四川盆地威远区块“一趟钻”PDC钻头设计及应用

2021-09-04田东彬齐昌利王海斌

设备管理与维修 2021年15期

谢金，田东彬，田波，齐昌利，王海斌

（1.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280；2.渤海钻探第一钻井工程分公司，天津 300280）

0 引言

威远构造位于川中古隆平缓构造区威远至龙女寺构造群，为乐山—龙女寺加里东古隆起上形成的一巨型近穹隆状的背斜构造。二开井段钻遇层位较多，须家河段以砂岩为主对钻头抗研磨能力要求较高，雷口坡、嘉陵江组地层有灰岩硬夹层及石膏层软硬交错，龙潭组铝土质泥岩、页岩夹凝灰质粉砂岩及黑色煤软硬交替，茅口及栖霞部分井段部分含黄铁矿、燧石结核。

当钻头瞬间过渡到软地层的时候，钻头瞬间吃入地层深度加大，产生较高的扭矩，甚至会憋停。当钻头在井底反复粘卡振动时，钻头的复合片就会由于过高的冲击力而破碎，最终因机械钻速降低而起钻，难以达到二开“一趟钻”的既定目标。通过不断改善311.2 mm 五（刀）翼16 mm 齿钻头冠部形状、布齿、水利结构设计，研制出抗软硬交错、耐磨性更强的适应“一趟钻”特性钻头。

1 设计方案

1.1 冠部形状α

结合现场施工工况，综合考虑冠部剖面形状对破岩效率、钻头寿命和稳定性影响。选择“直线—圆弧—圆弧”形状为基本冠部轮廓曲线（图1），该钻头冠部轮廓采用常规中等内锥结构，既能保证钻头稳定性又能兼顾攻击性。冠顶鼻部位置宽大，通过大的表面积达到优异的抗冲击能力，在大钻压工况下能获得较高的机速；肩部双圆弧连续平缓过渡结构可消除集中载荷点，增加穿硬夹层能力，线性相对较长，可以布置更多的切削齿参与工作，强化钻头抗研磨能力，提高钻头使用寿命。

在图1 所示的坐标系中，这种直线—双圆弧剖面可以表示为式（1），剖面参数按式（2）计算：

图1 冠部轮廓曲线

式中 Dp——冠部外径，mm

R0——冠部半径，mm

R1——内圆弧半径，mm

R2——外圆弧半径，mm

α——内锥半角，°

H2——外锥高度，mm

H1——内锥高度，mm

r02——外圆弧圆心径向坐标，mm

利用式（1）和式（2），给定钻头冠部外径Dp、冠顶半径R0、内锥半角α、内圆弧半径R1、外圆弧半径R2，就可以确定出具体的冠部剖面形状。

1.2 刀翼结构及布齿设计

为了提高钻头的攻击性和稳定性，采用五刀直翼非对称结构（图2），相邻刀翼间夹角为67°～75°，这种直刀翼结构钻头刀翼清洗效果好，切削齿能及时得到冷却，在软到中等硬度的地层中机械钻速较高；同时该结构分散井壁切削力，提高钻头稳定性。

图2 布齿结构

切削齿的工作角度是后倾角、侧倾角、法向角（装配角度）三维合成的。后倾角是其中最重要的设计参数，根据Hough 研究得出的结论：软地层金刚石钻头应采用10°～20°的后倾角、硬地层采用20°～25°后倾角；1990 年代，Kara-Sawa 和Li 等用后倾角为10°、15°、20°、25°、30°和40°的切削齿切削花岗岩，结论是随后倾角的增大，切削齿纵向力、切削力、扭矩都呈增大趋势。现场经验表明，钻压和扭矩越大，切削齿切削地层的能力越强,且抗冲击破碎的能力也加强。针对威远区块二开钻遇地层的特点及使用后的钻头肩部磨损严重，采用Ф16 mm 复合片同时为主副切削齿，后排齿较前排齿出露低，钻进过程中前排齿磨损到一定程度后，后排齿开始切削地层。作用旨在有效控制PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头的纵向和扭转振动，保障钻头机械钻速和工作寿命。副齿出露高度对钻头性能有着重要影响，高出露会影响主齿吃入地层，低出露则起不到保护主齿的作用，依据现场和设计经验将高度差设定为2 mm。

切削齿后倾角采用由内向外渐变的设计，区间设定为10°～25°，确保钻头有较好的攻击性和使用寿命。设计侧转角区间为1°～12°，以加强钻头的清洗和排屑的移运，避免切削齿与井底的干涉现象，提高钻进效率。

1.3 刀翼优化设计

降低刀翼厚度，使流道面积最大化。增大刀翼及排屑槽圆角，形成曲面，刀翼形状近似流线性，减少流体阻力。刀翼根部增厚，使刀翼背部具有较大的斜面，便于上返岩屑。

1.4 水利结构设计

飞仙关组巨厚石膏层，龙潭组铝土质泥岩，易发生缩径、垮塌，尤其是在龙潭组易出现泥包现象。针对钻头出现的泥包现象，使用深宽水槽设计，运用专业水力分析软件，对井底流场进行模拟，对配置八喷嘴水力结构进行调整，提高水力运移岩屑效果，加强钻井液对金刚石钻头鼻部、肩部位置切削齿的清洗冷却效果。经过分析优化后的水力结构是钻头在钻进过程中，消除了滞留、回流区域，有效杜绝钻头泥包现象，减少了因岩屑从井底冲洗不及时造成重复切削的情况。

1.5 防卡结构设计

防卡结构是在PDC钻头倒划眼位置增每个刀翼在增加一颗二级级倒划眼齿，新增加的倒划眼齿圆周半径较常规倒划小，并在两个倒划眼齿间增加尖锥齿（图3）：当井壁不稳出现较大掉块，尖锥齿破碎体积过大掉块使其能随泥浆返出井口，减少因掉块卡钻的风险；而当钻遇缩径较重或者易垮塌时底层时，在划眼过程中双倒划眼齿的结构能更快、更有效地修复井壁，降低卡钻风险，减少起下钻时间。

图3 防卡结构

2 现场应用及对比分析

针对四川盆地威远区块地层个性化设计的金刚石钻头，在须家河至栖霞组须家河至栖霞组威204H47-2 和威204H47-3井进行了现场试验（表1），所钻岩性为细砂岩、页岩、石灰岩、白云岩、石膏、铝土质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩等，钻头平均进尺1735.5 m，平均机械钻速8.96 m/h，在3 口井实现了二开“一趟钻”。