胡書鍇，田 鋒，李漢月，穴 強(qiáng)，郭敬屯，高清春，張召峰，于洪波

(1長江大學(xué) 2中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司第三鉆井分公司 3中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司定向井分公司 4中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司)

地?zé)豳Y源是一種清潔高效的非常規(guī)新能源，加強(qiáng)地?zé)崮芨咝ч_發(fā)，是當(dāng)前國內(nèi)外能源形勢(shì)的客觀需求[1-2]。肯尼亞地?zé)岣患瘏^(qū)地層主要由火山噴發(fā)巖沉積的開放性隆起構(gòu)造組成，鉆井難度大[3-4]。以O(shè)LKARIA區(qū)塊為例，從地表到目的層都由火山巖組成。除地層巖石硬、研磨性高等特性之外，地層溫度極高，地表300 m溫度高達(dá)180℃以上，深井最高溫度達(dá)350℃。出于對(duì)PDC鉆頭切削齒熱磨損效應(yīng)的考慮，認(rèn)為高溫地?zé)徙@井中不適合使用PDC鉆頭，因此，國內(nèi)外在解決高溫地?zé)峋龅降膯栴}時(shí)，多是基于牙輪鉆頭來開展的[5-7]，很少將PDC鉆頭應(yīng)用于高溫地?zé)徙@井中，導(dǎo)致地?zé)徙@井效率不夠理想。

本文通過對(duì)高溫地?zé)徙@井鉆頭破巖機(jī)理的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，結(jié)合高研磨性地層PDC鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化PDC切削齒結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新PDC扁噴嘴水眼結(jié)構(gòu)，優(yōu)選耐熱耐沖擊PDC復(fù)合片并突破國內(nèi)脫鈷技術(shù)極限，設(shè)計(jì)并研制了超高溫地?zé)酨DC鉆頭，在現(xiàn)場取得了成功應(yīng)用。

一、超高溫地?zé)酨DC鉆頭設(shè)計(jì)

1.切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肯尼亞地?zé)徙@井地層巖石自2 500 m以下井段，以粗面巖、凝灰?guī)r和玄武巖為主，含有石英、赤鐵礦、正長石等中等硬度、較高研磨性巖石成份，巖石可鉆性級(jí)值在6級(jí)左右，主要采用空氣泡沫鉆井工藝[8]和牙輪鉆頭鉆進(jìn)[7]，但鉆進(jìn)效率不夠理想。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的鉆頭使用情況及高研磨性硬地層PDC鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種適用于?215.9 mm井眼的地?zé)徙@井PDC鉆頭。采用5刀翼胎體式結(jié)構(gòu)，保徑長度：94 mm，主切削齒：21枚/?19 mm，規(guī)徑齒：12枚/?16 mm，二級(jí)后備齒：17枚/?16 mm，倒劃眼齒：5枚/?16 mm。其三維模型如圖1所示。

圖1 PDC鉆頭3D設(shè)計(jì)模型圖

利用現(xiàn)有PDC鉆頭數(shù)字化鉆進(jìn)分析技術(shù)[9]對(duì)該P(yáng)DC鉆頭進(jìn)行了數(shù)字化仿真分析，發(fā)現(xiàn)在鉆頭吃深為1.00 mm/轉(zhuǎn)(鉆速4.50 m/h左右)時(shí)，在鉆頭180°方向上形成了一個(gè)較大橫向力。分別對(duì)各刀翼的翼間角調(diào)整優(yōu)化為：82.03°、70.69°、77.94°、64.30°。通過優(yōu)化調(diào)整可使該鉆頭橫向不平衡力系數(shù)控制在0.064以內(nèi)，滿足工程要求。

通過仿真分析還發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)單位時(shí)間段內(nèi)第11、13號(hào)齒的切削體積相對(duì)于其他齒明顯偏高，而這顆齒正好位于鉆頭冠頂位置的外側(cè)鉆頭最易受到破壞的部分，而第4和第15顆齒的切削體積又相對(duì)較小，如圖2所示。

