新型8-1/2″復合鉆頭的研制與應用

王春華，馬偉東，劉江濤

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

大慶油田深部地層泉二段至沙河子組層位巖石堅硬、研磨極值高，導致單只鉆頭進尺少、鉆頭壽命短、機械鉆速低的問題日益突出，為了解決深層地層可鉆性差、鉆井效率低等問題，通過分析巖石力學特性和地層特點，引進了國外復合鉆頭，該鉆頭在營城組平均進尺71.46m，鉆速2.04m/h，相對國產常規鉆頭有一定的提速效果，但價格昂貴，是國產鉆頭的7倍，且發生5次掉牙輪事故，安全性存在問題。因此，自主研發新型8-1/2″復合鉆頭。提高深井機械鉆速，縮短完井周期，降低鉆井成本，減少井下事故的發生。

1 復合鉆頭原理及結構設計

1.1 復合鉆頭原理

PDC鉆頭以刮削方式破碎巖石，但硬地層PDC齒吃入深度小，切削效率低，增大鉆壓又易使PDC齒損傷，硬地層中鉆速和壽命較低；牙輪鉆頭以沖擊壓碎方式破碎巖石，在巖石上形成齒坑，但在硬地層、硬塑性地層，巖石上形成齒坑小，影響切削效率。復合鉆頭包含牙輪和PDC刀翼，牙輪切削齒能形成不連續的齒坑，對巖石產生預破碎，再由PDC切削齒將不連續的齒坑刮削連通，使復合鉆頭具有較高機械鉆速。此外牙輪刀翼降低了PDC刀翼的切削載荷，限制了PDC切削齒吃入深度，提高了鉆頭使用壽命。

1.2 牙輪與刀翼組合結構優選

復合鉆頭牙輪布置分為向外布置、向內布置、心部布置3種方式（圖1～圖3）。

圖1 向外布置牙輪

圖2 向內布置牙輪

圖3 心部布置牙輪

心部布置方式適用于大尺寸鉆頭，向外布置方式PDC刀翼厚度較小，布齒困難，因此設計的復合鉆頭采用牙輪向內布置方式。

1.3 PDC部分設計

根據215.9mm鉆頭尺寸的空間,布置了2個主刀翼和2個副刀翼,設計了較大的刀翼厚度，提高布齒密度。

復合鉆頭同時包含牙輪和刀翼，適用于硬塑性、軟硬交錯等地層，根據大慶油田該巖性地層分析資料，設計了較強攻擊性的淺內錐角，短圓弧結構冠部曲線，使PDC復合片載荷分布更均勻，有助于提高鉆頭的機械鉆速；根據復合鉆頭工作特性，設計牙輪齒比PDC齒高出1.4mm（圖4）。PDC部分復合片后傾角為15°～30°，更有利于切削堅硬巖層。

圖4 牙輪及PDC布齒示意圖

1.4 牙輪部分設計

根據PDC部分實際尺寸，設計了平頭式牙輪（圖5），減少了占用空間，增加了泥漿循環空間，有利于鉆頭的清洗。在牙輪端面增加了滲碳工藝，有效地防止牙輪端面的磨損，提高鉆頭使用壽命。軸承部分采用滑動軸承，在軸承表面堆焊硬質合金，可承載高負荷大鉆壓。軸承鑲焊減磨合金后進行鍍銀，提高軸承的抗咬合能力。

設計了自補償式潤滑機構，能平衡牙輪工作時軸承腔內外的壓力差。軸承腔潤滑脂不足時，潤滑腔內儲存的潤滑脂在壓差作用下向軸承腔補充，使軸承處于良好的潤滑條件下工作。

圖5 牙輪結構示意圖

在軸承下部設計了密封系統，使用復合材料技術，將耐磨材料與彈性材料做成一體，耐磨材料做動密封減少磨耗，彈性材料做靜密封提供密封力，阻止鉆井液進入，防止潤滑脂流出，保證牙輪長時間在高速旋轉條件下正常工作。

1.5 連接機構設計

在復合鉆頭的PDC本體和牙輪巴掌接觸面處設計燕尾槽，配合安裝后在連接處四周進行焊接，將牙輪巴掌固定在PDC本體上（圖6～圖8）。在PDC本體連接處加大坡口，增加焊接強度，減小巴掌脫落風險，增加鉆頭安全性、可靠性。

圖6 PDC基體

圖7 牙輪巴掌

圖8 裝配圖

2 現場試驗情況

在大慶雙66井進行了復合鉆頭的現場試驗，地層營城組，巖性流紋巖、凝灰巖，施工井段1279.32～1382.22m，單趟鉆進尺102.9m，純鉆時間33.07h，平均機械鉆速3.11m/h，累計工作時間40.1h。由于取芯起鉆，起鉆前每米鉆時5～8min，鉆頭出井后輕微磨損。

雙深1井營城組共使用10只HJT637/737牙輪，平均單只牙輪進尺為40.3m，平均鉆速1.05m/h，復合鉆頭與之相比，進尺提高153%，鉆速提高196%。

國外貝克復合鉆頭，平均單只鉆頭進尺71.46m，平均鉆速2.04m/h，與之相比復合鉆頭進尺提高44%，鉆速提高52.5%，成本降低50%以上。

3 結論

（1）研發出4PDC刀翼和2牙輪組合方式的復合鉆頭，具備牙輪齒預破碎巖石，PDC刀翼高效切削的破巖特點。

（2）復合鉆頭在雙66井現場試驗效果良好，在營城組機械鉆速3.11m/h，提速效果明顯。

（3）下步調研國外先進PDC復合片技術，采用性能更佳的PDC復合片制造復合鉆頭，進一步提高復合鉆頭在大慶深部地層應用效果。