PDC鉆頭在靖中北水平氣井與靖南氣探井中的應用與優化

孫亞平，宜建國

中國石油川慶鉆探長慶監督公司 （陜西 西安710018）

2017年在靖中北與靖南區塊分別鉆井2口，在已完鉆的4口井中，全程使用PDC鉆頭鉆進，水平井全井最高平均機速14.48 m/h，探井全井最高平均機速15.0 m/h。PDC鉆頭具有安全可靠、鉆速快等優點，使用中取得了良好效果。靖中北區塊地層相對較軟，對鉆頭的要求不高，起出鉆頭新度相對較好；靖南區塊地層復雜，下部地層較硬，鉆頭磨損相對嚴重。

靖中北地區表層扭矩不穩存在小幅憋跳現象，但由于地層相對較軟，除了在安定與直羅交界面的300～350 m鉆速變慢外，整個表層平均每個單根在10 min左右，整個表層純鉆在15～20 h就可完鉆，起出鉆頭新度較好。

靖南區域表層相對復雜，由于存在天然裂縫，在鉆進過程中井壁失穩崩塌后，大型掉塊以及大型裂縫產生不均勻間隙，在鉆進過程中刀翼受到阻卡，造成瞬時扭矩過大，很容易提早損壞PDC復合片，靖中北地區表層鉆頭在完鉆后幾乎無磨損，靖南地區表層鉆頭起出后磨損相當嚴重。建議鉆頭廠家在PDC布齒時充分考慮地層因素，針對南部地區復雜地層，增加布齒密度，減小復合片直徑，增加刀翼數目，盡量使用雙排布齒，增加刀翼的保徑長度，以增加鉆頭穩定性。上部地層較松軟，鉆時相對較快，靖南與靖中北略有差別，對鉆頭要求不高。

靖南區塊井深過2 000 m以后，鉆速變慢，下部地層中紙坊、劉家溝地層較硬，每根鉆進超過90 min，劉家溝地層鉆進平均在15～20 m/min，對鉆頭磨損也相當大，通過在劉家溝起出鉆頭來看，大多數鉆頭磨損程度較為嚴重或鉆頭5個刀翼的復合片有明顯斷齒現象。在劉家溝下部地層使用六刀翼或鉆頭復合片較短的鉆頭、增加復合片布齒密度、增加刀翼數量、保徑部分增強抗沖擊、增強鉆頭整體的穩定性。

1 鉆頭設計優化

鉆頭的布齒原則是等體積法，即鉆頭旋轉一定的角度，每個齒掃過相同的體積。在布齒的時候還要充分考慮地層的可鉆性，在北部相對松軟地層，增加鉆頭的攻擊性，提高機械鉆速。根據靖中北水平井的數據，單只鉆頭可鉆至二開造斜點，鉆頭磨損一般，磨損度達到50%～60%，在靖中北水平井鉆頭設計時可根據起出鉆頭的磨損情況，調整該區塊的鉆頭參數。正常情況下，鉆頭中心齒輕微磨損，頂部切削齒正常磨損，肩外部齒相對磨損嚴重。鉆頭的內部、頂部齒可考慮減小復合片的傾角，使其吃入地層的深度增加，提高機械鉆速，肩部齒可考慮增加傾角、增加復合片密度來減輕磨損程度。

由于鉆井二開一般為螺桿鉆具，鉆頭轉速，外部齒線速度較高，在旋轉的過程中速度相對較快。當轉盤轉速為60 r/min，螺桿轉速為100 r/min時，228.6 mm鉆頭的肩部齒線速度為[1]:

v=(60+100)×0.228/2=18.24(m/min)=0.30(m/s)

而鉆頭頂部齒（假定在半徑一半處）的線速度只有0.15 m/s，在同樣的時間內，復合片要掃過相同體積的情況下，肩部齒的密度就要是頂部齒的2倍。肩部齒同時還要承受鉆具擺大掉塊、裂縫性地層等帶來的沖擊荷載，布齒密度更應提高[2-5]。

不同的形狀的鉆頭冠部形狀，也就是鉆頭刀翼形狀，在鉆進過程中形成的井底造型有很大區別。目前靖南區塊井隊普遍使用PDC鉆頭，使用的鉆頭采用拋物線形狀，鉆頭選擇不同形狀的刀翼，切削齒相對高差和切削齒軸線與鉆頭軸線間的夾角不同，這會影響各切削齒接觸底層的切削體積，導致各復合片在鉆進過程中破壞地層巖屑能力的強弱不同；另外，不同鉆頭刀翼形狀使鉆頭復合片在吃入地層時受力大小不同。合理的鉆頭刀翼形狀可以增加鉆頭的穩定性，利于井底巖屑清洗及降低鉆頭復合片的磨損。勝輝鉆頭與金銳鉆頭井底造型切削設計是保證每個鉆頭復合片的破巖體積相同。設鉆頭半徑為R，切削齒半徑為r，鉆頭平均每轉吃入地層深度設為d，切削齒數量設為N，鉆頭每轉破巖屑體積為：V=πR2d。

按照鉆頭的等切削原則，各鉆頭復合片每轉破巖屑體積為為：Vl=πR2d/N。

設第i個復合片距離鉆頭中心距離為Xi,切削面積為Si，則有：Vi=2πXiSi，其中Si=R2d/(2NXi)。

鉆頭外徑一定、布齒數量不變、每轉進尺不變的情況下，切削面積與齒距離鉆頭中心的距離成反比，即距離鉆頭中心越遠的復合片分配的每轉的切削面積應當越小，布齒數量應當與鉆頭中心距離成正比。

PDC鉆頭的復合齒最重要的兩個結構是齒前角和自轉角，與其他切削復合齒一樣，PDC鉆頭切削復合片結構角對切削復合片的切削效率和工作性能有十分重要影響，齒前角決定切削復合片作用于地層力的方向。合理的齒前角，合理的齒前角能提高切削效率的最大化，能保護切削復合片，延長鉆頭使用時間和壽命，有助于提高鉆進速度。

合理的側轉角有利于鉆頭清洗和巖屑的運移軌跡，減少鉆頭泥包發生。PDC鉆對切削結構由諸多個分布在鉆頭表面不同部位的切削復合片構成，每個切削復合片的空間方位與工作部位都不相同，所以各切削復合片的齒前角和側轉角也不同。由于要保持切削復合片的良好工作性能，須控制切削復合片磨損最小對切削復合片齒前角和側轉角的優化，確定各齒結構角大小。如圖1、圖2所示。

圖1 切削齒的周向布置與旋轉螺線

圖2 鉆頭切削齒的徑向布置

切削復合片的徑向布置是在鉆頭半徑內平面沿冠部外輪廓，也就是鉆頭刀冀頂端布置切削齒，確定中心復合齒，保徑齒和其他各齒的位置，切削齒在一個周向內能完全覆蓋井底。在設計改進中應重點改進強化嚴重磨損處的設計。

2 結論與建議

PDC鉆頭近些年來在氣井中取得了良好的應用效果，鉆頭布齒方案不斷優化，通過對比與討論PDC鉆頭在靖邊氣田中的應用，提出布齒方案的優化方向，在鉆頭布齒的周向布置與徑向布置等方面提出優化思路，希望對鉆頭設計提供參考。