深部及復雜地層中PDC鉆頭綜合改進方法

王濱 鄒德永 李軍 楊宏偉 黃濤

1.中國石油大學（北京）石油工程學院；2.中國石油大學（華東）石油工程學院

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，淺層易開發(fā)常規(guī)油氣資源越來越少，而深部復雜非常規(guī)油氣資源正逐步成為勘探開發(fā)的重點，在深井超深井及復雜地質條件下，經常會遇到諸如花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆巖石，常用的破巖工具（如牙輪、PDC和金剛石鉆頭）在破碎這類巖石時通常出現破巖速度慢、鉆頭壽命短、破巖成本高等問題，但由于PDC鉆頭相比與牙輪和金剛石鉆頭具有更加優(yōu)良的改進空間和潛力，因此越來越多得受到國內外研究學者及鉆頭廠家的重視。為拓寬PDC鉆頭在深部及復雜地層中的應用范圍，筆者通過對國內外PDC鉆頭產品及相關改進技術進行研究，從提高破巖效率、延長使用壽命、增強穩(wěn)定性、優(yōu)化定向性4個方面提出了PDC鉆頭綜合改進方法，進而采用該方法設計多只PDC鉆頭在華北、東北等油田的花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆地層中進行現場鉆進試驗，效果較好。

1 PDC鉆頭改進方法

1.1 提高破巖效率

1.1.1 提升PDC齒抗沖擊性和熱穩(wěn)定性 PDC齒主要通過采用六面頂壓機分層多次投料、多步升溫加壓熱壓而成，PCD層與WC層的交界面往往采用具有尖銳棱邊的凹凸狀，這樣合成的PDC齒具有工藝簡單、成本低、耗時短、報廢率低等優(yōu)勢，在淺-中深井軟～中硬地層及地質鉆井中取得了較好的效益，但是在深部復雜地層中，由于巖石硬、研磨性強，PDC齒與地層的沖擊和摩擦作用較為強烈，會很快出現崩齒、碎齒、熱磨損嚴重等現象，因此需要對PDC齒的抗沖擊和熱穩(wěn)定性進行優(yōu)化，目前比較成熟有效的技術有聚晶金剛石分層技術、催化劑（通常為鈷）濾除技術、兩步投料技術及非平面界技術等［1-2］。

1.1.2 優(yōu)選PDC齒型號 目前常用的PDC切削齒尺寸（外徑）主要有4種，分別為：10 mm、13 mm、16 mm和19 mm，鄒德永等［3］通過室內實驗研究發(fā)現對于可鉆性Ⅲ級以下的巖石，?19 mm PDC齒破巖效率最高，而對于花崗巖、硬砂巖、玄武巖等可鉆性Ⅲ級以上的硬巖，則?16 mm PDC齒破巖效率最高，因此若設計適用于深部硬巖的PDC鉆頭，為提高其破巖效率，PDC齒型號應選用1610。

1.1.3 增布異型加強齒 完好的PDC齒具有剪切破巖效率高的特點，在軟～中硬地層可取得較好的使用效果，但在硬巖及非均質地層中，則容易出現崩齒、碎齒等事故，其破巖方式隨之由高效的剪切破巖向低效的磨削破巖方式轉變，鉆頭磨損速度加快，破巖效率快速降低，因此單純依靠增布PDC齒難以達到有效提升鉆頭破巖效率的目的，此時就需要通過增布異型加強齒來實現，如金剛石孕鑲塊、錐形、斧形PDC齒等［4-9］，如圖1所示，通過增布異型齒并優(yōu)選布齒參數，一方面可以形成多級混合切削結構，輔助主齒進行破巖，提高主齒發(fā)生嚴重磨損后鉆頭的破巖效率，另一方面還可起到控制鉆頭吃入深度（控深）的作用，保護PDC主齒免受因瞬時吃入深度過大而發(fā)生的沖擊損壞。

