側鉆開窗隨鉆擴眼PDC鉆頭個性化研發和應用

李鳳樂++李軍委

摘 要：文章重點介紹了側鉆井造斜、穩斜隨鉆擴眼鉆頭的設計依據，結合現場使用情況，總結出了其主要性能特點及存在的問題，為今后的進一步推廣應用指出了方向，同時指出了該型鉆頭在側鉆大斜度定向井、側鉆水平井施工過程中應有的高性能。

關鍵詞：PDC鉆頭；隨鉆擴眼；個性化設計；開窗

中圖分類號： TE245 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）20-182-2

0 引言

鑒于側鉆井技術在提高老油田采收率方面具有投資少、成效大、見效快的優勢，為側鉆井技術的大面積推廣應用創造了條件。鉆頭作為最關鍵的工具之一 ，其質量好壞直接影響到井眼質量和鉆進速度。

分析已鉆井位鉆頭技術指標，現有鉆頭平均單只進尺146m，平均機械鉆速1.18m/h，平均鉆頭使用效果指數為2.80，使用效果指數[1]不佳；在可導向鉆具上使用時穩定性方面較差，擴眼憋鉆；其原因是反扭矩太大，另一方面是 PDC鉆頭扭矩對鉆壓變化非常敏感，再一方面井底粘滑鉆具振動[2]。本文通過優化鉆頭剖面形狀，優化布齒、力平衡計算設計、優化水力結構等技術方面得到改善[3]，取得優良使用指標。

1 隨鉆擴眼PDC鉆頭的結構和原理

1.1 鉆頭冠部剖面形狀

我國石油鉆井所遇地層大都是軟硬交錯的非均質地層，性質單一的大段均質地層則很少。針對地層非均質的特點，綜合考慮冠部剖面形狀對鉆頭壽命和鉆進速度的影響，選擇雙錐型冠部剖面作為PDC鉆頭的基本剖面形狀。研究分析表明，直線—橢圓方程可以較好地擬合這些剖面形狀。這樣，就可以建立一個PDC鉆頭冠部剖面形狀的通用設計模型。

1.2 鉆頭布齒設計

布齒設計是PDC鉆頭設計的核心內容，對PDC鉆頭的鉆進效率、穩定性和工作壽命都有著十分重要的影響。布齒設計包括切削齒尺寸選擇、切削齒數量及布置方式設計、切削齒工作角設計等內容。

PDC切削齒尺寸與地層可鉆性的經驗系數中得知，在中硬地層可鉆系數為5

1.3 鉆頭力平衡設計

實驗室研究和現場經驗表明，沖擊載荷引起的切削齒的碎裂是導致PDC鉆頭過早失效的主要原因。

雙心鉆頭由于其特殊的外形設計，與常規全面鉆進鉆頭有不同的力平衡關系，其不平衡度往往比較大，通過預擴眼段等技術方案的改進與實施，其刀翼與其擴出的井眼在周向上接觸范圍大于180°，限制了其向對稱面的移動，同時，由于預擴眼部分的存在，也減少了主擴眼段的破巖任務，保證了鉆頭的穩定性。鉆頭將不平衡力控制在1%以下，與常規PDC鉆頭基本相同，保證了鉆頭的使用壽命及井眼質量。

1.4 鉆頭水力設計

1.4.1 水嘴配置

安裝數量不等、孔徑大小不一的水嘴，避免鉆頭冠部泥漿低流速區域和滯留區域，以滿足鉆頭自我清洗、冷卻和巖屑返排的需求。水眼的數量按本文設計實例，5 7/8"鉆頭冠部設置4只14號水嘴，擴眼刀翼部分設置3只12號刀翼共計7只水眼。水嘴的當量直徑為2.19cm，過流面積600mm2，射流速度21.62m/s。方位角和噴射角度 冠部4只水眼方位角間隔45°均分360°，噴射角度定義為水眼軸線與鉆頭中心軸線成15°～22°。擴眼部分水眼的方位角受擴眼刀翼限制，在擴眼刀翼間，噴射角度定義為水眼軸線與鉆頭中心軸線成25°～30°。

1.4.2 排屑槽設計

排屑槽的設計應考慮降低泥漿從噴嘴射流反射到鉆頭體能量，最大限度地增加鉆頭過流面積，降低對鉆頭體的沖蝕，確保巖屑運排過程中的流暢無阻。因此排屑槽應滿足如下要求：

在考慮現有鉆頭的基礎上，排屑槽剖面形狀曲線擬合為G3連續；排屑槽寬度和深度應在保證刀翼強度下，最大限度的增加尺寸。（表1）

2 現場應用

鑒于目前國內鉆后擴眼工具的技術水平只能擴到30°的技術現狀，結合已鉆井擴眼使用情況，決定在*8C井使用隨鉆定向擴眼鉆頭，選擇使用本文涉及的149mm×165mm×118mm BTF336型鉆頭。下文為周邊實鉆技術指標對比表。由表2看出，改進后的 PDC鉆頭使用效果明顯提高，平均單只進尺為171m，平均機械鉆速為1.62m/h，最高單只進尺244m，最高機械鉆速1.78 m/h。

3 存在的問題及改進方向

3.1 鉆頭材料的選擇

通過現場試驗，本課題研制的側鉆開窗隨鉆擴眼PDC鉆頭在造斜段、穩斜段與國產同行業產品相比，在機械鉆速和進尺方面都有較大進步，與進口PDC鉆頭相比，在機械鉆速方面相當，但進尺略低。主要原因是鉆頭在研制過程中嚴格按照本文設計思路實施，實踐中對地層的攻擊性和適應性也能夠得到此類設計適于施工的印證，但國產的PDC復合片切屑齒材料在磨耗比和抗沖擊性等指標上較國外行業還是有些差距。因此在選配切屑齒時應以注重磨耗比和抗沖擊性綜合指標材料的選取。

3.2 穩定性的優化

偏心鉆頭較常規PDC鉆頭在穩定性上有一定的差距，因此在設計上優先判斷鉆頭的穩定性問題。鉆頭的攻擊性為第二考慮重點。通常在設計過程中，穩定性和攻擊性互為矛盾，這就要求設計者要考慮將本文所提的設計流程按步驟逐步優化，直至將不平衡度降為最低。

4 結論

①該鉆頭設計理念先進，結構設計合理。

②造斜鉆頭側向切削能力強、造斜率高，能滿足短半徑側鉆定向井的要求。

③平均單只鉆頭進尺高，機械鉆速快，壽命長，鉆進平穩。

④經過力平衡優化設計PDC鉆頭的進尺及機械鉆速有較大提高。

⑤雖該鉆頭較國產鉆頭優勢較明顯，但較國外同行業產品而言，還有部分差距，下一步的主要工作方向是材料的選取和使用。

參 考 文 獻

[1] 鄒德永，孟祥雨，等.基于模式識別的鉆頭選型新方法[J].石油鉆探技術，2016，44（2）：40-45.

[2] 祝效華，等.PDC鉆頭粘滑振動機理分析[J].石油礦場機械，2012，41（4）：13-16.

[3] 許朝輝，高德利.側鉆開窗PDC鉆頭的個性化設計[J].油氣田地面工程，2014，33（2）：5-6.

[4] 鄒德永，曹繼飛，等.硬地層PDC鉆頭切削齒尺寸及后傾角優化設計[J].石油鉆探技術，2011，39（6）：91-94.

[5] 鄒德永，蔡環.布齒參數對PDC鉆頭破巖效率影響的試驗[J].中國石油大學學報：自然科學版，2009，33（5）：76-79.