頁巖油水平井高效PDC鉆頭設計及應用

武 強，齊昌利 ，郭俊磊，毛 竹 ，王 博

（1.渤海石油裝備中成機械制造公司，天津 300280；2.渤海鉆探第一鉆井工程公司，天津 300280）

0 引言

為進一步了解滄東凹陷孔二段的巖性變化，評價頁巖油開發潛力，大港油田在官東區塊部署開發了國內頁巖油首口水平預探井官東1701H。全井實鉆井深5465 m，孔二段水平段1456 m，最大井斜90.87°，水平位移2046 m。官東1701H，超長水平段，施工難度高，孔二段巖性為砂質泥巖，地層硬度高，研磨性強，單只鉆頭進尺少，機械鉆速低，制約了本區塊的勘探開發速度。因此，對滄東凹陷孔二段巖性利用專業地層分析軟件進行可鉆性分析，研發設計適合孔二段水平施工的高效一體式定向PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復合片）鉆頭。

1 地層可鉆性分析

利用《地層可鉆性分析》軟件，對鄰井的錄井數據進行分析，預測地層的抗壓強度、壓入硬度、可鉆性級值、內摩擦角、研磨性指數等表征地層抗鉆能力的特性參數，建立地層抗鉆特性剖面，為鉆頭設計和選型提供依據[1]。分析鄰井（3000～4200）m錄井數據，得到巖性特性剖面。滄東凹陷孔店組巖石的抗壓強度（31.3～135.9）MPa，平均值為 75 MPa，內摩擦角均值 33.9°，屬于中硬地層，可鉆性極值的平均值4.68，研磨性指數平均值4.4，塑性系數1.49。

2 高效PDC鉆頭設計

2.1 頭型設計

新型高效PDC鉆頭冠部頭型設計依據孔二段巖性特點和水平段鉆井特征來進行設計。孔二段砂巖研磨性高、可鉆性差，水平段鉆進需要提升鉆頭的肩部布齒密度，因此在等磨損設計原則的基礎上，采用新型冠部輪廓為淺內錐-雙圓弧的特征。

淺內錐-雙圓弧冠部頭型不僅提升了鉆頭心部齒的切削效率，而且可降低肩部切削齒的應力載荷集中，最大程度實現所有切削齒的均勻切削和磨損的原則，提升鉆頭的攻擊性和使用壽命。鉆頭采用冠部和接頭一體式結構，最大程度上縮小鉆頭整體長度。鉆頭保徑區域采用增強布齒、強化保徑的措施，從而有效提升鉆頭定向鉆進的保徑效果。

2.2 刀翼設計

刀翼結構影響鉆頭的力平衡和穩定性。官東1701H井存在超千米長水平段，從鉆頭壽命和定向穩定性等多方考慮，采用非對稱5刀翼，10°螺旋及短保徑結構，不僅可以有效降低指向井壁的切削力，使鉆頭工作更加穩定，而且短保徑低摩阻設計，降低了鉆頭渦動的概率，使鉆頭的穩定性及可控性進一步提升。

2.3 布齒設計

布齒設計包括齒形選擇、切削角度設計、布齒密度設計及布置類型設計等。布齒設計是PDC鉆頭設計的關鍵，直接影響鉆頭各方面的性能。根據孔二段砂泥巖研磨性高的特點，采用3長2短5刀翼結構，主切削齒為16 mm，前排切削齒為28顆，特別優化了切削齒的側傾角（2～10）°，后傾角（15～25）°，后排切削齒13.44 mm，每刀翼3顆，共計15顆，后排齒與前排齒高度差（1.5～2）mm。切削齒布置類型選用順時針設計，對比逆時針布置鉆頭的進攻性更強，切削效率更高。高效PDC鉆頭參數特征見表1。

表1 高效PDC鉆頭主要參數特征

2.4 力平衡優化

目前，PDC鉆頭產品的側向不平衡力一般控制在鉆壓的10%以內。本設計通過專用的PDC鉆頭切削力學模擬分析后，調整切削齒的周相位置和每顆齒的切削角度，每顆齒的切削功率見圖1，不平衡力優化結果見圖2。計算結果表明，鉆頭切削功率在內錐和鼻部過度圓滑，在最后4顆保徑位置（25～28號齒）切削功率為零，不參與切削；切削齒受力情況良好較為均勻，能有效避免因受力不均等造成的崩齒現象。

圖1 不同齒數PDC鉆頭切削功率

圖2 不平衡力的優化控制

2.5 水力設計

本型號鉆頭應用CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學）數值模擬軟件對靜態鉆頭的水力冷卻和清洗效果進行分析。井底最小漫流速度,0.25 m/s，最大漫流速度28.6 m/s。刀翼前部流速均為10 m/s以上，冷卻和清洗效果良好；刀翼背部慢流速度最低，由于此處巖屑量較少，對鉆頭整體水力效果影響不大。

3 現場試驗效果

3.1 鉆具組合與鉆井參數

（2）鉆進參數。鉆壓（80～120）kN；轉速130 r/min；排量（32～33）L/s；泵壓（23～26）MPa，泥漿密度（1.35～1.4）g/cm3，黏度（55～70）Pa·s。

3.2 應用效果分析

官東1701H共使用3只新型PDC鉆頭，累計完成進尺2385 m，單只鉆頭最高進尺1177 m，最高機械鉆速達9.9 m/h（表2）。較鄰井同層位對比數據，單只鉆頭平均進尺415.78 m，平均機械鉆速4.64 m/h（表3）。單只鉆頭進尺較平均進尺提升了91.2%，平均機械鉆速提升了97.2%，取得了良好效果。官東1701H井三開節省工期（5～10）d，節省鉆井費用100萬元人民幣。

表2 高效PDC鉆頭在官東1701H井應用統計

表3 高效PDC鉆頭與鄰井鉆頭使用對比

4 結論與建議

（1）地層可鉆性分析結果表明，滄東凹陷孔店組巖石抗壓強度大，硬度較高，研磨性強且可選性較差。通過地層可鉆性分析，并結合鄰井鈍鉆頭磨損特征，為官東1701H井個性化鉆頭的設計優化方案提供了有效的參考依據。

（2）針對滄東凹陷孔店組巖石力學特性，從鉆頭頭型、刀翼、布齒、力平衡、水力結構等方面進行了優化設計，研發了適用于定向水平段鉆進的高效個性化鉆頭英寸SD6554YZ。較鄰井同層位PDC鉆頭使用情況分析，鉆頭機械鉆速和使用壽命均顯著提升。

（3）針對匹配旋轉導向系統鉆進的PDC鉆頭，采用一體式短保徑定向鉆頭設計結構，在使用中鉆頭穩定，造斜率高，單只鉆頭完成了造斜，穩斜，增斜至水平段的施工，值得推廣。