大情字井地區中深井PDC鉆頭優化設計

張 玲，王志強，張 楊，于 洋

（1.東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶163318；2.遼河油田 曙光工程技術處，遼寧 盤錦124010；3.塔里木油田 油氣工程研究院，新疆 庫爾勒841000；4.吉林油田 鉆井工藝研究院，吉林 松原138000）＊

與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭在鉆進軟到中硬的 均質巖層具有較好的技術經濟效益，但鉆井實踐表明：大情字井地區2 000m以上深度處的巖石硬度大多數在1 000MPa以上，屬于中硬地層，主要是由紫色泥巖和黑灰色泥砂巖組成；巖石研磨性強，可鉆性級值在5級以上，存在PDC鉆頭泥包、易打滑和鉆頭保徑磨損嚴重等問題［1］，PDC鉆頭在該地區鉆井效率偏低。所鉆地層的巖石力學參數是PDC鉆頭個性化設計的基礎和主要依據，但單一的力學參數并不能全面地反映巖石的抗鉆特性，而巖石可鉆性是巖石在鉆進過程中顯示出來的綜合性指標［2］。由試驗結果和相關理論建立PDC鉆頭切削結構參數與可鉆性級值間的定量關系，并結合國內外學者的經驗來解決該地層PDC鉆頭的常見問題。

1 巖石可鉆性級值與抗壓強度的相關性

利用全自動巖石可鉆性測試儀，在室內對大情字井地區9個層位32塊巖樣分別測試了微型牙輪鉆頭和微型PDC鉆頭鉆進下的可鉆性級值Kd和KPDC，并利用多功能巖石力學參數測試儀進行了力學參數試驗，部分試驗結果如表1所示。

表1 大情字井地區中深部地層巖樣室內試驗結果

由試驗數據可以回歸出巖石抗壓強度與巖石可鉆性級值的關系式為

式中：Kd為微型牙輪鉆頭測得的巖石可鉆性級值；σc為巖石的抗壓強度，MPa。

該關系式的相關性指數為0.87，說明該關系式比較符合兩者的關系。

2 PDC鉆頭主要切削結構參數與可鉆性級值間的定量關系

2.1 切削齒數目

通常，在可鉆性級值較大的地層中，增加切削齒數能提高鉆頭的使用壽命，但較多的切削齒會降低其鉆進速度。如果能建立切削齒數與地層可鉆性級值間的關系式，將能定量確定適合于該地區的切削齒數。切削齒數與巖石抗壓強度的關系［3－4］為

式中：Cn為切削齒數。

將式（1）代入式（2），建立了研究區切削齒數與巖石可鉆性級值間的關系式，即

2.2 刀翼數

根據經驗，地層可鉆性級值越大，刀翼數也就越多，基于鉆頭直徑和流道分布的考慮，刀翼數一般取3～10，如果能建立刀翼數與地層可鉆性級值間的關系式，將能定量確定適合于該地區的刀翼數。刀翼數與切削齒數的關系［3－4］為

式中：Bn為刀翼數。

將式（3）代入式（4），建立了研究區刀翼數與巖石可鉆性級值間的計算模型，即

3 中深部地層PDC鉆頭個性化設計

由表1還可以觀察到：當PDC鉆頭鉆進取自青2＋3段及其以下地層的可鉆性級值較大的地層時，打滑現象比較明顯；同時青2＋3段巖性是紫紅泥巖、青1段和泉頭組巖性是黑灰泥砂，鉆進泥巖段容易發生鉆頭泥包現象，并且在泥砂巖地層鉆頭磨損嚴重。為了保證所設計鉆頭的完整性和適應性，下面主要從冠部形狀、切削齒、刀翼、保徑和水力結構5個方面進行個性化設計，切削齒數目和刀翼數可以由第2部分建立的計算模型確定，而冠部形狀、保徑與水力結構設計需要根據國內外學者PDC鉆頭設計的經驗來確定。

而對于一般性的區域型主流媒體來說，中央廚房理念的確認不是單純模仿央企做法，而取決于如何攻克地方上“條塊分割”的行政化體制機制上，突破區域間多邊利益固化的藩籬。因此在目前階段推進融合媒體平臺化建設的過程中，首先要解決的是本區域以誰為主的問題。眾所周知的是傳統媒體的組織形態依然保留了工業時代的若干特征，比如規?；?、標準化和流程化，這與以扁平化、服務化等為特征的互聯網組織形態差異巨大。對于傳統媒體來說無異于一場組織革命。盡快打破媒介或者部門的區隔，這樣有利于利用相關配套政策和市場發展空間在區域資源整合下進行高效的產業制度安排。

3.1 冠部形狀

針對研究區多為中硬地層，結合三大布齒原則（等切削原則、等功率原則和等磨損原則）的特點，并綜合考慮切削齒的清洗、鉆頭抗磨損和抗沖擊的需要，采用較平緩的冠部剖面，這樣受力均勻、磨損均勻，同時適當延長外錐長度，增大布齒面積，提高鉆頭的排屑效果；另外，為提高鉆頭穩定性，刀翼設計一定的內錐角（150°），則鉆頭冠部剖面形狀曲線為直線－圓?。瓛佄锞€中錐型［5－7］，冠部形狀如圖1。

圖1 PDC鉆頭冠部剖面形狀

3.2 刀翼

大情字井地區中深部地層可鉆性級值介于5.95～8.60，平均可鉆性級值為6.52，由式（5）求出適合于研究區的刀翼數目為6個，設計為3個主刀翼和3個次刀翼，如圖2。另外，刀翼前后面設計一定的錐角，使刀翼尖端變窄，減小刀翼與井底的接觸面積，既可以使鉆頭快速鉆進又可以增大鉆頭的排屑空間，有利于巖屑的運移和上返［8］。