圖2 PDC鉆頭各切削齒切削體積分布圖

后續(xù)鉆頭設(shè)計(jì)主要針對(duì)以上問題進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，比如通過調(diào)整這些齒的定位半徑，使其各切削齒的瞬時(shí)切削體積的分布更加規(guī)律，并進(jìn)一步降低鉆頭橫向不平衡力系數(shù)。

2.“扁噴嘴”水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PDC鉆頭應(yīng)用于高溫環(huán)境下的地?zé)徙@井施工，金剛石復(fù)合片的熱磨損應(yīng)為鉆頭主要失效形式之一，因此在特殊環(huán)境下如何提高鉆頭的冷卻效率，應(yīng)為地?zé)徙@井用PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從提高鉆井循環(huán)介質(zhì)循環(huán)效率，強(qiáng)化冷卻能力的角度考慮，提出了一種新的水眼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案——“扇形扁噴嘴”(簡稱“扁噴嘴”)結(jié)構(gòu)。該噴嘴的出口形狀為類矩形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 “扁噴嘴”水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在相同的排量及泵壓下，常規(guī)鉆頭由于噴嘴過流面積小且噴嘴數(shù)量較少，總過流面積小，因此整體噴射流速較高；對(duì)于“扁噴嘴”鉆頭，其有效過流面積增大，整體流速有所降低，且鉆頭處壓耗較低，可更有效利用鉆井循環(huán)系統(tǒng)的水力能量。而且，“扁噴嘴”對(duì)于整個(gè)刀翼的冷卻清洗較為均勻，切削齒表面流速值的梯度比較平緩，并且在高切削量的位置流速相對(duì)較高，這一特點(diǎn)尤其適合于地?zé)徙@井，明顯優(yōu)化提高了水力能量的分配，降低了出現(xiàn)部分齒熱量過高的情況。數(shù)值模擬表明：相比傳統(tǒng)噴嘴，“扁噴嘴”水力結(jié)構(gòu)能夠使切削齒表面流速分布更均勻，巖屑運(yùn)移及切削齒的冷卻效果更好，如圖4所示。

圖4 扁噴嘴介質(zhì)流速云圖

3.PDC復(fù)合片優(yōu)選

PDC復(fù)合片是鉆頭的最重要的切削元件，“熱磨損”現(xiàn)象是難鉆地層PDC鉆頭切削齒失效的主要原因。因此，在高溫地?zé)峋甈DC鉆頭的研制過程中，除了在水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用針對(duì)性的冷卻措施以外，還必須在耐熱、耐沖擊高性能PDC復(fù)合片技術(shù)上下功夫。

共選取了六種性能較好的PDC復(fù)合片作為優(yōu)選對(duì)象，其中包括國外三家公司的四種齒和國內(nèi)具有代表性的兩家公司的兩種齒。分別開展了C掃描分析、表面SEM檢測、VTL濕磨檢測、落錘沖擊檢測、旋轉(zhuǎn)沖擊檢測和脫鈷層檢測等七項(xiàng)檢測分析。具體指標(biāo)參數(shù)見表1所示。

表1 PDC復(fù)合片樣品規(guī)格參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測試分析結(jié)果表明，從耐磨性上，1613XM、1308CKF、1613PR、1613GOS和1613C五種齒的耐磨性能均較好，且差異不大。而從沖擊載荷測試實(shí)驗(yàn)中可以看出，1308CKF、1613XM、1613GOS和1613PR四種齒性能相近。而從總體情況來看，國外的切削齒綜合性能較國內(nèi)兩種齒要高一個(gè)層次。在完成基齒的性能比較分析后，將上述六種齒都進(jìn)行脫鈷技術(shù)處理，以增強(qiáng)在地?zé)徙@井條件下的高溫耐磨、耐沖擊性能。

