非平面齒鉆頭在塔東城探區(qū)塊的應(yīng)用

解 珅

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163000）

1 概述

塔里木盆地東部俗稱塔東地區(qū)，地質(zhì)勘探面積6.8×104km2，油氣資源當(dāng)量15.24×108t，豐富的油氣資源，將接替成為大慶油田最穩(wěn)定的高產(chǎn)區(qū)及油氣資源補(bǔ)給的重要領(lǐng)域。但是，對(duì)于大慶來(lái)說(shuō)，塔東地區(qū)的地質(zhì)勘探新空間，隨著時(shí)間的推移，地質(zhì)勘探的程度還在不斷深入，我們面臨的地質(zhì)勘探對(duì)象越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜，地質(zhì)勘探難度變得越來(lái)越大。該區(qū)塊地質(zhì)勘探程度較低，地質(zhì)條件復(fù)雜，礫石層及高硬度、高研磨性砂泥巖互層極為發(fā)育、可鉆性較差，機(jī)械鉆進(jìn)速度低，特別是奧陶系卻而卻克組（俗稱“黑被子”地層）平均機(jī)械鉆速僅為0.92m/h，地層構(gòu)造較多且差異性較大，地層分布?jí)毫酉刀?，層系間含有異常高壓層，區(qū)塊地層傾角大，控斜與快鉆矛盾比較突出；另外，該地區(qū)油氣埋藏較深，奧陶系目的層埋深≥6000m，寒武系目的層埋深≥7000m，底部環(huán)境溫度可達(dá)200℃，以上地層的主要特征嚴(yán)重制約了塔東超深井鉆井周期的縮短、勘探進(jìn)程的加快及勘探成本的降低，有必要選用適用于塔東城探區(qū)塊深層巖石特點(diǎn)的高效鉆頭。

2 地質(zhì)情況

塔里木盆地北部坳陷區(qū)古城―肖塘臺(tái)緣帶古城低凸起，北鄰塔北隆起，南側(cè)為中部隆起，覆蓋阿瓦提凹陷、滿加爾凹陷、阿滿過(guò)渡帶等二級(jí)構(gòu)造單元。北部坳陷內(nèi)部構(gòu)造一般位于塔北隆起向塔中隆起延伸的低梁，是塔北隆起與塔中隆起的過(guò)渡帶，構(gòu)造沉積演化長(zhǎng)期受塔北隆起及中部隆起的影響和控制。阿滿過(guò)渡帶的油氣等資源豐富，先后發(fā)現(xiàn)了順北、富滿等大中型下古生界碳酸鹽巖油氣田群，是目前我們國(guó)家最大的斷控碳酸鹽巖油氣藏油氣生產(chǎn)基地，年產(chǎn)油氣當(dāng)量約300×104t。

塔東城探區(qū)塊奧陶系卻而卻克組地層，上部巖性以層狀灰、淺灰、褐灰色粉砂巖與深灰、灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層；中部以層狀灰、深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，夾褐灰、灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖；下部為層狀深灰色泥巖、鈣質(zhì)泥巖夾灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；底部為厚層深灰色泥巖為主。

3 PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)塔東城探區(qū)塊奧陶系卻而卻克組地層特性，根據(jù)以往選用的PDC 鉆頭失效情況進(jìn)行分析對(duì)比，及對(duì)地層非均質(zhì)性的具體分析，分析得出的結(jié)論：目標(biāo)層具備非均質(zhì)性和高研磨性，該地層的不同性質(zhì)使得復(fù)合片咬入地層困難，破碎巖石功率降低，由反復(fù)磨削所產(chǎn)生大量熱量，散熱不及時(shí)導(dǎo)致復(fù)合片過(guò)早失效，以及PDC 復(fù)合片抗研磨性較低，從而致使鉆頭磨損主要集中在線速度較高的鉆頭肩部及鼻部，磨損嚴(yán)重會(huì)形成半圓形溝槽。高速切削的復(fù)合片在接觸到分布不均的地層，會(huì)使復(fù)合片正面收到強(qiáng)烈沖擊形成嚴(yán)重?fù)p傷，鉆頭抗正面沖擊性較差，從而致使切削齒崩齒，從根本上降低鉆頭使用壽命。

針對(duì)塔東“黑被子”地層碳晶質(zhì)泥巖主要特征，制定鉆頭改進(jìn)措施，優(yōu)化鉆頭冠部設(shè)計(jì)及布齒密度，個(gè)性化設(shè)計(jì)及加工制造出適用于“黑被子”地層的非平面齒PDC鉆頭。

3.1 PDC鉆頭冠部輪廓設(shè)計(jì)

通過(guò)油氣井的鉆進(jìn)理論和實(shí)踐表明，鉆頭冠部輪廓的形狀對(duì)鉆頭的巖石破碎效率和切削齒的磨損有著巨大的影響。鉆頭冠部輪廓長(zhǎng)度直接影響機(jī)械鉆速；如果外錐長(zhǎng)度短，則排列的切削齒數(shù)將較少，每個(gè)切削齒所受力較大、切削量增大，鉆進(jìn)效率有所提高，但是鉆頭切削齒過(guò)度磨損會(huì)導(dǎo)致鉆頭壽命降低；如果外錐長(zhǎng)度長(zhǎng)，則排列的切削齒數(shù)量將增多，鉆頭耐磨性增強(qiáng)，然而錐面越長(zhǎng)，各切削齒在剖面位置上受力分布越不均勻，容易引起鉆頭橫向振動(dòng)和渦動(dòng)。