圖1 異型加強齒示意圖Fig.1 Sketch of heterotypic enhanced tooth

1.1.4 加強鉆頭中心單元的破巖效率 PDC鉆頭中心布齒空間小，所以PDC齒“切削弧長”較大；布齒半徑小，所以PDC齒切削線速度低，這都會導致中心巖柱不能被快速破碎而降低鉆頭整體破巖效率。該現象在軟～中硬均質地層中并不明顯，但在硬巖及復雜地層中會使冠頂附近PDC齒重復破巖而加速鉆頭磨損，因此應對鉆頭中心布齒參數及輔助破巖結構進行改進，具體方法如下：（1）減小中心PDC齒直徑，如采用直徑13 mm的PDC齒，降低切削弧長，增加吃入巖石能力；（2）適當減小中心PDC齒的后傾角，控制為10～12°，以增大其剪切破巖效率；（3）鉆頭中心布置異型切削齒，如錐形齒等［10］，利用其良好的抗沖擊性能沖擊壓碎中心巖柱；（4）近鉆頭中心處增布高壓水射流噴嘴或適當增大近鉆頭中心的噴嘴直徑、減小噴距［11-12］，利用其射流沖擊作用輔助破碎中心巖柱。

1.1.5 優(yōu)化鉆頭水力結構 當鉆進軟巖及超軟地層時，防止鉆頭發(fā)生“泥包”是水力結構設計的重要參考因素，但當鉆進諸如花崗巖、玄武巖、硬砂巖等地層時，巖石硬度大、可鉆性差，產生的巖屑顆粒較小且黏附性差，因此鉆頭發(fā)生“泥包”的概率很低，但由于這些巖屑具有較高的強度和研磨性，會在水射流的作用下包裹在PDC鉆頭周圍，形成強沖蝕作用的“砂包”，從而導致鉆頭發(fā)生嚴重的磨料磨損和“掉齒”現象，而且由于切削齒與巖石的摩擦更加劇烈，熱磨損也會更加嚴重，所以需要對PDC鉆頭水力結構進行優(yōu)化，具體方法如下：（1）適當增加冠頂肩部及外錐處噴嘴和井底的距離，以增大井底逆流層厚度，減小逆流速度，減弱鉆頭沖蝕［13］；（2）增加噴嘴數目，做到一個刀翼至少配置一個噴嘴，以充分冷卻PDC齒同時快速清潔井底并輔助破巖；（3）靠近鉆頭中心增布噴嘴，且傾角取值小于45°，通過與外圍噴嘴相互配合，引導鉆頭中心的流體盡快向外流動，減少磨料顆粒的滯留；（4）優(yōu)化噴嘴組合，為了保證液流的合理分布從而充分冷卻鉆頭和排屑，應盡可能選用等徑噴嘴或相鄰序號噴嘴并均布在鉆頭冠部，且噴嘴直徑應大于8 mm以防發(fā)生堵塞。

1.2 延長使用壽命

現場應用表明，在花崗巖、硬砂巖等強研磨性硬巖中鉆進時，PDC鉆頭普遍磨損嚴重，PDC齒磨損高度可達其直徑的40%，同時冠頂及肩部的個別PDC齒還常會出現過早失效等現象，這都會導致鉆頭提前報廢，因此保證PDC齒在更長的時間內“完好+鋒銳”是延長鉆頭壽命的一個重要設計思路，可通過調整冠頂及附近PDC齒的布齒參數來實現。

1.2.1 等速磨損原則+平緩冠部弧線+特殊布齒機構 設計PDC鉆頭時為了防止冠頂及附近個別PDC齒過早發(fā)生嚴重磨損而導致鉆頭整體失效，應采用“等速磨損”的設計原則，即鉆頭冠部弧線（Bit Profile）盡量平緩，如增大內錐角、減小冠頂旋轉半徑等，這樣一方面可以增大布齒空間，另一方面則使PDC齒受力更加均勻，促進其均勻磨損，提高鉆頭壽命，國外為進一步降低冠頂處PDC齒的破巖負擔，將冠頂附近曲面設置為平面，使得每個破巖周期中冠頂至少有8～16顆PDC齒同時接觸新地層，有效分攤了冠頂PDC齒所受到軸向和扭轉沖擊力，在花崗巖和砂巖中取得了提高鉆頭破巖效率和壽命雙重效果。

鉆頭等速磨損設計原則還可通過設計特殊的布齒機構來實現，如美國史密斯公司所開發(fā)的“360鉆頭”［14］，其冠頂PDC齒通過采用特殊結構設計可進行360°自轉，從而在不增加冠頂PDC齒切削弧長的前提下提升可用弧長，增加了鉆頭壽命（對于常規(guī)鉆頭，PDC齒切削弧長等于可用弧長，對于360鉆頭，PDC齒切削弧長遠小于可用弧長），但360鉆頭也存在特殊布齒機構結構復雜可靠性差等問題，需要進一步改進優(yōu)化。

