提速工具配套钻头的优化改进

纪 博

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

随着油田深部油气藏勘探和开发的深入，深井钻井数量逐年增加。而大庆油田深部地层普遍存在岩石坚硬、研磨极值高、单只钻头进尺少、钻头寿命短、机械钻速低的特点。为解决该问题，大庆钻探自主研发了液动旋冲工具，目前已形成成熟产品，在大庆、海拉尔、川渝等区块推广使用，取得了很好的提速效果。但配合工具使用的钻头易出现损坏。因此开展了提速工具配套钻头研究，以达到进一步提高进尺和钻速的目的。

1 钻头损坏形式

目前配合提速工具钻头损坏形式主要有以下三种（见图1）：

（1）由于破岩效率低，导致在复合片在同一位置摩擦产生高温，使复合片稳定性下降，磨损加快，造成肩部和鼻部齿严重磨损；

（2）由于钻头心部齿静载荷过载，出现崩齿从而引发连锁反应，最终导致掏心；

（3）由于地层研磨性强，肩部齿磨损到一定程度后，胎体与地层直接接触磨损造成缩径。

图1 提速工具钻头损坏形式

2 优化改进方案

针对上述问题，结合大庆油田地层特点和提速工具工作特性，开展了提速工具配套钻头研制。

（1）冠部曲线设计。选择适用于硬度高、研磨性强地层的中抛物面冠部曲线，通过浅深度內锥设计降低钻头心部单齿载荷。输入设计条件通过理论公式进行曲线拟合。

根据上述理论计算设计出的钻头冠部曲线参数见图2。

（2）布齿设计。针对钻头肩部齿易磨损问题，采用高密度布齿方案，提高肩部布齿密度，使每个切削齿承受较小的钻压，做较小的功，以提高切削齿的寿命（见图3）。

图2 提速工具钻头优化后冠部曲线模型及参数

与之前使用钻头相比，设计的单排齿钻头布齿密度提高了13%，双排齿钻头布齿密度提高了16%。

完成布齿密度设计后，三维展开布齿到每个刀翼，进行切削结构角设计。

目标函数：

约束条件：

图3 提速工具钻头优化后布齿设计

根据上述理论计算设计出的钻头后倾角为18°～25°（不同地层特性对应后倾角推荐见表1）。考虑到提速工具对钻头的作用，最后确定后倾角为20°～30°。钻头在配合提速工具使用时，可有效提高切削效率、保护切削齿、延长钻头的寿命、提高机械钻速。

表1 不同地层特性对应后倾角推荐

（3）PDC 复合片优选。通过测试进行复合片优选（见图4），最终选用的复合片磨耗比可达到41万，脱钴深度800μm，抗冲击达540J，各项指标达到国外同类产品水平（复合片参数对比见表2）。

图4 复合片测试

3 现场试验

提速工具配套钻头现场试验7 口井（7 只钻头，具体使用情况见表3），累计进尺2105.68m，累计纯钻时间634.85h，平均单只钻头进尺300.81m，平均机械钻速3.32m/h。其中最高钻头进尺522.00m，最高钻速6.11m/h（钻头出入井对比见图5）。

表2 复合片性能对比

表3 提速工具配套钻头应用情况

图5 钻头出入井对比情况

4 结论

（1）针对大庆探区地层特性，结合提速工具工作特性，从多方面对钻头进行优化改进，使钻头更契合提速工具。

（2）优化后的钻头经7 口井现场试验验证，提速效果明显，且使用寿命有一定提高。

（3）现阶段国内外非平面齿复合片已日趋成熟，建议下步可选用非平面齿复合片，在含砾地层配合提速工具使用可进一步提高钻速。

（4）下步针对不同形式的提速工具继续进行钻头改进，行成系列化钻头产品。