珠江口盆地番禺地区PDC钻头个性化设计

陈来军，贺　培，吴凤宇，杜建华

（1.中石油西部钻探国际钻井公司，新疆乌鲁木齐830026；2.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室<重庆地质矿产研究院>，重庆400042；3.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心<重庆地质矿产研究院>，重庆400042；4.油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学，四川成都610500)

珠江口盆地番禺地区PDC钻头个性化设计

陈来军*1，贺培2,3,4，吴凤宇1，杜建华1

（1.中石油西部钻探国际钻井公司，新疆乌鲁木齐830026；2.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室<重庆地质矿产研究院>，重庆400042；3.重庆市页岩气资源与勘查工程技术研究中心<重庆地质矿产研究院>，重庆400042；4.油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学，四川成都610500)

番禺地区是珠江口盆地油气勘探开发重点区域。在分析番禺地区地层特征的基础上，结合现场实际情况，研究发现影响番禺地区PDC钻头机械钻速的主要因素是钻头稳定性、井斜角、泥质含量、钻头磨损、岩石胶结物和胶结类型。针对存在的问题，设计了一款12-1/4″PDC钻头，采用6刀翼、双排齿结构，刀翼周向位置角0°、59.2°、120.8°、179.2°、239.7°、301.3°。9喷嘴结构，中心喷嘴直径12.70mm、喷射角18°。外围喷嘴直径9.53mm、喷射角30°。模拟研究表明不会出现应力集中失效，强度满足安全性。井底流场满足排屑、辅助破岩需要。

番禺地区；PDC钻头设计；PDC钻头稳定性；刀翼；喷嘴

1　番禺地区地层特征

番禺地区是一个三级构造单元地区，南部是白云凹陷，北部是恩平凹陷，东部邻近东沙隆起，西部和神狐暗沙隆起相邻。构造上是下断上坳、向北掀斜的低隆起。番禺地区地层主要是珠江组、韩江组、粤海组和万山组。珠江组是该地区的主要地层，沉积相、岩性复杂多变；下部发育三角洲—滨岸—潮坪相砂泥岩互层；中下部东沙隆起及其北坡发现有多期生物礁和碳酸盐岩台地，部分区域碳酸盐岩中见砂岩夹层；中上部地段是大段泥岩夹砂岩[1]。番禺地区地质分层和岩性见表1。

表1　番禺地区地质分层和岩性表

通过对番禺地区某1、2平台岩石可钻性剖面分析知，某2平台地层可钻性级值略小于某1平台地层可钻性级值，某1平台地层岩石可钻性级值变化较大。上新世—万山组地层岩石可钻性级值为1～2.5，中新世—粤海组地层岩石可钻性级值为1.5～3，中新世—韩江组地层岩石可钻性级值为2～3.5，中新世—珠江组的地层岩石可钻性级值为3～5。该地区地层主要以软—中软为主，其中有少数夹层岩石可钻性级值达到6～7。

番禺地区使用PDC钻头穿越万山组、粤海组、韩江组、珠江组地层，其中万山组与珠江组中只钻进部分地层。即设计12-1/4″PDC钻头时，主要考虑粤海组、韩江组地层中的使用情况。

2　番禺地区PDC钻头使用存在问题分析

结合番禺地区实际情况，发现该地区使用PDC钻头的机械钻速不明显优于使用牙轮钻头的机械钻速，使用PDC钻头主要存在如下问题：

（1）钻头稳定性影响。该地区地层含有一定的砾石，现场的实时机械钻速记录表明，当PDC钻头进入含砾石段时，机械钻速会降低，同时引起钻头回旋振动，加速损坏PDC钻头。

（2）井斜角影响。番禺地区井型主要采用定向井、水平井，12-1/4″PDC钻头所钻井段为开始造斜段到水平段。井斜角会影响PDC钻头齿入地层角度，PDC钻头切削齿齿入的角度正好为地层岩石最弱面时，有利于PDC钻头钻进。PDC钻头一部分切削齿齿入地层岩石脆弱面，一部分切削齿齿入岩石高强度面时，会引起PDC钻头回旋振动，不利于钻头稳定性。

（3）泥质含量影响。从粘土矿物实验可以看出，整个地层段粘土含量5.7%～39.2%，证实泥岩是影响机械钻速的重要原因。现场实时机械钻速记录表明，粘土相对含量增加时，机械钻速明显降低。砂岩相对含量增加时，机械钻速会相应增加。现场取出的部分钻头还出现了泥包现象。

（4）钻头磨损的影响。现场使用后的PDC钻头，切削结构的内排齿与外排齿磨损等级主要为1～3，只有少部分PDC钻头的内、外排齿磨损严重。磨损特征主要为切削齿磨损，少部分出现切削齿断、切削齿碎裂等严重磨损情况。磨损位置一般为鼻部、肩部或全部磨损。直径磨损一般不严重，常为磨损1mm或者直径无磨损。矿物百分比中石英含量达到52.1%～79.8%，高石英含量是造成PDC常规磨损的主要原因。

（5）岩石胶结物和胶结类型的影响。番禺地区胶结物不同的井之间有一定的差别，主要是泥质、方解石、白云石、粘土矿物等。胶结物类型主要是接触胶结与孔隙胶结，个别层段存在基底胶结。番禺某1、某2平台，在同样的岩性、钻井参数、PDC钻头等条件下，出现机械钻速相差很大，这与岩石的胶结物类型密切相关。出现基底胶结岩石时，机械钻速会显著降低。