1.2.2 加密布齒 隨著巖石硬度與可鉆性極值的增大，布齒密度對鉆頭破巖效率的影響逐漸減弱［3］，但通過提高布齒密度可以有效降低單齒載荷，降低崩齒碎齒情況的出現，所以加密布齒可作為延長鉆頭使用壽命的一個重要手段，目前加密布齒方法有2種：后排加密布齒和二級加密布齒［15-17］，如圖2所示，其中后排加密布齒方法由于具有軌道選擇靈活、地層適應性強、技術簡單可靠、布齒類型多樣、工藝成本低等優(yōu)勢，得到了廣泛的應用，因此在鉆進硬地層時建議采用后排加密布齒以保證鉆頭壽命。

圖2 不同加密布齒方法示意圖Fig.2 Sketch of different tooth infilling methods

1.2.3 優(yōu)選后傾角和PDC齒出刃高度 PDC齒后傾角和出刃高度是影響PDC鉆頭破巖效率和使用壽命的重要因素，在軟地層中，隨著PDC齒后傾角減小和出刃高度增加，其破巖效率呈現增大趨勢，最優(yōu)值為10～15°，但大量現場及室內實驗表明，在深井及復雜地層條件下，隨著巖石硬度和抗鉆性極值的增大，PDC齒后傾角及出刃高度對鉆頭破巖效率影響程度明顯降低，此時若后傾角取值較小、出刃高度取值較大，會使得PDC齒和巖石接觸應力快速增加，較大的軸向沖擊力會導致崩齒碎齒等事故，因此根據現場實踐經驗，在鉆遇硬巖時，建議冠頂及附近PDC齒后傾角取值15～20°，出刃高度小于5 mm。

1.3 增強穩(wěn)定性

硬地層巖石的高強度、高研磨和非均質特性對PDC鉆頭的穩(wěn)定性提出了更加苛刻的要求，需要在減緩渦動、增強鉆頭對巖石適應性、加強保徑等方面進行優(yōu)化設計。

1.3.1 減緩渦動 鉆遇硬巖時，由于切削齒吃入巖石深度小、巖石非均質性強、螺旋線布齒等原因，使得PDC鉆頭因為受力不平衡而進入渦動狀態(tài)，發(fā)生沖擊損壞，因此降低鉆頭所受到的不平衡力、減緩渦動的發(fā)生對提升鉆頭穩(wěn)定性十分重要，可采取如下措施：（1）采用多級內錐的布齒剖面線，即改傳統(tǒng)的單內錐為多級內錐，越靠近鉆頭中心內錐角越小，在保證鉆頭冠部切削齒等速磨損的前提下，盡量提高其破巖穩(wěn)定性；（2）采用力平衡布齒方式，提升切削齒合力中心的內聚性，降低鉆頭受到的側向力［18-19］；（3）采用非均勻布置刀翼方法［20］，微調刀翼的周向布置角，打破鉆頭發(fā)生渦動時的固有頻率；（4）在鉆頭后方布置“平衡翼”，來抵消PDC鉆頭鉆遇不同巖石交界面時產生的不平衡力矩［21］。

1.3.2 增強鉆頭對巖石適應性 當地層非均質性較強巖石強度的變化較大時，相同鉆壓下PDC齒吃入巖石深度會有所不同，所受沖擊力大小會隨之劇烈變化，現場試驗證明，地層的軟硬交錯變化是導致PDC齒發(fā)生嚴重沖擊損壞的重要原因，因此穩(wěn)定每個破巖周期內PDC齒的吃入深度對提升鉆頭穩(wěn)定性至關重要，目前國內外研究人員主要是通過在PDC主齒后方布置“控深結構”（見圖3）來實現鉆頭對不同性質巖石的“等深吃入”，從而最終達到在復雜地層中平穩(wěn)鉆進目的，“控深結構”有剛性“控深結構”，如硬質合金塊、球形 PDC齒等［22］，也有彈性“自適應控深結構”，如裝有彈簧的后排輔助PDC齒等［23-24］（圖3），目前剛性“控深結構”因其結構簡單性能可靠，得到了廣泛應用，對于長井段均質硬巖地層具有較好使用效果，“自適應控深結構”則對復雜地層具有更好的適應能力，是未來的發(fā)展趨勢。

