李鳳樂++李軍委

摘 要：文章重點(diǎn)介紹了側(cè)鉆井造斜、穩(wěn)斜隨鉆擴(kuò)眼鉆頭的設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，總結(jié)出了其主要性能特點(diǎn)及存在的問題，為今后的進(jìn)一步推廣應(yīng)用指出了方向，同時(shí)指出了該型鉆頭在側(cè)鉆大斜度定向井、側(cè)鉆水平井施工過程中應(yīng)有的高性能。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；隨鉆擴(kuò)眼；個(gè)性化設(shè)計(jì)；開窗

中圖分類號(hào)： TE245 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）20-182-2

0 引言

鑒于側(cè)鉆井技術(shù)在提高老油田采收率方面具有投資少、成效大、見效快的優(yōu)勢(shì)，為側(cè)鉆井技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。鉆頭作為最關(guān)鍵的工具之一 ，其質(zhì)量好壞直接影響到井眼質(zhì)量和鉆進(jìn)速度。

分析已鉆井位鉆頭技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)有鉆頭平均單只進(jìn)尺146m，平均機(jī)械鉆速1.18m/h，平均鉆頭使用效果指數(shù)為2.80，使用效果指數(shù)[1]不佳；在可導(dǎo)向鉆具上使用時(shí)穩(wěn)定性方面較差，擴(kuò)眼憋鉆；其原因是反扭矩太大，另一方面是 PDC鉆頭扭矩對(duì)鉆壓變化非常敏感，再一方面井底粘滑鉆具振動(dòng)[2]。本文通過優(yōu)化鉆頭剖面形狀，優(yōu)化布齒、力平衡計(jì)算設(shè)計(jì)、優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)等技術(shù)方面得到改善[3]，取得優(yōu)良使用指標(biāo)。

1 隨鉆擴(kuò)眼PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 鉆頭冠部剖面形狀

我國石油鉆井所遇地層大都是軟硬交錯(cuò)的非均質(zhì)地層，性質(zhì)單一的大段均質(zhì)地層則很少。針對(duì)地層非均質(zhì)的特點(diǎn)，綜合考慮冠部剖面形狀對(duì)鉆頭壽命和鉆進(jìn)速度的影響，選擇雙錐型冠部剖面作為PDC鉆頭的基本剖面形狀。研究分析表明，直線—橢圓方程可以較好地?cái)M合這些剖面形狀。這樣，就可以建立一個(gè)PDC鉆頭冠部剖面形狀的通用設(shè)計(jì)模型。

1.2 鉆頭布齒設(shè)計(jì)

布齒設(shè)計(jì)是PDC鉆頭設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，對(duì)PDC鉆頭的鉆進(jìn)效率、穩(wěn)定性和工作壽命都有著十分重要的影響。布齒設(shè)計(jì)包括切削齒尺寸選擇、切削齒數(shù)量及布置方式設(shè)計(jì)、切削齒工作角設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

PDC切削齒尺寸與地層可鉆性的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)中得知，在中硬地層可鉆系數(shù)為5

1.3 鉆頭力平衡設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，沖擊載荷引起的切削齒的碎裂是導(dǎo)致PDC鉆頭過早失效的主要原因。

雙心鉆頭由于其特殊的外形設(shè)計(jì)，與常規(guī)全面鉆進(jìn)鉆頭有不同的力平衡關(guān)系，其不平衡度往往比較大，通過預(yù)擴(kuò)眼段等技術(shù)方案的改進(jìn)與實(shí)施，其刀翼與其擴(kuò)出的井眼在周向上接觸范圍大于180°，限制了其向?qū)ΨQ面的移動(dòng)，同時(shí)，由于預(yù)擴(kuò)眼部分的存在，也減少了主擴(kuò)眼段的破巖任務(wù)，保證了鉆頭的穩(wěn)定性。鉆頭將不平衡力控制在1%以下，與常規(guī)PDC鉆頭基本相同，保證了鉆頭的使用壽命及井眼質(zhì)量。

1.4 鉆頭水力設(shè)計(jì)

1.4.1 水嘴配置

安裝數(shù)量不等、孔徑大小不一的水嘴，避免鉆頭冠部泥漿低流速區(qū)域和滯留區(qū)域，以滿足鉆頭自我清洗、冷卻和巖屑返排的需求。水眼的數(shù)量按本文設(shè)計(jì)實(shí)例，5 7/8"鉆頭冠部設(shè)置4只14號(hào)水嘴，擴(kuò)眼刀翼部分設(shè)置3只12號(hào)刀翼共計(jì)7只水眼。水嘴的當(dāng)量直徑為2.19cm，過流面積600mm2，射流速度21.62m/s。方位角和噴射角度 冠部4只水眼方位角間隔45°均分360°，噴射角度定義為水眼軸線與鉆頭中心軸線成15°～22°。擴(kuò)眼部分水眼的方位角受擴(kuò)眼刀翼限制，在擴(kuò)眼刀翼間，噴射角度定義為水眼軸線與鉆頭中心軸線成25°～30°。

