許明光，陳玉平，王建軍

(渤海鉆探石油工程總承包分公司，西安 710000)

長(zhǎng)慶油田隴東三維水平井用PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)

許明光，陳玉平，王建軍

(渤海鉆探石油工程總承包分公司，西安 710000)

長(zhǎng)慶隴東油田因受地形地貌和整體開(kāi)采方案的制約，需要采用三維水平井開(kāi)發(fā)。水平井施工中由于上部地層復(fù)雜，靶前距離短，偏移距大，井眼軌跡控制難度大，對(duì)于PDC鉆頭的性能提出了更高的要求。針對(duì)該區(qū)塊地層和定向軌跡控制特點(diǎn)，筆者進(jìn)行了三維水平井用PDC鉆頭個(gè)性化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：鉆頭平均機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺分別提高了21.29％和20.12％，較好地滿(mǎn)足了三維水平井的優(yōu)快施工。

三維水平井；可鉆性；PDC鉆頭；個(gè)性化設(shè)計(jì)

由于長(zhǎng)慶隴東油田三維水平井的軌跡控制難度較大，牙輪鉆頭由于有活動(dòng)部件，使用周期較短，容易發(fā)生井下落物事故，嚴(yán)重制約著三維水平井的提速。為解決這一難題，使用compass軟件對(duì)定向井軌跡剖面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并有針對(duì)性地研制了三維水平井用PDC鉆頭，該類(lèi)型鉆頭冠部采用了中錐型剖面形狀，外部剖面形狀為短拋物線(xiàn)形，切削齒選擇了預(yù)倒角邊緣加強(qiáng)齒及雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)，主切削齒選用16mm齒，輔助切削齒采用13mm齒，切削齒后傾角由鉆頭中心向外逐漸由15°增加到20°，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角為5°，采用切邊齒保徑設(shè)計(jì)，保徑塊采用中等長(zhǎng)度（50～60mm）螺旋形低摩阻設(shè)計(jì)。

1 隴東區(qū)塊目的層延長(zhǎng)組巖石可鉆性分析

隴東區(qū)塊延長(zhǎng)組砂巖主要為凝灰質(zhì)不等粒砂巖、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)中砂質(zhì)細(xì)砂巖、凝灰質(zhì)含泥不等粒砂巖和薄層不含凝灰質(zhì)的砂礫巖。砂巖一般為細(xì)粒到中粒，分選中等，顆粒排列中等到緊密?？紫栋l(fā)育較差，大小顆粒雜亂分布。泥巖主要是深灰色泥巖、黑色磷質(zhì)泥巖。利用實(shí)鉆巖心對(duì)該層巖石可鉆性級(jí)值進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 隴東區(qū)塊延長(zhǎng)組巖心可鉆性室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，該層位巖石非均質(zhì)性極強(qiáng)，可鉆性波動(dòng)幅度大，巖石可鉆性級(jí)值最小值為3.08，最大值為6.84，軟硬地層交替出現(xiàn)，對(duì)PDC鉆頭的工作十分不利。為提高水平井段的鉆井速度，采用了復(fù)合鉆井技術(shù)，由于該技術(shù)高轉(zhuǎn)速，多工況的技術(shù)要求，以及該區(qū)塊復(fù)雜的地層特點(diǎn)，造成現(xiàn)有PDC鉆頭適應(yīng)性較差，機(jī)械鉆速低，制約了該區(qū)塊的快速開(kāi)發(fā)。

2 三維水平井對(duì)PDC鉆頭的要求

三維水平井由于靶前距較短，三維水平井由于靶前距較短一般在200m-240m之間，偏移距100m-150m之間，根據(jù)井上實(shí)際情況進(jìn)行了定向井段的剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求PDC鉆頭具有良好的工具穩(wěn)定能力，有效的提高定向施工效率，應(yīng)選用鉆頭刀翼裙部較短，鉆頭側(cè)向力相對(duì)較弱的五刀翼設(shè)計(jì)。排泄道暢通避免了因冷卻不均導(dǎo)致復(fù)合片產(chǎn)生熱效應(yīng)而失效。

