復雜地層定向井聚晶金剛石復合片鉆頭設計

王曉彥，樊思成，田東彬，周學超

（中石油渤海石油裝備中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著海內外超深井、頁巖氣井等大幅發(fā)展，定向井在其中的應用也愈加廣泛。伊拉克艾哈代布區(qū)塊，厄瓜多爾帕魯瓦庫區(qū)塊，塔里木油田哈拉哈唐地區(qū)這些油氣礦區(qū)地層軟硬懸殊，砂泥巖、頁巖交互劇烈，硬夾層多，這種復雜地層在使用常規(guī)PDC（Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金剛石復合片鉆頭）鉆頭定向鉆進時頻繁出現(xiàn)鉆頭縮徑，工具面飄忽，扭矩變化大，托壓嚴重，增斜效果不佳，井壁不規(guī)則等工況，導致鉆進效率低，井斜軌跡控制困難，難以滿足鉆井要求。

面對這些問題，根據PDC鉆頭的破巖機理，分析定向過程中的核心因素，考慮鉆頭心部尺寸，錐部弧面和整體結構的決定性作用。基于軟件模擬和電腦輔助設計系統(tǒng)，提出一種增斜效果明顯，工具面穩(wěn)定，有效緩解托壓，扭矩穩(wěn)定，大幅降低鉆頭在井底渦動及復雜運動的新型PDC鉆頭.通過現(xiàn)場實驗，獲得良好效果。

1 新型PDC鉆頭設計

地層軟硬懸殊，交互劇烈，硬夾層多，在這種復雜地層實現(xiàn)快速定向造斜不穩(wěn)定，則無法保持穩(wěn)定的增斜效果，導致設計軌跡要求不達標（脫靶），定向施工失敗。所以在該類井段實現(xiàn)快速定向的關鍵因素是工具面的穩(wěn)定性。

1.1 工具面穩(wěn)定性

（1）內錐輪廓的設定。在PDC鉆頭定向施工中，隨著鉆頭內錐角的減小，鉆頭的穩(wěn)定性愈高，穩(wěn)斜能力加強，但其可控性和攻擊性都顯著下降。反之，鉆頭的攻擊性、可控性提高，但穩(wěn)定性降低。在此類地層施工中，PDC鉆頭選用如圖1所示的淺錐結構。

（2）錐部弧面的設定。定向施工中由于地層軟硬交互劇烈，PDC切削齒吃入地層不均，錐部部弧長過段會致使鉆頭與地層產生較幅度的不均反扭（某一刀翼過深切入地層），形成動載，而其他刀翼吃入交淺而發(fā)生打滑，使工具面不穩(wěn)。故在復雜地層中PDC鉆頭采用較大的錐部圓弧如圖2所示，可增大布齒數(shù)量，錐部與地層接觸面積增多，規(guī)避工具面不問的同時，亦可避免切削齒受沖擊過大而過早受損的不良現(xiàn)象。

圖1 淺錐輪廓

1.2 扭矩控制

PDC鉆頭中心部位的切削齒承受的軸向力最大，可造成較大的扭矩波動，在復雜地層施工中，切削齒吃入深度不斷發(fā)生變化，扭矩波動增大并進一步改變鉆頭動態(tài)響應，使得鉆頭容易發(fā)生破壞性的振動，且降低切削效率。針對這一特性，研發(fā)團隊采用刀翼聯(lián)合，降低心部載荷面積等手段。有效控制扭矩波動，緩解鉆頭無序渦動，提高了鉆頭在軟地層的機速的同時在硬地層鉆進中亦能保持高穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 錐部弧面

1.3 緩解托壓

新型鉆頭對托壓問題采用2個辦法解決：①選用短保徑并有一定的螺旋角，保證保徑部不影響切削齒切入地層，而多角度更多的接觸地層減少對鉆頭的摩擦及沖擊，提高鉆頭動態(tài)穩(wěn)定。②更寬的排屑槽，并有一定的引導指向，解決巖屑上返不及時，造成鉆頭反復破碎導致的托壓現(xiàn)象。

1.4 布齒排列

選用小型切削齒和較小的吃入角20°，以防止切入地層過深，緩解鉆頭承受的沖擊力。同時布齒排列采用由低到高的方式保持鉆頭的攻擊性，實現(xiàn)快速鉆進。

1.5 獨特的后排齒設定

在內錐復合片后加裝深度控制墊提高鉆頭的造斜能力，外錐部加裝后排齒，可有效釋放作用在鉆頭上的鉆井能量于對巖石的切削中，降低鉆進中的反扭波動，提高鉆頭的動態(tài)穩(wěn)定。

2 新型PDC鉆頭實驗和分析

根據上述設計理念，設計的新型鉆頭在伊拉克艾哈代布區(qū)塊使用。

（1）新型PDC鉆頭鉆進技術指標統(tǒng)計（表1）。

（2）鄰井同井段以往PDC鉆頭鉆進數(shù)據（表2）。

表1 新型PDC鉆頭鉆進技術指標

表2 鄰井同井段以往PDC鉆頭鉆進數(shù)據

新型PDC鉆頭應用取得了良好效果，定向施工中工具面穩(wěn)定、反扭波動小、增斜效果佳、有效緩解托壓、無縮徑現(xiàn)象。機械鉆速比其他同類廠家均提高20%以上，縮短了鉆井液浸泡地層的時間，創(chuàng)造了良好的經濟效益和社會效益，為復雜地層優(yōu)、快定向鉆進提供了重要技術保障。

3 認識與結論

（1）綜合分析PDC鉆頭心部受力特征，錐面弧長，保徑部螺旋布齒排列及吃入角等核心因素對鉆頭工作的響應，設計了新型定向鉆頭。現(xiàn)場實驗表明，較常規(guī)鉆頭各方面性能都有顯著提高。解決了以往鉆頭工具面飄忽、扭矩變化大、托壓嚴重、增斜效果不佳、井壁不規(guī)則等問題。

圖3 出井后鉆頭照片

（2）隨著定向技術的發(fā)展，PDC鉆頭的技術革新將不斷拓展其應用廣度，優(yōu)快鉆進和鉆頭壽命的延長使鉆井成本不斷降低，形成理想的循環(huán)。針對復雜地層的不同特性和工況，可調整復合鉆進中的鉆具組合，使之發(fā)揮更優(yōu)的性能。