1.4.2 排屑槽設(shè)計(jì)

排屑槽的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮降低泥漿從噴嘴射流反射到鉆頭體能量，最大限度地增加鉆頭過流面積，降低對(duì)鉆頭體的沖蝕，確保巖屑運(yùn)排過程中的流暢無阻。因此排屑槽應(yīng)滿足如下要求：

在考慮現(xiàn)有鉆頭的基礎(chǔ)上，排屑槽剖面形狀曲線擬合為G3連續(xù)；排屑槽寬度和深度應(yīng)在保證刀翼強(qiáng)度下，最大限度的增加尺寸。（表1）

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鑒于目前國內(nèi)鉆后擴(kuò)眼工具的技術(shù)水平只能擴(kuò)到30°的技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合已鉆井?dāng)U眼使用情況，決定在*8C井使用隨鉆定向擴(kuò)眼鉆頭，選擇使用本文涉及的149mm×165mm×118mm BTF336型鉆頭。下文為周邊實(shí)鉆技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表。由表2看出，改進(jìn)后的 PDC鉆頭使用效果明顯提高，平均單只進(jìn)尺為171m，平均機(jī)械鉆速為1.62m/h，最高單只進(jìn)尺244m，最高機(jī)械鉆速1.78 m/h。

3 存在的問題及改進(jìn)方向

3.1 鉆頭材料的選擇

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本課題研制的側(cè)鉆開窗隨鉆擴(kuò)眼PDC鉆頭在造斜段、穩(wěn)斜段與國產(chǎn)同行業(yè)產(chǎn)品相比，在機(jī)械鉆速和進(jìn)尺方面都有較大進(jìn)步，與進(jìn)口PDC鉆頭相比，在機(jī)械鉆速方面相當(dāng)，但進(jìn)尺略低。主要原因是鉆頭在研制過程中嚴(yán)格按照本文設(shè)計(jì)思路實(shí)施，實(shí)踐中對(duì)地層的攻擊性和適應(yīng)性也能夠得到此類設(shè)計(jì)適于施工的印證，但國產(chǎn)的PDC復(fù)合片切屑齒材料在磨耗比和抗沖擊性等指標(biāo)上較國外行業(yè)還是有些差距。因此在選配切屑齒時(shí)應(yīng)以注重磨耗比和抗沖擊性綜合指標(biāo)材料的選取。

3.2 穩(wěn)定性的優(yōu)化

偏心鉆頭較常規(guī)PDC鉆頭在穩(wěn)定性上有一定的差距，因此在設(shè)計(jì)上優(yōu)先判斷鉆頭的穩(wěn)定性問題。鉆頭的攻擊性為第二考慮重點(diǎn)。通常在設(shè)計(jì)過程中，穩(wěn)定性和攻擊性互為矛盾，這就要求設(shè)計(jì)者要考慮將本文所提的設(shè)計(jì)流程按步驟逐步優(yōu)化，直至將不平衡度降為最低。

4 結(jié)論

①該鉆頭設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

②造斜鉆頭側(cè)向切削能力強(qiáng)、造斜率高，能滿足短半徑側(cè)鉆定向井的要求。

③平均單只鉆頭進(jìn)尺高，機(jī)械鉆速快，壽命長，鉆進(jìn)平穩(wěn)。

④經(jīng)過力平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)PDC鉆頭的進(jìn)尺及機(jī)械鉆速有較大提高。

⑤雖該鉆頭較國產(chǎn)鉆頭優(yōu)勢(shì)較明顯，但較國外同行業(yè)產(chǎn)品而言，還有部分差距，下一步的主要工作方向是材料的選取和使用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄒德永，孟祥雨，等.基于模式識(shí)別的鉆頭選型新方法[J].石油鉆探技術(shù)，2016，44（2）：40-45.

[2] 祝效華，等.PDC鉆頭粘滑振動(dòng)機(jī)理分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（4）：13-16.

[3] 許朝輝，高德利.側(cè)鉆開窗PDC鉆頭的個(gè)性化設(shè)計(jì)[J].油氣田地面工程，2014，33（2）：5-6.

[4] 鄒德永，曹繼飛，等.硬地層PDC鉆頭切削齒尺寸及后傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39（6）：91-94.

[5] 鄒德永，蔡環(huán).布齒參數(shù)對(duì)PDC鉆頭破巖效率影響的試驗(yàn)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，33（5）：76-79.