復(fù)合鉆井技術(shù)具有高轉(zhuǎn)速特征，鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)速可近似認(rèn)為是轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和螺桿轉(zhuǎn)速之和。對(duì)于常規(guī)低速大扭矩螺桿，轉(zhuǎn)速也在110 r/ min以上，鉆頭的工作轉(zhuǎn)速一般會(huì)高于170 r/min。由于沒(méi)有活動(dòng)部件，高轉(zhuǎn)速對(duì)PDC鉆頭造成的影響較小。但復(fù)合鉆井時(shí)鉆頭工作轉(zhuǎn)速是常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井的3～4倍，切削齒和鉆頭保徑所承受的沖擊載荷增大、磨損程度加劇，應(yīng)優(yōu)選抗沖擊性能較好的金剛石復(fù)合片，并加強(qiáng)鉆頭保徑的耐磨性，保證鉆頭使用壽命。

3 新型PDC鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 鉆頭刀翼及鉆頭冠部形狀設(shè)計(jì)PDC鉆頭的刀翼越多，鉆頭工作越穩(wěn)定，鉆頭使用壽命越長(zhǎng)，但是機(jī)械鉆速較低，根據(jù)長(zhǎng)慶油田隴東區(qū)塊延長(zhǎng)組定向施工經(jīng)驗(yàn)，選擇五刀翼鉆頭進(jìn)行施工。

PDC鉆頭冠部形狀決定著PDC鉆頭的布齒面，將影響鉆頭的穩(wěn)定性、井底清洗、鉆頭磨損及鉆頭各部位的載荷分布。PDC鉆頭冠部剖面形狀有四種基本類(lèi)型，即平底型、淺錐型、中錐型和長(zhǎng)錐型[4-6]，其中平底型和淺錐型，由于內(nèi)錐較淺，起不到穩(wěn)定鉆頭的作用，鉆頭工作時(shí)很容易產(chǎn)生橫向振動(dòng)，造成切削齒的沖擊損壞，尤其鉆遇硬夾層時(shí)，常常因冠頂齒和外部齒的先期磨損而導(dǎo)致鉆頭失效，鉆頭中心附近的切削齒得不到最有效的利用，從而對(duì)鉆頭壽命造成嚴(yán)重的影響。中錐型冠部剖面形狀具有一定深度的內(nèi)錐和較大的布齒面積，外部區(qū)域可布置較多的切削齒；一定深度的內(nèi)錐可起到穩(wěn)定鉆頭的作用，減少鉆頭的橫向振動(dòng)，延長(zhǎng)鉆頭工作壽命。中錐型冠部剖面具有較強(qiáng)鉆進(jìn)硬夾層的能力，鉆遇硬夾層時(shí)，鉆壓的分配更集中于鉆頭冠頂部位，使冠頂切削齒更容易吃入較硬的地層。長(zhǎng)錐型冠部剖面形狀通常為近拋物線(xiàn)形，在四種剖面形狀中布齒面積最大，鉆頭外部可布置較多的切削齒，主要適用于高轉(zhuǎn)速鉆頭的設(shè)計(jì)。

針對(duì)隴東區(qū)塊延長(zhǎng)地層軟硬交錯(cuò)，夾層多的特點(diǎn)，采用中錐型剖面形狀，外部剖面形狀為短拋物線(xiàn)形，這種剖面設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧了三維水平井PDC鉆頭對(duì)造斜性能的較高要求。M5365L-2-215.9型鉆頭為5刀翼19mm齒PDC鉆頭，為了應(yīng)對(duì)地層軟硬交錯(cuò)，采用19mm優(yōu)質(zhì)復(fù)合片，加強(qiáng)了鉆頭的抗沖擊性能，避免主力切削齒鉆遇鉆遇軟硬交界面時(shí)提前損壞，影響鉆頭的切削能力。該鉆頭采用中錐形剖面設(shè)計(jì)，中等布齒密度，同時(shí)為了增加其穩(wěn)定性，還采用螺旋刀翼設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用中取得了較好的效果。

