新型8-1/2″复合钻头的研制与应用

王春华，马伟东，刘江涛

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

大庆油田深部地层泉二段至沙河子组层位岩石坚硬、研磨极值高，导致单只钻头进尺少、钻头寿命短、机械钻速低的问题日益突出，为了解决深层地层可钻性差、钻井效率低等问题，通过分析岩石力学特性和地层特点，引进了国外复合钻头，该钻头在营城组平均进尺71.46m，钻速2.04m/h，相对国产常规钻头有一定的提速效果，但价格昂贵，是国产钻头的7倍，且发生5次掉牙轮事故，安全性存在问题。因此，自主研发新型8-1/2″复合钻头。提高深井机械钻速，缩短完井周期，降低钻井成本，减少井下事故的发生。

1 复合钻头原理及结构设计

1.1 复合钻头原理

PDC钻头以刮削方式破碎岩石，但硬地层PDC齿吃入深度小，切削效率低，增大钻压又易使PDC齿损伤，硬地层中钻速和寿命较低；牙轮钻头以冲击压碎方式破碎岩石，在岩石上形成齿坑，但在硬地层、硬塑性地层，岩石上形成齿坑小，影响切削效率。复合钻头包含牙轮和PDC刀翼，牙轮切削齿能形成不连续的齿坑，对岩石产生预破碎，再由PDC切削齿将不连续的齿坑刮削连通，使复合钻头具有较高机械钻速。此外牙轮刀翼降低了PDC刀翼的切削载荷，限制了PDC切削齿吃入深度，提高了钻头使用寿命。

1.2 牙轮与刀翼组合结构优选

复合钻头牙轮布置分为向外布置、向内布置、心部布置3种方式（图1～图3）。

图1 向外布置牙轮

图2 向内布置牙轮

图3 心部布置牙轮

心部布置方式适用于大尺寸钻头，向外布置方式PDC刀翼厚度较小，布齿困难，因此设计的复合钻头采用牙轮向内布置方式。

1.3 PDC部分设计

根据215.9mm钻头尺寸的空间,布置了2个主刀翼和2个副刀翼,设计了较大的刀翼厚度，提高布齿密度。

复合钻头同时包含牙轮和刀翼，适用于硬塑性、软硬交错等地层，根据大庆油田该岩性地层分析资料，设计了较强攻击性的浅内锥角，短圆弧结构冠部曲线，使PDC复合片载荷分布更均匀，有助于提高钻头的机械钻速；根据复合钻头工作特性，设计牙轮齿比PDC齿高出1.4mm（图4）。PDC部分复合片后倾角为15°～30°，更有利于切削坚硬岩层。

图4 牙轮及PDC布齿示意图

1.4 牙轮部分设计

根据PDC部分实际尺寸，设计了平头式牙轮（图5），减少了占用空间，增加了泥浆循环空间，有利于钻头的清洗。在牙轮端面增加了渗碳工艺，有效地防止牙轮端面的磨损，提高钻头使用寿命。轴承部分采用滑动轴承，在轴承表面堆焊硬质合金，可承载高负荷大钻压。轴承镶焊减磨合金后进行镀银，提高轴承的抗咬合能力。

设计了自补偿式润滑机构，能平衡牙轮工作时轴承腔内外的压力差。轴承腔润滑脂不足时，润滑腔内储存的润滑脂在压差作用下向轴承腔补充，使轴承处于良好的润滑条件下工作。

图5 牙轮结构示意图

在轴承下部设计了密封系统，使用复合材料技术，将耐磨材料与弹性材料做成一体，耐磨材料做动密封减少磨耗，弹性材料做静密封提供密封力，阻止钻井液进入，防止润滑脂流出，保证牙轮长时间在高速旋转条件下正常工作。

1.5 连接机构设计

在复合钻头的PDC本体和牙轮巴掌接触面处设计燕尾槽，配合安装后在连接处四周进行焊接，将牙轮巴掌固定在PDC本体上（图6～图8）。在PDC本体连接处加大坡口，增加焊接强度，减小巴掌脱落风险，增加钻头安全性、可靠性。

图6 PDC基体

图7 牙轮巴掌

图8 装配图

2 现场试验情况

在大庆双66井进行了复合钻头的现场试验，地层营城组，岩性流纹岩、凝灰岩，施工井段1279.32～1382.22m，单趟钻进尺102.9m，纯钻时间33.07h，平均机械钻速3.11m/h，累计工作时间40.1h。由于取芯起钻，起钻前每米钻时5～8min，钻头出井后轻微磨损。

双深1井营城组共使用10只HJT637/737牙轮，平均单只牙轮进尺为40.3m，平均钻速1.05m/h，复合钻头与之相比，进尺提高153%，钻速提高196%。

国外贝克复合钻头，平均单只钻头进尺71.46m，平均钻速2.04m/h，与之相比复合钻头进尺提高44%，钻速提高52.5%，成本降低50%以上。

3 结论

（1）研发出4PDC刀翼和2牙轮组合方式的复合钻头，具备牙轮齿预破碎岩石，PDC刀翼高效切削的破岩特点。

（2）复合钻头在双66井现场试验效果良好，在营城组机械钻速3.11m/h，提速效果明显。

（3）下步调研国外先进PDC复合片技术，采用性能更佳的PDC复合片制造复合钻头，进一步提高复合钻头在大庆深部地层应用效果。