1.3.3 加強保徑 當鉆進軟～中硬地層時，由于井壁巖石強度低，因此通過降低鉆頭側向切削能力來防止井眼擴徑，進而抑制渦動失穩(wěn)，是增加鉆頭穩(wěn)定性的重要設計原則，此時保徑主要采用“被動保徑”方式，如平置PDC齒、布置硬質合金塊或低摩擦保徑塊等，低摩擦保徑塊可采用金剛石孕鑲塊的設計方法，通過優(yōu)選金剛石粒度和胎體配方來增強其抗磨和“打滑”性能，“被動保徑”通過降低鉆頭與井壁之間摩擦，抑制鉆頭貼向井壁誘發(fā)渦動。但當鉆進強研磨性硬巖時，由于保徑齒與井壁摩擦更加劇烈，同時“砂包［25］”的存在也使沖蝕磨損更加嚴重，導致鉆頭保徑齒磨損加劇甚至脫落，更易出現縮徑而發(fā)生渦動失穩(wěn)，因此通過增強鉆頭側向切削能力來防止鉆頭縮徑，是鉆進硬巖時增加鉆頭穩(wěn)定性的主要設計原則，此時就需要對鉆頭進行加強保徑設計，如采用“主動保徑+被動保徑”的混合保徑方式，“主動保徑”通過在保徑段加密布置PDC齒（如1308型）或增加主動保徑段長L1實現，從而提升鉆頭主動切削井壁巖石性能，抑制鉆頭縮徑，如圖4所示。

圖3 鉆頭控深結構示意圖Fig.3 Sketch of bit depth control structure

圖4 鉆頭加強保徑結構示意圖Fig.4 Sketch of enhanced bit diameter retention structure

1.4 優(yōu)化定向性

鉆頭定向性是非常規(guī)資源采用定向井勘探過程中PDC鉆頭結構優(yōu)化的重要設計方面［26］，PDC鉆頭定向性可由“導向性”和“操控性”2個指標進行評價，“導向性”表示為鉆頭鉆進時主動改變前進軌跡的能力，可用“前進角（Walk angle）”模型進行定量描述［27］；“操控性”表示為鉆頭工具面控制的難易程度，目前還沒有合適的定量描述模型。理想情況下，定向性良好的PDC鉆頭應同時具有良好的導向性和操控性，但實際上，鉆頭的導向性和操控性往往相互制約，如導向性越好的PDC鉆頭其工具面通常也越難控制，此時就需要根據地層特性對鉆頭結構進行改進，并輔助以井下定向工具和鉆壓優(yōu)選，以綜合優(yōu)化鉆頭的定向性。

1.4.1 優(yōu)選“主動保徑”和“被動保徑”配合方式及參數 國內外大量理論研究及現場實踐表明，PDC鉆頭保徑類型和保徑段長對其定向性能有著重要影響，S.Menand等人通過研究發(fā)現［28-29］，“主動保徑”方式對鉆頭定向性的調節(jié)能力明顯強于“被動保徑”方式，且隨著二者長度的減小，鉆頭的定向性隨之增強。為此建議：（1）當地層巖性單一均質性好、井斜角設計較小且只進行小范圍改變時，建議采用混合保徑方式（保徑長度取L2＞＞L1）或單一的“被動保徑”方式（L2取較大值），以適當降低鉆頭的導向性增加操控性；（2）當地層巖性單一均質性好且需要進行大角度定向鉆井時，建議采用混合保徑方式（保徑長度取L2≥L1）或單一的“主動保徑”方式（L1取較小值），以適當降低鉆頭的操控性增加導向性；（3）當地層巖性復雜均質性差且需要進行大角度定向鉆井時，則建議采用混合保徑方式（保徑長度取L2≥L1，L2和L1長度適當增加）并配合使用井下定向工具，以同時增加鉆頭導向性和操控性。