3.2 切削齒的選擇與切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。三維水平井用鉆頭需要完成直井段負(fù)位移的調(diào)整、造斜、扭方位、入窗等多個(gè)工況，對(duì)PDC鉆頭的綜合性能要求較高。合理的設(shè)計(jì)吃入深度控制結(jié)構(gòu)，能夠既有效地控制滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的鉆頭扭矩、減少工具面波動(dòng)，又不會(huì)明顯降低復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械鉆速[7]。綜合考慮隴東區(qū)塊地層情況和復(fù)合鉆井特點(diǎn)，最終采用雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)不僅可以獲得穩(wěn)定的鉆頭工作扭矩，對(duì)提高鉆頭壽命也起到重要的作用：在鉆頭鉆遇硬地層時(shí)，輔助切削齒分擔(dān)冠部切削齒的鉆壓，減小冠部切削齒的損壞幾率，同時(shí)參與切削巖層，增加鉆頭的使用壽命。在進(jìn)入軟地層時(shí)，這種雙重切削結(jié)構(gòu)可以減緩鉆壓的突然改變，減小鉆頭的震動(dòng)，從而保護(hù)切削齒不受損壞。

2）切削齒形狀和尺寸選擇。隴東區(qū)塊延長(zhǎng)組含有軟硬交互層，當(dāng)鉆頭鉆遇較硬的砂泥巖地層時(shí)，切削齒將承受較大的鉆壓和扭矩，容易導(dǎo)致切削齒崩斷、碎等事故的發(fā)生[8-10]。為消除應(yīng)力集中，減小切削齒崩裂失效的可能性，采用了預(yù)倒角結(jié)構(gòu)，如圖2所示，錐度為10°，錐面長(zhǎng)度為2mm。通過(guò)預(yù)倒角結(jié)構(gòu)，提高切削齒抵抗軸向和切向沖擊載荷能力。

圖1 雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)

圖2 預(yù)倒角結(jié)構(gòu)切削齒

切屑齒直徑大小的選擇依地層可鉆性極值而異。地層可鉆性級(jí)值低，抗鉆阻力小，在同樣的鉆壓水平下，切削齒比較容易吃入地層，故較大切削齒可獲得較高的破巖效率，機(jī)械鉆速高、不易泥包；地層可鉆性級(jí)值越高，抗鉆阻力越大，切削齒尺寸越大，吃入越困難，相反小直徑齒出露量較小，抗沖擊韌性相對(duì)較好。因此，從提高破巖效率方面考慮，地層可鉆性級(jí)值越高，選用的切削齒尺寸應(yīng)越小。一般情況下，鉆進(jìn)3級(jí)以下軟地層的PDC鉆頭，選用19mm切削齒可獲得較高的破巖效率；鉆進(jìn)4～5級(jí)地層時(shí)，選用16mm切削齒可獲得較高的破巖效率；鉆進(jìn)5級(jí)以上的硬地層，推薦采用13mm切削齒。根據(jù)隴東區(qū)塊地層可鉆性評(píng)價(jià)結(jié)果，地層可鉆性級(jí)值在3～7級(jí)，主切削齒應(yīng)選用16mm切削齒，輔助切削齒采用13mm切削齒。M5265LDB-215.9型PDC鉆頭為5刀翼16mm齒鉆頭，輔助切屑齒采用13mm齒，16mm主齒在切削硬度不高地層時(shí)有較好的破巖效果，在鉆遇少量5級(jí)以上較硬夾層時(shí)，13mm輔助齒可在主齒出現(xiàn)輕微磨損后繼續(xù)對(duì)地層進(jìn)行有效切削，同時(shí)減少鉆遇夾層時(shí)的振動(dòng)，保證其穩(wěn)定性，使得在定向鉆進(jìn)過(guò)程中能夠按照預(yù)定的軌跡鉆進(jìn)。

3）切削角度設(shè)計(jì)。切削角度包括后傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角，直接影響到鉆頭對(duì)地層的切削能力。隨著地層硬度由低到高，切削齒的切削角度應(yīng)逐漸由小變大，后傾角越小對(duì)地層的吃入性越強(qiáng)，切削齒承受的負(fù)荷也越大，在使用中更容易破損而影響鉆頭壽命。用于復(fù)合鉆進(jìn)的PDC鉆頭設(shè)計(jì)中，還必須綜合考慮鉆頭的正向切削能力和側(cè)向切削能力。鉆頭的正向切削能力強(qiáng)，表示鉆頭更容易吃入巖層，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)具有較高的機(jī)械鉆速，但鉆頭的工作扭矩對(duì)鉆壓的波動(dòng)敏感，滑動(dòng)鉆進(jìn)中工具面難以控制。側(cè)向切削能力反映了鉆頭側(cè)向吃入地層的能力，側(cè)向切削能力太強(qiáng)容易在井壁上形成臺(tái)階或螺旋井眼等缺陷。