在制造PDC復(fù)合片時(shí)通常采用鈷、鎳、鐵作為燒結(jié)助劑對(duì)金剛石粉進(jìn)行超高壓高溫?zé)Y(jié)，鈷在PDC復(fù)合片燒結(jié)過程中起到了催化劑的作用，但在PDC復(fù)合片的使用過程中造成了破壞性的影響。為此，引入了復(fù)合片“脫鈷”技術(shù)思想。所謂“脫鈷”，就是通過各種技術(shù)工藝手段，使復(fù)合片中彌散分布的鈷析出，從復(fù)合片的金剛石層脫離，以防止金剛石石墨化和減少熱膨脹帶來的應(yīng)力集中裂紋，提高PDC復(fù)合片的耐熱性和耐磨性。復(fù)合片經(jīng)脫鈷后，其抗磨性能可得到顯著提高(室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，耐磨壽命最高可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)之多)。

對(duì)上述六種基齒進(jìn)行脫鈷處理后，開展了脫鈷PDC復(fù)合片耐磨性能檢測、旋轉(zhuǎn)沖擊檢測和脫鈷層深度分析。結(jié)果表明，1613GOS齒和1613ZT齒耐磨性能相當(dāng)，耐磨性較強(qiáng)；1613C齒和1308CKF齒耐磨性能相當(dāng)，耐磨性適中；1613PR齒和1613XM齒性能相當(dāng)，耐磨性較差。其中的1613GOS齒抗沖擊性性能優(yōu)異，在實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測試條件下，可承受6 052次沖擊載荷，且發(fā)生崩損后刃口小，裂紋擴(kuò)展不明顯，具備了應(yīng)用于肯尼亞地?zé)徙@井鉆頭的切削齒的高溫耐磨性、高抗沖擊性等綜合力學(xué)性質(zhì)。1613GOS復(fù)合片同樣具有良好的脫鈷性能，脫鈷深度達(dá)到了0.42～0.5 mm(國外最大脫鈷深度為0.6 mm)，耐磨性能顯著提高，從而為深部難鉆地層高性能個(gè)性化金剛石鉆頭提供了有力的關(guān)鍵材料保障。

二、現(xiàn)場應(yīng)用效果

選取了肯尼亞項(xiàng)目某地?zé)峋? 000 m以下井段進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)井段為2 497～3 000 m(斜井段，井斜角20°)，巖性為粗面巖、黑花崗巖、微花崗巖，2 600 m以后以微花崗巖為主。鉆頭在2 497 m入井，一直鉆到設(shè)計(jì)井深3 000 m，總進(jìn)尺503 m，純鉆時(shí)間67.2 h，平均鉆速為7.5 m/h。

與同平臺(tái)3口鄰井(使用牙輪鉆頭)鉆井情況進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比情況見表2。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，PDC鉆頭進(jìn)尺比牙輪鉆頭的平均單只進(jìn)尺提升了465.2%，相當(dāng)于6.3只牙輪鉆頭的進(jìn)尺，純鉆時(shí)間提升了194.0%，ROP提升了91.8%。

表2 PDC鉆頭與鄰井三牙輪鉆頭性能指標(biāo)對(duì)比

三、結(jié)論

(1)研制了超高溫地?zé)峋畬Ｓ肞DC鉆頭。設(shè)計(jì)了新型“扁噴嘴”水力結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了高溫冷卻效果；優(yōu)選抗沖擊復(fù)合片，突破國內(nèi)復(fù)合片深脫鈷技術(shù)極限，提高了切削齒耐熱、耐磨、耐沖擊性能。

(2)研制的超高溫地?zé)徙@井專用PDC鉆頭平均機(jī)械鉆速7.49 m/h，相比牙輪鉆頭提升91.8%，單只專用PDC鉆頭的進(jìn)尺相當(dāng)于以前的4～9只牙輪鉆頭，極大地提高了高溫地?zé)峋@井效率。