大情字井地区中深井PDC钻头优化设计

张 玲，王志强，张 杨，于 洋

（1.东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆163318；2.辽河油田 曙光工程技术处，辽宁 盘锦124010；3.塔里木油田 油气工程研究院，新疆 库尔勒841000；4.吉林油田 钻井工艺研究院，吉林 松原138000）＊

与牙轮钻头相比，PDC钻头在钻进软到中硬的 均质岩层具有较好的技术经济效益，但钻井实践表明：大情字井地区2 000m以上深度处的岩石硬度大多数在1 000MPa以上，属于中硬地层，主要是由紫色泥岩和黑灰色泥砂岩组成；岩石研磨性强，可钻性级值在5级以上，存在PDC钻头泥包、易打滑和钻头保径磨损严重等问题［1］，PDC钻头在该地区钻井效率偏低。所钻地层的岩石力学参数是PDC钻头个性化设计的基础和主要依据，但单一的力学参数并不能全面地反映岩石的抗钻特性，而岩石可钻性是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标［2］。由试验结果和相关理论建立PDC钻头切削结构参数与可钻性级值间的定量关系，并结合国内外学者的经验来解决该地层PDC钻头的常见问题。

1 岩石可钻性级值与抗压强度的相关性

利用全自动岩石可钻性测试仪，在室内对大情字井地区9个层位32块岩样分别测试了微型牙轮钻头和微型PDC钻头钻进下的可钻性级值Kd和KPDC，并利用多功能岩石力学参数测试仪进行了力学参数试验，部分试验结果如表1所示。

表1 大情字井地区中深部地层岩样室内试验结果

由试验数据可以回归出岩石抗压强度与岩石可钻性级值的关系式为

式中：Kd为微型牙轮钻头测得的岩石可钻性级值；σc为岩石的抗压强度，MPa。

该关系式的相关性指数为0.87，说明该关系式比较符合两者的关系。

2 PDC钻头主要切削结构参数与可钻性级值间的定量关系

2.1 切削齿数目

通常，在可钻性级值较大的地层中，增加切削齿数能提高钻头的使用寿命，但较多的切削齿会降低其钻进速度。如果能建立切削齿数与地层可钻性级值间的关系式，将能定量确定适合于该地区的切削齿数。切削齿数与岩石抗压强度的关系［3－4］为

式中：Cn为切削齿数。

将式（1）代入式（2），建立了研究区切削齿数与岩石可钻性级值间的关系式，即

2.2 刀翼数

根据经验，地层可钻性级值越大，刀翼数也就越多，基于钻头直径和流道分布的考虑，刀翼数一般取3～10，如果能建立刀翼数与地层可钻性级值间的关系式，将能定量确定适合于该地区的刀翼数。刀翼数与切削齿数的关系［3－4］为

式中：Bn为刀翼数。

将式（3）代入式（4），建立了研究区刀翼数与岩石可钻性级值间的计算模型，即

3 中深部地层PDC钻头个性化设计

由表1还可以观察到：当PDC钻头钻进取自青2＋3段及其以下地层的可钻性级值较大的地层时，打滑现象比较明显；同时青2＋3段岩性是紫红泥岩、青1段和泉头组岩性是黑灰泥砂，钻进泥岩段容易发生钻头泥包现象，并且在泥砂岩地层钻头磨损严重。为了保证所设计钻头的完整性和适应性，下面主要从冠部形状、切削齿、刀翼、保径和水力结构5个方面进行个性化设计，切削齿数目和刀翼数可以由第2部分建立的计算模型确定，而冠部形状、保径与水力结构设计需要根据国内外学者PDC钻头设计的经验来确定。

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3.1 冠部形状

针对研究区多为中硬地层，结合三大布齿原则（等切削原则、等功率原则和等磨损原则）的特点，并综合考虑切削齿的清洗、钻头抗磨损和抗冲击的需要，采用较平缓的冠部剖面，这样受力均匀、磨损均匀，同时适当延长外锥长度，增大布齿面积，提高钻头的排屑效果；另外，为提高钻头稳定性，刀翼设计一定的内锥角（150°），则钻头冠部剖面形状曲线为直线－圆弧－抛物线中锥型［5－7］，冠部形状如图1。

图1 PDC钻头冠部剖面形状

3.2 刀翼

大情字井地区中深部地层可钻性级值介于5.95～8.60，平均可钻性级值为6.52，由式（5）求出适合于研究区的刀翼数目为6个，设计为3个主刀翼和3个次刀翼，如图2。另外，刀翼前后面设计一定的锥角，使刀翼尖端变窄，减小刀翼与井底的接触面积，既可以使钻头快速钻进又可以增大钻头的排屑空间，有利于岩屑的运移和上返［8］。

图2 PDC钻头端面示意

3.3 切削齿

由公式（3）求出适合于研究区的切削齿数目为55枚，在1～6号刀翼上依次布置8、5、7、5、7、5枚切削法。研究区为中硬地层，切削齿直径选16 mm。为了提高钻头的抗冲击、抗研磨能力，在易发生冲击损害的钻头冠顶部位进行双排布齿，在每个刀翼上布置3枚直径为13mm的后排齿，共18枚。为提高钻头吃入地层的能力，兼顾齿寿命，负前角取为15°，合适的侧转角有利于岩屑向外缘移动，排屑效果好，研究区的侧转角取为15°［9］，切削齿布置如图3所示。