圖2 PDC鉆頭端面示意

3.3 切削齒

由公式（3）求出適合于研究區的切削齒數目為55枚，在1～6號刀翼上依次布置8、5、7、5、7、5枚切削法。研究區為中硬地層，切削齒直徑選16 mm。為了提高鉆頭的抗沖擊、抗研磨能力，在易發生沖擊損害的鉆頭冠頂部位進行雙排布齒，在每個刀翼上布置3枚直徑為13mm的后排齒，共18枚。為提高鉆頭吃入地層的能力，兼顧齒壽命，負前角取為15°，合適的側轉角有利于巖屑向外緣移動，排屑效果好，研究區的側轉角取為15°［9］，切削齒布置如圖3所示。

圖3 切削齒在刀翼上的分布

3.4 保徑設計

由于青2＋3段巖性是紫紅泥巖、青1段和泉頭組巖性是黑灰泥砂，鉆進泥巖段容易發生鉆頭泥包現象。針對這一問題，采用短螺旋保徑（55mm）技術，縮短了巖屑在鉆頭排屑槽內的運行時間，有效地預防了快速鉆進時由于巖屑排出不及時導致的鉆頭泥包。其次，在縮短保徑長度的情況下螺旋結構加大了鉆頭規徑面與井壁的瞬時接觸面積，使鉆頭在有限的保徑長度下達到更優的力平衡效果，減弱了鉆頭在井底的渦動現象［10］；同時在易磨損的鉆頭外錐部分采用雙排齒保徑，提高保徑效果。

3.5 水力結構優化

研究區為中硬地層，巖石可鉆性較差，PDC鉆頭磨損嚴重，并且泥巖含量高，鉆進過程中易發生泥包，需要較好的水力結構進行有效的冷卻和清洗。深排屑槽可使鉆頭在鉆井中巖屑的容納空間增加，可更加有效地運移，防止泥包，將排屑槽深度設計為25mm，比R235D型和B425型鉆頭高出6mm；同時為提高鉆頭中心部位的巖屑運移效率和保障巖屑運移通暢［11］，增設中心水眼，流道與水眼分布如圖2所示。

4 現場應用

根據以上的研究，設計出適用于研究區的個性化鉆頭，該鉆頭直徑為215.9mm、六刀翼、雙排齒、直線－圓?。瓛佄锞€中錐型冠部形狀、短螺旋保徑、6個水眼＋中心水眼和大排屑流道，命名為M1666SS型PDC鉆頭。

將該M1666SS型PDC鉆頭應用于大情字井地區，鉆進地層為青2＋3段、青1段和泉頭組（2 205～2 559m 井 段 ），鉆 具 組 合 為：215.9 mmM1666SS鉆頭＋172mm螺桿＋431／4A10接頭＋159mm短鉆鋌＋214mm螺扶＋159mm鉆鋌＋127mm加重鉆桿＋127mm鉆桿。下鉆前開泵試驗螺桿，螺桿壓降7MPa，下鉆順利，開泵循環，上下活動鉆具，開轉盤60r／min，下放鉆具至井底，加鉆壓5kN，井底造型，并將鉆壓調整到30～50kN，轉速60r／min帶螺桿，排量60L／s，泵壓11～18MPa正常鉆進，單只鉆頭平均進尺354m，平均純鉆時間50.3h，平均機械鉆速7.04m／h。在施工過程中，全井沒有發生塌、漏、卡事故，使鉆井周期大幅度降低，降低了鉆井成本。

表2 大情字地區常用鉆頭的應用情況

由表2可知：該地區的平均機械鉆速為2.6～5.2m／h，單只鉆頭進尺為186～246m，M1666SS型PDC鉆頭平均機械鉆速7.04m／h，單只鉆頭進尺為354m，比該地區常用鉆頭的鉆速和單只鉆頭進尺最高紀錄分別提高了35.4%、44%，體現出機械鉆速高、單只鉆頭進尺大的特點，說明該鉆頭適應該地區＞2 000m的地層，可以推廣應用。

5 結論

1） 由室內微鉆頭試驗結果可知：大情字井地區2 000m以上深度處的巖石硬度＞1 000MPa，屬于中硬地層，巖性主要是由紫色泥巖和黑灰色泥砂巖組成，研磨性強，可鉆性級值＞5級，存在PDC鉆頭泥包、易打滑和鉆頭保徑磨損嚴重問題。

2） 根據室內試驗數據回歸出大情字井地區2 000m以上地層抗壓強度與可鉆性級值間的定量關系，根據抗壓強度與可鉆性級值間的定量關系及切削齒數與抗壓強度間的經驗公式，分別建立了切削齒數、刀翼數與可鉆性級值間的計算模型。

3） 針對該地層巖性情況，從冠部形狀、切削齒、刀翼、保徑和水力結構5個方面進行設計，設計出六刀翼、雙排齒、直線－圓?。瓛佄锞€中錐型冠部形狀、短螺旋保徑、6個水眼＋中心水眼和大排屑流道的M1666SS型PDC鉆頭。

4） M1666SS型PDC鉆頭與同區塊同深度處常用鉆頭相比，鉆速和單只鉆頭進尺都有大幅度提高，為大情字井地區中深部地層縮短鉆井周期、加快鉆井速度奠定了技術基礎。

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