在綜合考慮長(zhǎng)慶油田隴東區(qū)塊地層特點(diǎn)和水平井剖面設(shè)計(jì)的技術(shù)需求，M 5265LDB-215.9型PDC鉆頭，切削齒后傾角由鉆頭中心向外逐漸由15°增加到20°，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角為5°，這樣的切削角度設(shè)計(jì)使得鉆頭在使用時(shí)保證鉆頭對(duì)地層的具有較好的吃入能力，同時(shí)在鉆遇硬地層時(shí)不會(huì)因切屑齒承受過(guò)大的負(fù)荷而損壞，在鉆遇軟硬交界地層時(shí)，扭矩值會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，為了保證工具面的穩(wěn)定，需要降低鉆壓平穩(wěn)過(guò)渡。該地層軟硬程度差距較大，極易在由軟地層進(jìn)入硬地層時(shí)形成臺(tái)階，因此切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角為設(shè)計(jì)為5°，使得鉆頭具有適中的側(cè)向切削能力，在定向鉆進(jìn)中這樣可使得工具面較穩(wěn)定，同時(shí)在鉆遇軟硬交界面時(shí)配合鉆壓和轉(zhuǎn)數(shù)的變化可很好的避免形成臺(tái)階。

4）布齒密度和布齒方法。根據(jù)隴東區(qū)塊巖石可鉆性，鉆頭采用了五刀翼、中密度布齒設(shè)計(jì)。為適應(yīng)復(fù)合鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速要求，為增強(qiáng)鉆頭外錐部位的耐磨性和抗沖擊性，特別增加了鉆頭外側(cè)部位的布齒密度。布齒數(shù)量和各切削齒位置按“力平衡原則”設(shè)計(jì)，橫向不平衡力控制在鉆壓的3％以?xún)?nèi)，“力平衡設(shè)計(jì)”顯著降低由鉆頭切削作用而產(chǎn)生的井下振動(dòng)，增加鉆頭工作時(shí)的穩(wěn)定性，提高鉆頭使用壽命。圖3所示為新型PDC鉆頭的井底覆蓋情況。

3.3 保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了主動(dòng)保徑結(jié)構(gòu)和被動(dòng)保徑結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。主動(dòng)保徑結(jié)構(gòu)保徑齒分為切邊的和不切邊的。為減小復(fù)合鉆進(jìn)鉆頭引起的扭矩和工具面的波動(dòng)，在復(fù)合鉆進(jìn)PDC鉆頭設(shè)計(jì)中普遍采用了切邊齒保徑設(shè)計(jì)，保徑齒與井壁的接觸面積大，齒不容易吃入井壁，鉆頭的側(cè)向切削能力低，降低了鉆頭工作扭矩。被動(dòng)保徑是指保徑塊，在復(fù)合鉆進(jìn)鉆頭設(shè)計(jì)中，綜合考慮了鉆頭的穩(wěn)定性和側(cè)鉆能力，確定采用中等長(zhǎng)度（50～60mm）螺旋形低摩阻保徑塊設(shè)計(jì)，保證鉆頭的工作穩(wěn)定性和鉆出光滑規(guī)則的井眼。海勝M(fèi) 5365LDB-215.9型鉆頭為5刀翼19mm鉆頭，主動(dòng)保徑齒采用13mm優(yōu)質(zhì)復(fù)合片，這種設(shè)計(jì)可以保證定向鉆進(jìn)中鉆頭具有較好的保徑能力，13mm齒在鉆遇較硬地層時(shí)磨損較輕，并且具有很好的穩(wěn)定性。切邊齒保徑設(shè)計(jì)，使得鉆頭刀翼與井壁接觸面大，13mm齒使得其不易吃入地層，這樣在鉆進(jìn)過(guò)程中即可確保其保徑能力，還能避免大量吃入地層造成扭矩值有較大的波動(dòng)，影響工具面的穩(wěn)定。中等長(zhǎng)度（50～60mm）保徑塊設(shè)計(jì)主要是為了使得鉆頭在鉆進(jìn)中進(jìn)一步增大與井壁接觸面，增加其穩(wěn)定性，對(duì)于不規(guī)則井眼還具有修正功能。

