大慶油田登婁庫組PDC鉆頭設(shè)計與應(yīng)用

巫 剛，陳瑞誠

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司鉆頭廠，黑龍江大慶 163461）

1 概述

PDC 鉆頭在軟到中地層具有機械鉆速高、鉆頭進尺多和使用壽命長的特點，但在中到硬的地層存在機械鉆速低和進尺少的問題。大慶油田登婁庫組地層埋藏深度在3000～3600m左右，巖性以深紫色泥巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖、深紫色粉砂質(zhì)泥巖、綠灰色泥巖、灰色含礫粗砂巖等為主。常規(guī)PDC 鉆頭在使用過程中出現(xiàn)了如下問題：一是鉆頭不能有效鉆進，機械鉆速低；二是鉆頭磨損嚴重，使用壽命短；三是鉆頭進尺少，增加了鉆井作業(yè)成本。

針對大慶油田登婁庫組地層的地質(zhì)特點，結(jié)合大慶鉆探工程公司的“三大兩高”（大排量、大鉆壓、大扭矩，高轉(zhuǎn)速、高泵壓）提速策略，開展登婁庫組地層PDC鉆頭結(jié)構(gòu)的個性化設(shè)計工作，設(shè)計了一種新型的登婁庫組地層高效PDC鉆頭。

2 地質(zhì)情況

大慶油田各區(qū)塊登婁庫組地層埋藏深度差異較大，巖石均質(zhì)性較差，為此開展了登婁庫組巖石機械破碎特性參數(shù)測試工作，全面評價了各區(qū)塊登婁庫組巖石的硬度、塑性系數(shù)、可鉆性等參數(shù)，為開展登婁庫組PDC鉆頭的個性化設(shè)計工作提供理論參考。

巖石硬度是指巖石抵抗其它物體壓入的破碎強度，即在壓頭壓入巖石后，巖石產(chǎn)生第一次體積破碎時接觸面上單位面積的載荷。利用全自動巖石硬度測定儀對登婁庫組巖石的硬度參數(shù)進行了測試，參照巖石史氏硬度的分類標準，將巖石硬度定級為4～6級，屬于中軟—中硬地層。

巖石塑性系數(shù)是指巖石在壓頭壓入后，巖石產(chǎn)生第一次體積破碎時破碎消耗的總功與彈性變形功的比值，本文利用圓柱壓入法的實驗方法來獲取登婁庫組地層巖石塑性系數(shù)。經(jīng)實驗測試獲得登婁庫組地層巖石塑性系數(shù)為1.03～1.75，參照巖石塑性系數(shù)的分類標準，可知登婁庫組地層屬于低塑性—脆性地層。

巖石的可鉆性可理解為鉆井過程中巖石抗破碎強度的能力，它表征巖石破碎的難易程度。本文采用微鉆速的實驗方法來評價巖石的可鉆性，獲取可鉆性級值后，參照巖石可鉆性分級標準對照表，將登婁庫組巖石可鉆性定級為4～10級。

3 PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計

3.1 PDC鉆頭冠部輪廓設(shè)計

合理的PDC 鉆頭冠部輪廓結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對鉆頭切削齒的切削效率、水力清洗效果、鉆頭穩(wěn)定性能具有重要的影響。PDC鉆頭冠部設(shè)計需要滿足三個基本要求:

（1）按照PDC 鉆頭等切削原則設(shè)計PDC 鉆頭時，冠部形狀應(yīng)當保證鉆頭上的各切削齒的切削量均勻，磨損量大致均衡。

（2）在冠面上有足夠的布齒空間和排屑空間，便于復(fù)合片在冠部表面布置。

（3）冠部輪廓形狀方便加工成型。冠部形狀按等切削原則設(shè)計時，冠部形狀就應(yīng)盡可能保證實現(xiàn)鉆頭上的每一顆切削齒有大致相等的切削體積。這樣盡可能保證鉆頭切削齒磨損均勻，按等切削原則設(shè)計時的理論冠部曲線方程式為：

由前文可知登婁庫組地層可鉆性較差，研磨性較高，為使鉆頭受力均勻、磨損均勻，采用較平緩的冠部剖面，同時適當延長外錐長度，增大布齒面積，提高鉆頭的使用壽命和排屑效果；另外，為了提高鉆頭穩(wěn)定性，刀翼設(shè)計一定的錐角（154°）。綜合考慮PDC 鉆頭鉆進速度、抗沖擊性和抗研磨性，鉆頭采用淺內(nèi)錐、中外錐單圓弧型剖面結(jié)構(gòu)（見圖1）。

3.2 切削結(jié)構(gòu)設(shè)計

PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括切削齒尺寸及布齒密度的選擇、切削齒分布設(shè)計、切削齒工作角度設(shè)計等。

（1）切削齒尺寸及布齒密度的選擇。同等磨損條件下，切削齒直徑越大其磨損面積越大，因此直徑由大到小的切削齒適應(yīng)于由軟地層到硬地層作業(yè)的鉆頭。大慶油田登婁庫地層可鉆性定級為4～10級，可鉆性屬于軟到中，結(jié)合切削齒尺寸與地層可鉆性的經(jīng)驗關(guān)系（見表1），鉆頭的主切削齒選用直徑15.88mm 的復(fù)合片，保徑切削齒選用直徑13.44mm的復(fù)合片，布齒密度選用中等密度布齒，以達到提高鉆頭破巖效率、增強鉆頭耐磨性能、延長鉆頭使用壽命的目的。