針對(duì)新疆塔東地區(qū)“黑被子”地層，夾砂礫巖，地層堅(jiān)硬，研磨性高等特點(diǎn)，選擇了適用于該地層特性的中拋物面冠部曲線，冠部采用淺內(nèi)錐設(shè)計(jì)，降低鉆頭心部單齒所承受載荷。冠部輪廓形狀按照等切削原則設(shè)計(jì)時(shí)，冠部輪廓形狀應(yīng)盡可能保證在切削過(guò)程中，鉆頭上的每一顆切削齒有大體相等的切削體積。這樣可最大化地保證鉆頭切削齒在切削過(guò)程中磨損均勻，按照等切削原則設(shè)計(jì)時(shí)的理論冠部曲線方程式為：

式中：r——鉆頭徑向尺寸數(shù)值；

h——鉆頭軸向定位尺寸數(shù)值；

r0——鉆頭冠頂處的徑向數(shù)值；

Δ l0——鉆頭冠頂處的軸向數(shù)值。

在實(shí)際計(jì)算和設(shè)計(jì)中，參照上述理論設(shè)計(jì)的鉆頭冠部形狀確定r0后就能夠得到理論冠部曲線形狀和尺寸，然后根據(jù)鉆頭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)拋物線形冠部進(jìn)行曲線擬合。設(shè)計(jì)出的鉆頭冠部曲線參數(shù)如圖1所示，形成鉆頭冠部模型如圖2所示。

圖1 冠部曲線參數(shù)

圖2 冠部模型

3.2 布齒設(shè)計(jì)

在完全相同的鉆壓下，復(fù)合片的布齒密度越小，切削齒所受載荷越大，切削齒吃入地層的能力越強(qiáng)，PDC鉆頭破碎巖石的效率越高。但是，PDC 鉆頭現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：伴隨著巖石可鉆級(jí)值的增加，PDC鉆頭的布齒密度對(duì)破碎巖石效率的影響程度明顯降低，伴隨著PDC鉆頭低密度布齒，帶來(lái)的影響是切削齒所受載荷過(guò)大導(dǎo)致鉆頭崩齒、碎齒等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了PDC鉆頭的使用壽命。事實(shí)證明，鉆進(jìn)硬地層時(shí)，鑒于PDC鉆頭的布齒密度對(duì)切削效率影響較小，故而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命是主要考慮的因素。由此可見(jiàn)，解決PDC 鉆頭肩部齒容易磨損的問(wèn)題，就是采用高強(qiáng)度復(fù)合片，進(jìn)一步提高PDC 鉆頭肩部的布齒密度，使每個(gè)切削齒承受較小的鉆壓，盡可能地做較小的功，進(jìn)一步提高PDC鉆頭切削齒的壽命。與塔東地區(qū)此前選用鉆頭相比，設(shè)計(jì)的雙排齒鉆頭布齒密度提高了17%（見(jiàn)圖3）。

圖3 雙排齒布齒密度設(shè)計(jì)

在完成布齒密度的設(shè)計(jì)后，三維展開(kāi)布齒到鉆頭的每個(gè)刀翼，進(jìn)行切削結(jié)構(gòu)角設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖4）。

圖4 雙排齒3D布齒方案

結(jié)合上述理論計(jì)算并設(shè)計(jì)的鉆頭后傾角為20°~28°。綜合考慮鉆井提速工具對(duì)鉆頭的整體效果，最終確定后傾角為20°~30°。鉆頭與鉆井提速工具配合使用時(shí)，可進(jìn)一步提高PDC 鉆頭的切削效率、保護(hù)切削齒、延長(zhǎng)鉆頭使用壽命、進(jìn)一步提高鉆井機(jī)械鉆速（鉆頭成品模型如圖5所示）。

圖5 鉆頭成品模型

3.3 復(fù)合片研選

研選新型非平面復(fù)合片，表面的三條凸脊呈120°夾角，鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)一條凸脊來(lái)切削地層。切削方式由傳統(tǒng)的“面—面”接觸改為“線—面”接觸（見(jiàn)圖6），進(jìn)一步提高了切削齒對(duì)堅(jiān)硬巖層的切削力；非平面齒復(fù)合片脫鈷深度超過(guò)1400μm，復(fù)合片的耐磨性得到大幅度提升；該復(fù)合片的非平面型設(shè)計(jì)，采用點(diǎn)狀塑性變形來(lái)破碎巖石，更適合塔東硬地層應(yīng)用。