3　PDC钻头切削结构设计

3.1刀翼布置设计

现场12-1/4″PDC钻头使用知，下入5刀翼PDC钻头，在部分井中存在跳钻现象，稳定性不好。下入6刀翼PDC钻头基本不存在跳钻现象，稳定性良好。所以采用6刀翼结构（3主刀翼+3辅助刀翼）。刀翼布置设计具有以下特征：①采用弧线型6刀翼，冠部为中抛物线型，中等切削后角，增强导向性。②采用力平衡设计和低摩阻保径有效防止钻头回旋，提高钻头防泥包能力。③刀翼形状采用螺旋型刀翼结构，降低减少钻头的回旋振动机率和提高排屑效率。结合PDC钻头力平衡原则，刀翼周向位置角采用0°、59.2°、120.8°、179.2°、239.7°、301.3°[2-4]。

3.2PDC钻头稳定性布齿设计

主刀翼采用双排齿结构（主切削齿+辅助切削齿），主切削齿尺寸为16mm，辅助切削齿尺寸为13mm，具体钻头设计参数见表2。PDC钻头布齿设计具有以下特点：①采用超优质的16mm“T”齿，显著提高钻头的抗冲击性和抗研磨性。②采用高性能的胎体材料，提高钻头抗冲蚀性能，保证钻头使用寿命。③采用后排齿设计，增加钻头的布齿密度，提高钻头的使用寿命。④采用防碰节设计，增加钻头的稳定性，抗冲击性。⑤采用强化保径设计，保径处布置高性能的保径齿、PDC平躺齿、金刚石聚晶。⑥采用倒划眼设计，增强钻头处理井下复杂事故的能力。⑦采用力平衡设计，降低钻头径向、轴向及扭转振动，提高PDC齿切削效率和机械钻速。

表2　个性化PDC钻头设计参数

根据钻压计算单齿切削载荷，并将单齿载荷加载到相应的齿上，通过模拟分析计算，校核PDC钻头强度，确保在相应的扭矩和钻压下工作的安全性。校核该个性化PDC钻头在钻压12t、扭矩15000N·m，钻压15t、扭矩20000N·m下的有效应力、钻头受力变形情况，以判断该PDC钻头的适应性。

通过有效应力校核模拟分析知，在钻压12t、扭矩15000N·m下，最大有效应力为85.3MPa，最大有效应变0.0362mm。在钻压15t、扭矩20000N·m下，最大有效应力113MPa，最大有效应变0.0483mm。最大有效应力出现在切削刀翼根部，最大有效应变出现在切削齿上。满足PDC钻头切削要求，PDC钻头不会出现应力破坏。

4　PDC钻头水力结构设计

4.1喷嘴布置设计

设计的PDC钻头为6刀翼结构（3主刀翼+3辅助刀翼），选择9喷嘴结构（中心3喷嘴+外围6喷嘴）。中心喷嘴直径为12.70mm（16），外围喷嘴9.53mm（12）。喷嘴位置布置在靠近切削刃工作面上，中心3个喷嘴位于主刀翼切削齿切削面内侧。外围6个喷嘴射流角度为30°，中心喷嘴射流角度为18°[5]。

4.2个性化PDC钻头流场模拟

对个性化PDC钻头进行流场模拟，得出该PDC钻头井底流场、流道内流体速度矢量图。发现该PDC钻头采用3中心喷嘴12.70mm（16）+6外围喷嘴9.53mm（12）结构流体流场分布合理。从个性化PDC钻头流场模拟实验知，中心喷嘴喷出的流体流速大，没出现涡流情况，能满足清洗主刀翼切削岩屑的需要；该PDC钻头流道内流速高，能把岩屑快速排出流道。所以在水力上优化能有效提高钻头的寿命和机械钻速，有效降低出现泥包的风险[6-7]。

5　结论

（1）12-1/4″PDC钻头主要钻进粤海组、韩江组地层，为软—中软地层。影响PDC钻头使用效果的主要因素是钻头稳定性、井斜角、泥质含量、钻头磨损、岩石胶结物和胶结类型。

（2）个性化12-1/4″PDC钻头采用3主刀翼+3辅助刀翼、双排齿结构，刀翼周向位置角0°、59.2°、120.8°、 179.2°、239.7°、301.3°。在钻井钻压和扭矩下，不会出现应力集中失效，满足强度要求。

（3）个性化12-1/4″PDC钻头采用3中心喷嘴+6外围喷嘴，中心喷嘴直径为12.70mm，外围喷嘴9.53mm；中心喷嘴喷射角为18°，外围喷嘴喷射角为30°。数值模拟表明该PDC钻头井底流场满足排屑、辅助破岩要求。

[1] 尹俊，张尚锋，等.珠江口盆地番禺地区珠江组层序地层特征[J].钻采工艺，2011，18（3）：56-57.

[2]WELL M.Bit Balling Mitigation in PDC Bit Design[R].SPE 114673-MS-P,2008.

[3]何林峰，谢翠丽.流道形状对PDC钻头头部流场影响的数值模拟[J].上海理工大学学报，2007，29(1)：59-64.

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[7]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：113-142.

TE2

A

1004-5716(2016)11-0096-03

2015-12-08

2016-01-18

陈来军（1986-），男（汉族），山东菏泽人，工程师，现从事钻井工程技术、钻井施工工艺等方面的研究和管理工作。