表1 切削齒尺寸與地層可鉆性的經(jīng)驗關(guān)系

（2）切削齒分布設(shè)計。PDC 鉆頭切削齒分布設(shè)計的目的是合理地把切削齒布置在鉆頭表面，使之磨損均勻。切削齒分布設(shè)計主要包括徑向分布設(shè)計和周向分布設(shè)計。

切削齒徑向分布設(shè)計是在鉆頭半徑平面內(nèi)沿冠部外形輪廓布置切削齒，確定中心齒、保徑齒和其他各齒的徑向位置，得到徑向分布圖(圖2)，它反映了切削齒的分布密度和在井底的覆蓋情況。

切削齒的周向分布設(shè)計是在垂直于鉆頭軸線平面內(nèi)按一定方式確定切削齒的周向位置角。依據(jù)鉆頭力平衡設(shè)計原則，新型PDC鉆頭采用了不對稱六刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，即鉆頭各刀翼上的切削齒周向角分布不對稱（見圖3）。

（3）切削齒工作角度設(shè)計。PDC 鉆頭切削齒工作角對切削齒的切削效率和工作性能有著重要影響，切削齒最重要的兩個工作角是后傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角。后傾角決定切削齒作用于地層力的方向，合理的后傾角能提高切削效率、保護切削齒、延長鉆頭的壽命，有助于提高鉆速。側(cè)轉(zhuǎn)角決定齒前切屑的排屑力的方向，反映工作面方向與切削齒對齒前切削側(cè)向作用力的大小及方向之間的關(guān)系，合理的側(cè)轉(zhuǎn)角有利于鉆頭清洗和巖屑運移，有效避免鉆頭泥包發(fā)生。

結(jié)合大慶油田登婁庫組地層的地質(zhì)情況，綜合考慮切削齒的切削效率、鉆頭穩(wěn)定性和使用壽命，將PDC鉆頭后傾角設(shè)定為12°～22°，從內(nèi)錐到鼻部，齒前角由小逐漸變大，從鼻部到外錐，齒前角由大變小。

考慮到登婁庫地層主要由泥巖和砂巖組成，鉆頭在泥巖地層鉆進時易發(fā)生泥包現(xiàn)象，為了提高鉆頭的排屑和防泥包能力，將切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角控制在0°～10°之間。

3.3 鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計

PDC 鉆頭的井底清巖、切削齒的潤滑和冷卻都是靠射流的沖擊和射流到達井底后產(chǎn)生的漫流橫推作用完成的。射流對井底的沖擊產(chǎn)生的清巖作用是靠沖擊壓力的不均勻性實現(xiàn)的，用“壓力梯度”來衡量這種不均勻性的大小?！皦毫μ荻取痹酱髱r屑越易翻轉(zhuǎn)，清巖效果越好，鉆頭不易產(chǎn)生重復(fù)破碎而提高鉆頭的技術(shù)指標。PDC 鉆頭的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的在于通過提高“壓力梯度”來增強切削、清洗、潤滑和冷卻效果。

利用三維造型設(shè)計軟件和計算流體動力學(xué)仿真軟件（CFD）進行PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要包括以下兩點。

（1）鉆頭噴嘴形狀的選擇。流線型噴嘴的流量系數(shù)高，射流的擴散角小，等速核較長，能量轉(zhuǎn)換效率高，鉆頭實際得到的水力功率高，因此，將PDC 鉆頭噴嘴的內(nèi)流道形狀設(shè)計成了流線型。

（2）噴嘴分布設(shè)計。PDC 鉆頭噴嘴的分布采用組合式鑲裝，即選擇不同出口直徑的噴嘴，使射流的沖擊壓力不同，以形成較大的井底“壓力梯度”。為使巖屑向井壁方向翻轉(zhuǎn)，充分清洗井底巖屑，將出口直徑相對小的噴嘴鑲裝在距鉆頭的中心較遠的位置，將出口直徑相對大的噴嘴鑲裝在距鉆頭中心較近的位置，噴嘴具體分布參數(shù)見表2。

表2 鉆頭噴嘴分布參數(shù)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2021 年針對大慶油田登婁庫組地層設(shè)計的215S5626 型PDC 鉆頭進行了現(xiàn)場應(yīng)用，鉆頭進尺為202.3m，平均機械鉆速為5.69m/h。與鄰井常規(guī)鉆頭相比，新型鉆頭進尺增加了12%，機械鉆速提高了11%，新型鉆頭的綜合性能滿足鉆井公司的作業(yè)需求。鉆頭試驗數(shù)據(jù)見表3，使用后鉆頭磨損情況見圖4。

5 結(jié)論

針對大慶油田登婁庫組地層的地質(zhì)情況和鉆井作業(yè)需求，對PDC鉆頭的冠部輪廓、切削結(jié)構(gòu)、水力結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計了一種適應(yīng)于登婁庫組地層作業(yè)的新型PDC鉆頭，該型鉆頭有效增加了鉆頭進尺，提高了鉆頭機械鉆速，延長了鉆頭使用壽命，滿足了鉆井公司的作業(yè)需求，具有較高的推廣價值。

表3 PDC鉆頭現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)表