圖6 平面齒和非平面齒受力分析

基于以上分析，我們對(duì)于“黑被子”地層設(shè)計(jì)了一款6刀翼、16mm非平面齒復(fù)合片的PDC鉆頭。冠部布齒：采用高密度布齒方案，降低單齒所受載荷，進(jìn)一步提高鉆頭使用壽命。后傾角：與鉆井提速工具配合使用時(shí)，設(shè)計(jì)制造較大的后傾角（20°~30°），便于鉆頭切削齒吃入地層，進(jìn)一步提高鉆頭破巖效果。

3.4 鉆頭噴嘴布置

流線型噴嘴具有流量系數(shù)較高、射流的擴(kuò)散角小、等速核長(zhǎng)度較長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、鉆頭實(shí)際得到的水力功率高等特點(diǎn)，因此，該P(yáng)DC鉆頭噴嘴的內(nèi)流道形狀選用了流線型設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖7）。

圖7 噴嘴結(jié)構(gòu)

選用合適的噴嘴直徑可使PDC鉆頭獲得高速鉆進(jìn)所需要的鉆頭壓降和單位面積上的水功率。鉆頭的類型決定了鉆頭噴嘴或水眼的配置及取向，一般來(lái)說(shuō)，鉆頭噴嘴的配置及取向的基本原則是：每個(gè)噴嘴都能清洗和冷卻一組復(fù)合片，如一個(gè)直面刀翼或一個(gè)螺旋形刀翼。

PDC 鉆頭噴嘴的分布采用了組合式鑲裝，即選擇不同直徑的噴嘴，使噴嘴的當(dāng)量直徑滿足鉆井設(shè)計(jì)的具體要求。噴嘴直徑不同，射流的沖擊壓力也不同，在這樣的前提下，井底會(huì)逐漸形成一個(gè)比較大的“壓力梯度”。鉆頭的噴嘴最好采用不同心式鑲裝，即四個(gè)噴嘴不在同一水平方向上安裝。為了使鉆頭磨削產(chǎn)生的巖屑向井壁方向翻轉(zhuǎn)，使鉆井液能充分清洗井底巖屑，在距鉆頭中心較遠(yuǎn)的位置安裝直徑相對(duì)小的噴嘴，在兩個(gè)主刀翼距鉆頭中心較近的位置鑲裝直徑相對(duì)大的噴嘴。噴嘴的不同心設(shè)計(jì)可產(chǎn)生不對(duì)稱的井底流場(chǎng)，而不對(duì)稱的井底流場(chǎng)有以下三個(gè)特點(diǎn)：一是井底壓力梯度大；二是井底部分區(qū)域壓力減小，在鉆頭附近的局部空間還可能出現(xiàn)“低壓區(qū)”，這就降低了“壓持作用”且有利于冷化井底，尤其對(duì)泥漿密度較大的調(diào)整井效果更明顯；三是采用階梯式鑲裝噴嘴，噴嘴的噴射距離不相等，即噴嘴距離鉆頭體外錐面的距離不等。

采取以上措施進(jìn)行鉆頭噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)分布，不僅能夠有效地減少井底流場(chǎng)中產(chǎn)生對(duì)鉆頭不利的渦流與湍流，同時(shí)也加大了鉆頭水功率，進(jìn)一步提高了鉆頭的破巖效率。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)塔東城探區(qū)塊奧陶系卻而卻克組地層特性及鉆井作業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的PDC鉆頭在城探區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（見(jiàn)圖8），在該井成功試驗(yàn)2井次，2只鉆頭累計(jì)進(jìn)尺996m，平均壽命197.5h，平均機(jī)械鉆速2.87m/h，與同區(qū)塊同層位鄰井相比平均鉆速提高40.35%，較臨井相比共節(jié)約3趟鉆。

圖8 出井后鉆頭磨損情況

通過(guò)對(duì)該試驗(yàn)井2只鉆頭使用情況分析：

（1）該井第一趟鉆進(jìn)尺709m，純鉆168.3h，平均機(jī)械鉆速4.21m/h，創(chuàng)城探區(qū)塊卻爾卻克組單趟鉆最高進(jìn)尺、最長(zhǎng)壽命、最快機(jī)械鉆速3項(xiàng)記錄；

（2）第二趟鉆鉆速較第一趟鉆較慢，但該鉆頭在“黑被子”泥巖層段鉆進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)、進(jìn)尺高，較鄰井至少節(jié)省一趟起下鉆（具體使用數(shù)據(jù)見(jiàn)表1）。

表1 2只鉆頭施工數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

（1）通過(guò)鉆頭現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，塔東城探區(qū)塊奧陶系卻而卻克組地層使用的非平面齒鉆頭與常規(guī)PDC鉆頭相比提速效果更顯著，行程進(jìn)尺較高，降低了鉆井公司油氣田開(kāi)發(fā)的的鉆頭成本。

（2）將選用的新型非平面齒復(fù)合片與普通平面復(fù)合片進(jìn)行比較，在工作時(shí)間相同的條件下，新型非平面齒復(fù)合片切削磨損量更小，說(shuō)明“線—面”接觸的切削方式，提高了PDC切削齒的接觸面積，接觸面的磨削阻力進(jìn)行了分散處理，間接提高了PDC切削齒的耐磨性，滿足了鉆井公司的作業(yè)需求，具有較高的推廣價(jià)值。