1.4.2 調整布齒參數 鉆頭冠頂PDC主齒及保徑齒后傾角大小會對鉆頭定向性產生影響：（1）當增大冠頂PDC齒后傾角（＞15°）并減小保徑PDC齒的后傾角（＜10°）時，鉆頭側向切削性能提升，導向性隨之升高，但是由于鉆頭趨向于貼附井壁，所以更易進入渦動狀態(tài)，操控性下降，此時就需要適當減小鉆壓以加強對鉆頭工具面的控制，這種配合方式比較適用于單一均質地層；（2）當減小冠頂PDC齒后傾角（＜15°）并增大保徑PDC齒的后傾角（＞10°）時，鉆頭側向切削性能減弱，導向性隨之降低，但操控性上升，此時可以通過配合井下定向工具對鉆頭的定向性進行綜合調節(jié)，以實現在復雜非均質地層中定向鉆進。鉆頭保徑PDC齒完整與否也會對鉆頭定向性產生影響，當保徑齒進行預切齒處理后，切齒深度越大，其破巖性能越差，鉆頭側向切削能力越低，導向性也降低。因此通過調節(jié)冠頂PDC主齒和保徑齒后傾角及保徑齒切齒深度可實現根據不同地層性質優(yōu)化鉆頭定向性的目的。

2 現場應用

為了進一步驗證PDC鉆頭綜合改進方法的使用價值，設計了6只PDC鉆頭分別在華北、東北等油田的花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆地層進行現場試驗。

2.1 鉆頭技術指標

6只PDC鉆頭均使用了本文的改進方法，在PDC齒布齒參數、冠部曲線參數、水力及保徑結構設計等方面進行了優(yōu)化。PDC鉆頭具體技術指標如表1，設計及實物圖如圖5，A～D鉆頭用于直井段鉆進，E和F鉆頭用于定向井段鉆進。

2.2 鉆頭使用效果分析

6只實驗PDC鉆頭與同地層的常規(guī)PDC鉆頭及牙輪鉆頭的使用效果對比見表2所示。

圖5 6只實驗PDC鉆頭設計及實物圖Fig.5 Design and object of 6 tested PDC bits

表1 6只PDC鉆頭技術參數Table 1 Technical parameters of 6 PDC bits

表2 6只實驗PDC鉆頭與同地層常規(guī)PDC鉆頭及牙輪鉆頭使用效果對比Table 2 Application effect comparison between 6 tested PDC bits and the conventional PDC bits and cone bits in the same formation

分析表2可以發(fā)現，通過對PDC鉆頭進行改進，A、B、E、F這4只實驗鉆頭在破巖效率（鉆速）和使用壽命（進尺）兩方面均獲得了優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭的使用效果，C、D鉆頭雖然破巖效率比常規(guī)PDC鉆頭和牙輪鉆頭提升并不明顯，但使用壽命有明顯提升。另外，6只鉆頭起鉆后整體新度較新，仍具有繼續(xù)鉆探的能力。

需要說明的是，雖然沒有對實驗鉆頭的穩(wěn)定性和定向性進行量化評價，但穩(wěn)定性的提升和定向性的優(yōu)化也會對鉆頭整體破巖效率和使用壽命的提升起到促進作用，因此可以認為實驗鉆頭在破巖效率、使用壽命、穩(wěn)定性和定向性等4個方面均得到了一定程度的提升或優(yōu)化。這說明PDC鉆頭綜合改進方法具有良好的適用性和使用價值。

3 結論及建議

（1）通過對國內外PDC鉆頭最新產品及相關技術進行研究，從提高破巖效率、延長使用壽命、增強穩(wěn)定性、優(yōu)化定向性4個方面提出了深部及復雜地層條件下PDC鉆頭綜合改進方法，應用該方法設計了6只PDC鉆頭用于華北、東北等油田的花崗巖、硬砂巖、礫巖等難鉆地層，均取得了優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭及牙輪鉆頭的破巖效率和使用壽命，說明該綜合改進方法具有良好的適用性和使用價值。

（2）PDC鉆頭個性化設計是實現深部及復雜地層油氣資源高速高效鉆探開發(fā)的重要手段之一，但是目前關于深部硬巖及礫巖的破巖機理及規(guī)律仍存在認識不到位等不足，還需要從實驗和理論研究等角度進一步深入探究；另外對于復雜未知地層，對鉆頭本身進行結構優(yōu)化同時，還應將井下工具、鉆頭、鉆進參數三者作為一個整體進行綜合優(yōu)化，以期提高鉆頭本身性能的同時，綜合降低鉆井成本，這也是下步重點研究方向。

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