PDC钻头在靖中北水平气井与靖南气探井中的应用与优化

2018-07-27孙亚平宜建国

石油工业技术监督 2018年7期

孙亚平，宜建国

中国石油川庆钻探长庆监督公司（陕西西安710018）

2017年在靖中北与靖南区块分别钻井2口，在已完钻的4口井中，全程使用PDC钻头钻进，水平井全井最高平均机速14.48 m/h，探井全井最高平均机速15.0 m/h。PDC钻头具有安全可靠、钻速快等优点，使用中取得了良好效果。靖中北区块地层相对较软，对钻头的要求不高，起出钻头新度相对较好；靖南区块地层复杂，下部地层较硬，钻头磨损相对严重。

靖中北地区表层扭矩不稳存在小幅憋跳现象，但由于地层相对较软，除了在安定与直罗交界面的300～350 m钻速变慢外，整个表层平均每个单根在10 min左右，整个表层纯钻在15～20 h就可完钻，起出钻头新度较好。

靖南区域表层相对复杂，由于存在天然裂缝，在钻进过程中井壁失稳崩塌后，大型掉块以及大型裂缝产生不均匀间隙，在钻进过程中刀翼受到阻卡，造成瞬时扭矩过大，很容易提早损坏PDC复合片，靖中北地区表层钻头在完钻后几乎无磨损，靖南地区表层钻头起出后磨损相当严重。建议钻头厂家在PDC布齿时充分考虑地层因素，针对南部地区复杂地层，增加布齿密度，减小复合片直径，增加刀翼数目，尽量使用双排布齿，增加刀翼的保径长度，以增加钻头稳定性。上部地层较松软，钻时相对较快，靖南与靖中北略有差别，对钻头要求不高。

靖南区块井深过2 000 m以后，钻速变慢，下部地层中纸坊、刘家沟地层较硬，每根钻进超过90 min，刘家沟地层钻进平均在15～20 m/min，对钻头磨损也相当大，通过在刘家沟起出钻头来看，大多数钻头磨损程度较为严重或钻头5个刀翼的复合片有明显断齿现象。在刘家沟下部地层使用六刀翼或钻头复合片较短的钻头、增加复合片布齿密度、增加刀翼数量、保径部分增强抗冲击、增强钻头整体的稳定性。

1 钻头设计优化

钻头的布齿原则是等体积法，即钻头旋转一定的角度，每个齿扫过相同的体积。在布齿的时候还要充分考虑地层的可钻性，在北部相对松软地层，增加钻头的攻击性，提高机械钻速。根据靖中北水平井的数据，单只钻头可钻至二开造斜点，钻头磨损一般，磨损度达到50%～60%，在靖中北水平井钻头设计时可根据起出钻头的磨损情况，调整该区块的钻头参数。正常情况下，钻头中心齿轻微磨损，顶部切削齿正常磨损，肩外部齿相对磨损严重。钻头的内部、顶部齿可考虑减小复合片的倾角，使其吃入地层的深度增加，提高机械钻速，肩部齿可考虑增加倾角、增加复合片密度来减轻磨损程度。

由于钻井二开一般为螺杆钻具，钻头转速，外部齿线速度较高，在旋转的过程中速度相对较快。当转盘转速为60 r/min，螺杆转速为100 r/min时，228.6 mm钻头的肩部齿线速度为[1]:

v=(60+100)×0.228/2=18.24(m/min)=0.30(m/s)

而钻头顶部齿（假定在半径一半处）的线速度只有0.15 m/s，在同样的时间内，复合片要扫过相同体积的情况下，肩部齿的密度就要是顶部齿的2倍。肩部齿同时还要承受钻具摆大掉块、裂缝性地层等带来的冲击荷载，布齿密度更应提高[2-5]。

不同的形状的钻头冠部形状，也就是钻头刀翼形状，在钻进过程中形成的井底造型有很大区别。目前靖南区块井队普遍使用PDC钻头，使用的钻头采用抛物线形状，钻头选择不同形状的刀翼，切削齿相对高差和切削齿轴线与钻头轴线间的夹角不同，这会影响各切削齿接触底层的切削体积，导致各复合片在钻进过程中破坏地层岩屑能力的强弱不同；另外，不同钻头刀翼形状使钻头复合片在吃入地层时受力大小不同。合理的钻头刀翼形状可以增加钻头的稳定性，利于井底岩屑清洗及降低钻头复合片的磨损。胜辉钻头与金锐钻头井底造型切削设计是保证每个钻头复合片的破岩体积相同。设钻头半径为R，切削齿半径为r，钻头平均每转吃入地层深度设为d，切削齿数量设为N，钻头每转破岩屑体积为：V=πR2d。

按照钻头的等切削原则，各钻头复合片每转破岩屑体积为为：Vl=πR2d/N。

设第i个复合片距离钻头中心距离为Xi,切削面积为Si，则有：Vi=2πXiSi，其中Si=R2d/(2NXi)。

钻头外径一定、布齿数量不变、每转进尺不变的情况下，切削面积与齿距离钻头中心的距离成反比，即距离钻头中心越远的复合片分配的每转的切削面积应当越小，布齿数量应当与钻头中心距离成正比。

PDC钻头的复合齿最重要的两个结构是齿前角和自转角，与其他切削复合齿一样，PDC钻头切削复合片结构角对切削复合片的切削效率和工作性能有十分重要影响，齿前角决定切削复合片作用于地层力的方向。合理的齿前角，合理的齿前角能提高切削效率的最大化，能保护切削复合片，延长钻头使用时间和寿命，有助于提高钻进速度。

合理的侧转角有利于钻头清洗和岩屑的运移轨迹，减少钻头泥包发生。PDC钻对切削结构由诸多个分布在钻头表面不同部位的切削复合片构成，每个切削复合片的空间方位与工作部位都不相同，所以各切削复合片的齿前角和侧转角也不同。由于要保持切削复合片的良好工作性能，须控制切削复合片磨损最小对切削复合片齿前角和侧转角的优化，确定各齿结构角大小。如图1、图2所示。