图3 切削齿在刀翼上的分布

3.4 保径设计

由于青2＋3段岩性是紫红泥岩、青1段和泉头组岩性是黑灰泥砂，钻进泥岩段容易发生钻头泥包现象。针对这一问题，采用短螺旋保径（55mm）技术，缩短了岩屑在钻头排屑槽内的运行时间，有效地预防了快速钻进时由于岩屑排出不及时导致的钻头泥包。其次，在缩短保径长度的情况下螺旋结构加大了钻头规径面与井壁的瞬时接触面积，使钻头在有限的保径长度下达到更优的力平衡效果，减弱了钻头在井底的涡动现象［10］；同时在易磨损的钻头外锥部分采用双排齿保径，提高保径效果。

3.5 水力结构优化

研究区为中硬地层，岩石可钻性较差，PDC钻头磨损严重，并且泥岩含量高，钻进过程中易发生泥包，需要较好的水力结构进行有效的冷却和清洗。深排屑槽可使钻头在钻井中岩屑的容纳空间增加，可更加有效地运移，防止泥包，将排屑槽深度设计为25mm，比R235D型和B425型钻头高出6mm；同时为提高钻头中心部位的岩屑运移效率和保障岩屑运移通畅［11］，增设中心水眼，流道与水眼分布如图2所示。

4 现场应用

根据以上的研究，设计出适用于研究区的个性化钻头，该钻头直径为215.9mm、六刀翼、双排齿、直线－圆弧－抛物线中锥型冠部形状、短螺旋保径、6个水眼＋中心水眼和大排屑流道，命名为M1666SS型PDC钻头。

将该M1666SS型PDC钻头应用于大情字井地区，钻进地层为青2＋3段、青1段和泉头组（2 205～2 559m 井 段 ），钻 具 组 合 为：215.9 mmM1666SS钻头＋172mm螺杆＋431／4A10接头＋159mm短钻铤＋214mm螺扶＋159mm钻铤＋127mm加重钻杆＋127mm钻杆。下钻前开泵试验螺杆，螺杆压降7MPa，下钻顺利，开泵循环，上下活动钻具，开转盘60r／min，下放钻具至井底，加钻压5kN，井底造型，并将钻压调整到30～50kN，转速60r／min带螺杆，排量60L／s，泵压11～18MPa正常钻进，单只钻头平均进尺354m，平均纯钻时间50.3h，平均机械钻速7.04m／h。在施工过程中，全井没有发生塌、漏、卡事故，使钻井周期大幅度降低，降低了钻井成本。

表2 大情字地区常用钻头的应用情况

由表2可知：该地区的平均机械钻速为2.6～5.2m／h，单只钻头进尺为186～246m，M1666SS型PDC钻头平均机械钻速7.04m／h，单只钻头进尺为354m，比该地区常用钻头的钻速和单只钻头进尺最高纪录分别提高了35.4%、44%，体现出机械钻速高、单只钻头进尺大的特点，说明该钻头适应该地区＞2 000m的地层，可以推广应用。

5 结论

1） 由室内微钻头试验结果可知：大情字井地区2 000m以上深度处的岩石硬度＞1 000MPa，属于中硬地层，岩性主要是由紫色泥岩和黑灰色泥砂岩组成，研磨性强，可钻性级值＞5级，存在PDC钻头泥包、易打滑和钻头保径磨损严重问题。

2） 根据室内试验数据回归出大情字井地区2 000m以上地层抗压强度与可钻性级值间的定量关系，根据抗压强度与可钻性级值间的定量关系及切削齿数与抗压强度间的经验公式，分别建立了切削齿数、刀翼数与可钻性级值间的计算模型。

3） 针对该地层岩性情况，从冠部形状、切削齿、刀翼、保径和水力结构5个方面进行设计，设计出六刀翼、双排齿、直线－圆弧－抛物线中锥型冠部形状、短螺旋保径、6个水眼＋中心水眼和大排屑流道的M1666SS型PDC钻头。

4） M1666SS型PDC钻头与同区块同深度处常用钻头相比，钻速和单只钻头进尺都有大幅度提高，为大情字井地区中深部地层缩短钻井周期、加快钻井速度奠定了技术基础。

［1］张 玉，王雅春，张 辉，等.松辽盆地大情字井地区青二段沉积微相与砂体特征［J］.特种油气藏，2010，17（1）：54－56.

［2］阎 铁，李士斌.深部井眼岩石力学理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，2002：38－60.

［3］张召平，苏新亮，葛洪魁.利用岩石三轴抗压强度优选PDC钻头［J］.石油大学学报：自然科学版，2005，29（6）：38－40.

［4］JIM O Hare，OSARUMWENSE O A Aigbekaen.Design index：a systematic method of PDC drill－bit selection［C］.SPE59112，2000，2－15.

［5］Taylor M R，Murdock A D，Evans S M.High Penetration Rates and Extended Bit Life Through Revolutionary Hydraulic and Mechanical Design in PDC Drill Bit Development［C］.SPE36435，1996（Oct）：2－3.

［6］艾 池.聚晶金刚石复合片钻头理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，1994：166－168.

［7］彭 烨，王福修.钻头冠部剖面形状设计模式［J］.石油钻探技术，1996，24（4）：38－39.

［8］朱宽亮，李 楠，李 睿，等.南堡油田玄武岩个性化高效钻头的设计与应用［J］.石油学报，2009，30（5）：760－763.

［9］Sahabudin Salleh，Darren Eckstrom.Reducing Well Costs by Optimizing Drilling Including Hard／Abrasive Igneous Rock Section Offshore Vietnam［C］.SPE062777，2000（Spt）：1－4.

［10］李贵宾，马金山，贾平军，等.大港油区PDC钻头个性化优 选 提 速 实 践 ［J］.钻 采 工 艺，2010，33（4）：115－117.

［11］周汉声.PDC钻头的改进措施［J］.石油矿场机械，1988，17（6）：57－58.