珠江口盆地番禺地區PDC鉆頭個性化設計

陳來軍，賀　培，吳鳳宇，杜建華

（1.中石油西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026；2.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室<重慶地質礦產研究院>，重慶400042；3.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心<重慶地質礦產研究院>，重慶400042；4.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室西南石油大學，四川成都610500)

珠江口盆地番禺地區PDC鉆頭個性化設計

陳來軍*1，賀培2,3,4，吳鳳宇1，杜建華1

（1.中石油西部鉆探國際鉆井公司，新疆烏魯木齊830026；2.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室<重慶地質礦產研究院>，重慶400042；3.重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心<重慶地質礦產研究院>，重慶400042；4.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室西南石油大學，四川成都610500)

番禺地區是珠江口盆地油氣勘探開發重點區域。在分析番禺地區地層特征的基礎上，結合現場實際情況，研究發現影響番禺地區PDC鉆頭機械鉆速的主要因素是鉆頭穩定性、井斜角、泥質含量、鉆頭磨損、巖石膠結物和膠結類型。針對存在的問題，設計了一款12-1/4″PDC鉆頭，采用6刀翼、雙排齒結構，刀翼周向位置角0°、59.2°、120.8°、179.2°、239.7°、301.3°。9噴嘴結構，中心噴嘴直徑12.70mm、噴射角18°。外圍噴嘴直徑9.53mm、噴射角30°。模擬研究表明不會出現應力集中失效，強度滿足安全性。井底流場滿足排屑、輔助破巖需要。

番禺地區；PDC鉆頭設計；PDC鉆頭穩定性；刀翼；噴嘴

1　番禺地區地層特征

番禺地區是一個三級構造單元地區，南部是白云凹陷，北部是恩平凹陷，東部鄰近東沙隆起，西部和神狐暗沙隆起相鄰。構造上是下斷上坳、向北掀斜的低隆起。番禺地區地層主要是珠江組、韓江組、粵海組和萬山組。珠江組是該地區的主要地層，沉積相、巖性復雜多變；下部發育三角洲—濱岸—潮坪相砂泥巖互層；中下部東沙隆起及其北坡發現有多期生物礁和碳酸鹽巖臺地，部分區域碳酸鹽巖中見砂巖夾層；中上部地段是大段泥巖夾砂巖[1]。番禺地區地質分層和巖性見表1。

表1　番禺地區地質分層和巖性表

通過對番禺地區某1、2平臺巖石可鉆性剖面分析知，某2平臺地層可鉆性級值略小于某1平臺地層可鉆性級值，某1平臺地層巖石可鉆性級值變化較大。上新世—萬山組地層巖石可鉆性級值為1～2.5，中新世—粵海組地層巖石可鉆性級值為1.5～3，中新世—韓江組地層巖石可鉆性級值為2～3.5，中新世—珠江組的地層巖石可鉆性級值為3～5。該地區地層主要以軟—中軟為主，其中有少數夾層巖石可鉆性級值達到6～7。

番禺地區使用PDC鉆頭穿越萬山組、粵海組、韓江組、珠江組地層，其中萬山組與珠江組中只鉆進部分地層。即設計12-1/4″PDC鉆頭時，主要考慮粵海組、韓江組地層中的使用情況。

2　番禺地區PDC鉆頭使用存在問題分析

結合番禺地區實際情況，發現該地區使用PDC鉆頭的機械鉆速不明顯優于使用牙輪鉆頭的機械鉆速，使用PDC鉆頭主要存在如下問題：

（1）鉆頭穩定性影響。該地區地層含有一定的礫石，現場的實時機械鉆速記錄表明，當PDC鉆頭進入含礫石段時，機械鉆速會降低，同時引起鉆頭回旋振動，加速損壞PDC鉆頭。

（2）井斜角影響。番禺地區井型主要采用定向井、水平井，12-1/4″PDC鉆頭所鉆井段為開始造斜段到水平段。井斜角會影響PDC鉆頭齒入地層角度，PDC鉆頭切削齒齒入的角度正好為地層巖石最弱面時，有利于PDC鉆頭鉆進。PDC鉆頭一部分切削齒齒入地層巖石脆弱面，一部分切削齒齒入巖石高強度面時，會引起PDC鉆頭回旋振動，不利于鉆頭穩定性。

（3）泥質含量影響。從粘土礦物實驗可以看出，整個地層段粘土含量5.7%～39.2%，證實泥巖是影響機械鉆速的重要原因。現場實時機械鉆速記錄表明，粘土相對含量增加時，機械鉆速明顯降低。砂巖相對含量增加時，機械鉆速會相應增加。現場取出的部分鉆頭還出現了泥包現象。

（4）鉆頭磨損的影響。現場使用后的PDC鉆頭，切削結構的內排齒與外排齒磨損等級主要為1～3，只有少部分PDC鉆頭的內、外排齒磨損嚴重。磨損特征主要為切削齒磨損，少部分出現切削齒斷、切削齒碎裂等嚴重磨損情況。磨損位置一般為鼻部、肩部或全部磨損。直徑磨損一般不嚴重，常為磨損1mm或者直徑無磨損。礦物百分比中石英含量達到52.1%～79.8%，高石英含量是造成PDC常規磨損的主要原因。

（5）巖石膠結物和膠結類型的影響。番禺地區膠結物不同的井之間有一定的差別，主要是泥質、方解石、白云石、粘土礦物等。膠結物類型主要是接觸膠結與孔隙膠結，個別層段存在基底膠結。番禺某1、某2平臺，在同樣的巖性、鉆井參數、PDC鉆頭等條件下，出現機械鉆速相差很大，這與巖石的膠結物類型密切相關。出現基底膠結巖石時，機械鉆速會顯著降低。

