。圖4、5分別為優(yōu)化前后的各切削齒切削體積分布圖，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的均衡，這就保證了各齒具有相同或相近的壽命，從而有效延長了鉆頭的使用壽命。

圖4 優(yōu)化前的各齒切削體積分布圖

圖5 優(yōu)化后的各齒切削體積分布圖

2.2 井底流場分析

在PDC鉆頭鉆進過程中，鉆井液對鉆頭表面的沖洗、冷卻和潤滑是保證鉆頭正常工作的一個非常重要的條件，所以PDC鉆頭的井底流場分析與水力結構優(yōu)化設計的重要性尤其突出[11－12]：

1）使各刀翼間的流量形成合理的分配，以達到各刀翼巖屑生成量和鉆井液流量的均衡匹配，避免鉆頭在軟地層的泥包[9]。

2）使鉆頭表面保持合適的流速分布，以避免切削齒熱磨損或鉆頭基體沖蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3）減少流場中的渦旋數(shù)量，有效提高巖屑運移效率和減少鉆頭基體沖蝕。

圖6 鉆頭冠部流速云圖

由圖6可以看出鉆頭的各刀翼的工作面流速分布較高，這將有利于巖屑及時清除出PDC切削齒表面。但同時在鉆頭的1號、5號刀翼工作面鼻部位置（圖6中紅色），2號、3號、4號、6號刀翼背面均有過高的流速分布（紅色），這些過高的流速分布有可能會對鉆頭基體造成沖蝕。尤其是鋼體式鉆頭，鉆頭本體強度相對較低，更容易造成沖蝕。該鉆頭出井后刀翼表面的沖蝕情況與模擬運算的結果完全吻合（圖7）。這也印證了井底流場分析的正確性。只是在鉆頭方案設計過程中，一方面鉆頭冠部清洗效果較好，另一方面各刀翼對應的水力能量分配也比較合理，對這一可能造成沖蝕的結果沒有過多關注。

圖7 鉆頭冠部沖蝕照片

3 結論

1）新型PDC鉆頭在吐哈油田破碎性地層中純鉆234.58h，總進尺1 339m，一趟鉆完成1 866～3 205 m井段鉆進任務，與鄰井相比，節(jié)約起下鉆超過了5次起下鉆工作量和作業(yè)時間，技術經(jīng)濟效益明顯。PDC鉆頭的個性化設計為此類地層鉆井提速提供了切實可行的技術思路。

2）新型PDC鉆頭出井后，除兩顆齒由于井下掉塊蹩卡非正常損壞外，其余PDC齒磨損均衡，鉆頭冠部未因蹩卡造成損傷，說明該鉆頭的力平衡設計有助于提高鉆頭在井底的穩(wěn)定性和磨損的均衡性，采用鋼體式結構和特殊保徑設計能夠有效應對破碎性地層的井底掉塊問題。另一方面，這也啟發(fā)我們在進行PDC鉆頭的個性化設計時要敢于創(chuàng)新。

3）鉆頭出井后，冠部沖蝕情況與借助于CFD軟件對鉆頭的井底流場分析的結果完全吻合，這說明將CFD分析技術應用于PDC鉆頭水力結構的優(yōu)化設計是切實可行的。鑒于鉆井液對鉆頭沖蝕的程度與鉆井液成分、鉆頭工作時間等因素直接相關，還不能定量分析多大的井底流速會造成鉆頭的沖蝕，這也是下一步筆者研究的重點。

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