圖3 PDC鉆頭切削齒井底覆蓋圖

圖4 設(shè)計(jì)PDC鉆頭保徑結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用效果分析

研制的長(zhǎng)慶油田隴東區(qū)塊水平井鉆進(jìn)用個(gè)性化PDC鉆頭共試驗(yàn)5井次，鉆頭穩(wěn)定性好，抗沖擊性強(qiáng)，造斜鉆進(jìn)時(shí)工具面穩(wěn)定，平均機(jī)械鉆速18.52m/h ，單只鉆頭平均進(jìn)尺為1462.7m，鉆頭井下工作時(shí)間在均100h以上，與鄰井相比，分別提高了21.29％和20.12％，機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺均取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

為提高隴東區(qū)塊三維水平井的施工速度，在綜合考慮鉆頭冠部形狀、切削齒的形狀、尺寸、布齒密度和角度、保徑結(jié)構(gòu)等條件的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了中錐型剖面，預(yù)倒角和雙重保護(hù)切削結(jié)構(gòu)，選用16mm主切削齒，13mm輔助切削齒，切削齒后傾角漸變和5°切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角，切邊齒保徑的個(gè)性化PDC鉆頭，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺均取得了較好的效果，滿(mǎn)足了該區(qū)水平井鉆井提速的需要，具有較高推廣價(jià)值。

[1]張坤，邱越， 長(zhǎng)慶油田南梁區(qū)塊PDC鉆頭鉆頭研發(fā)與應(yīng)用.內(nèi)蒙古石油化工,2012,16期

[2]張坤，王明瑞，等．長(zhǎng)慶油田靖南區(qū)塊PDC鉆頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用推廣.內(nèi)江科技,2012,10期

[3]張輝，高德利．鉆頭選型通用方法研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,29(6)：45-49.

[4]龔江川，劉少剛，等．個(gè)性化鉆頭的研究與應(yīng)用[C].鉆井承包商協(xié)會(huì)論文集.2007： 848-850.

[5]D.Garcia-Gavito.Proper Nozzle Location，Bit Prof i le，and Cut ter Ar rangement Have Signif icant Ef fect on PDC Bit Per formance[J].SPE 20415

[6]彭燁，王福修．鉆頭冠部剖面形狀設(shè)計(jì)模式[J]．石油鉆探技術(shù)，1996,24(4)：38ˉ39.

[7]楊迎新，曾恒，馬捷，等．PDC鉆頭內(nèi)鑲式二級(jí)齒新技術(shù)[J].石油學(xué)報(bào),2008,29(4)：612-614.

[8]孫明光，張?jiān)七B，馬德坤．適合多夾層地層PDC鉆頭設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].石油學(xué)報(bào),2001,22(5)：95-99.

許明光（1983.9—），助理工程師，現(xiàn)從事工程技術(shù)管理，壓井、事故復(fù)雜處理。

Personalized Design of PDC Bits for 3 d horizontal D rilling of LongDong block Chang Q ing oil field

∶Due to long dong block of Chang Qing oil feld area are affected by the landform and the overall plan of development.Determine to adopt 3 d horizontal well development of construction.Because of the upper formation complex、the target distance is short and offset is large，virtually increased wellbore trajectory control difficulty，for the use of PDC drilling bit is put forward to higher requirement.Therefore，in view of the characteristics of the formation,The PDC bit for trajectory controlof long dong block is personalized designed.The application results show： The personalized PDC bit average speed and single drill footage increased by 21.29％ and 20.12％ respectively，better matching 3 d horizontal well drilling technical characteristics for long dong block.

∶3 d horizontal wel； drillability； PDC bit； Personalized Design.