3　PDC鉆頭切削結構設計

3.1刀翼布置設計

現場12-1/4″PDC鉆頭使用知，下入5刀翼PDC鉆頭，在部分井中存在跳鉆現象，穩定性不好。下入6刀翼PDC鉆頭基本不存在跳鉆現象，穩定性良好。所以采用6刀翼結構（3主刀翼+3輔助刀翼）。刀翼布置設計具有以下特征：①采用弧線型6刀翼，冠部為中拋物線型，中等切削后角，增強導向性。②采用力平衡設計和低摩阻保徑有效防止鉆頭回旋，提高鉆頭防泥包能力。③刀翼形狀采用螺旋型刀翼結構，降低減少鉆頭的回旋振動機率和提高排屑效率。結合PDC鉆頭力平衡原則，刀翼周向位置角采用0°、59.2°、120.8°、179.2°、239.7°、301.3°[2-4]。

3.2PDC鉆頭穩定性布齒設計

主刀翼采用雙排齒結構（主切削齒+輔助切削齒），主切削齒尺寸為16mm，輔助切削齒尺寸為13mm，具體鉆頭設計參數見表2。PDC鉆頭布齒設計具有以下特點：①采用超優質的16mm“T”齒，顯著提高鉆頭的抗沖擊性和抗研磨性。②采用高性能的胎體材料，提高鉆頭抗沖蝕性能，保證鉆頭使用壽命。③采用后排齒設計，增加鉆頭的布齒密度，提高鉆頭的使用壽命。④采用防碰節設計，增加鉆頭的穩定性，抗沖擊性。⑤采用強化保徑設計，保徑處布置高性能的保徑齒、PDC平躺齒、金剛石聚晶。⑥采用倒劃眼設計，增強鉆頭處理井下復雜事故的能力。⑦采用力平衡設計，降低鉆頭徑向、軸向及扭轉振動，提高PDC齒切削效率和機械鉆速。

表2　個性化PDC鉆頭設計參數

根據鉆壓計算單齒切削載荷，并將單齒載荷加載到相應的齒上，通過模擬分析計算，校核PDC鉆頭強度，確保在相應的扭矩和鉆壓下工作的安全性。校核該個性化PDC鉆頭在鉆壓12t、扭矩15000N·m，鉆壓15t、扭矩20000N·m下的有效應力、鉆頭受力變形情況，以判斷該PDC鉆頭的適應性。

通過有效應力校核模擬分析知，在鉆壓12t、扭矩15000N·m下，最大有效應力為85.3MPa，最大有效應變0.0362mm。在鉆壓15t、扭矩20000N·m下，最大有效應力113MPa，最大有效應變0.0483mm。最大有效應力出現在切削刀翼根部，最大有效應變出現在切削齒上。滿足PDC鉆頭切削要求，PDC鉆頭不會出現應力破壞。

4　PDC鉆頭水力結構設計

4.1噴嘴布置設計

設計的PDC鉆頭為6刀翼結構（3主刀翼+3輔助刀翼），選擇9噴嘴結構（中心3噴嘴+外圍6噴嘴）。中心噴嘴直徑為12.70mm（16），外圍噴嘴9.53mm（12）。噴嘴位置布置在靠近切削刃工作面上，中心3個噴嘴位于主刀翼切削齒切削面內側。外圍6個噴嘴射流角度為30°，中心噴嘴射流角度為18°[5]。

4.2個性化PDC鉆頭流場模擬

對個性化PDC鉆頭進行流場模擬，得出該PDC鉆頭井底流場、流道內流體速度矢量圖。發現該PDC鉆頭采用3中心噴嘴12.70mm（16）+6外圍噴嘴9.53mm（12）結構流體流場分布合理。從個性化PDC鉆頭流場模擬實驗知，中心噴嘴噴出的流體流速大，沒出現渦流情況，能滿足清洗主刀翼切削巖屑的需要；該PDC鉆頭流道內流速高，能把巖屑快速排出流道。所以在水力上優化能有效提高鉆頭的壽命和機械鉆速，有效降低出現泥包的風險[6-7]。

5　結論

（1）12-1/4″PDC鉆頭主要鉆進粵海組、韓江組地層，為軟—中軟地層。影響PDC鉆頭使用效果的主要因素是鉆頭穩定性、井斜角、泥質含量、鉆頭磨損、巖石膠結物和膠結類型。

（2）個性化12-1/4″PDC鉆頭采用3主刀翼+3輔助刀翼、雙排齒結構，刀翼周向位置角0°、59.2°、120.8°、 179.2°、239.7°、301.3°。在鉆井鉆壓和扭矩下，不會出現應力集中失效，滿足強度要求。

（3）個性化12-1/4″PDC鉆頭采用3中心噴嘴+6外圍噴嘴，中心噴嘴直徑為12.70mm，外圍噴嘴9.53mm；中心噴嘴噴射角為18°，外圍噴嘴噴射角為30°。數值模擬表明該PDC鉆頭井底流場滿足排屑、輔助破巖要求。

[1] 尹俊，張尚鋒，等.珠江口盆地番禺地區珠江組層序地層特征[J].鉆采工藝，2011，18（3）：56-57.

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TE2

A

1004-5716(2016)11-0096-03

2015-12-08

2016-01-18

陳來軍（1986-），男（漢族），山東菏澤人，工程師，現從事鉆井工程技術、鉆井施工工藝等方面的研究和管理工作。