硅質白云巖PDC鉆頭齒型優選實驗研究

鄒德永，任尊亮，陳雅輝，潘 龍,崔煜東

1中國石油大學(華東)石油工程學院 2中國石化重慶頁巖氣有限公司 3中國石化勝利油田分公司勝利采油廠

0 引言

近年來，針對鉆遇硅質白云巖地層鉆頭使用效果較差的問題，國內外學者在鉆頭類型設計、結構設計、水力設計等方面做出了較多貢獻，在一定程度上提高了有針對性白云巖地層鉆進的鉆頭性能，但對應硅質白云巖地層的鉆頭齒型的研究較少，在一定程度上限制了鉆頭的破巖效率，無法發揮出PDC鉆頭的優勢。塔里木油田在該地層已用鉆頭的平均機械鉆速為1.06 m/h，平均單只鉆頭進尺為105 m，鉆頭的破巖效率以及使用壽命較低。其中，常規PDC鉆頭的使用效果優于牙輪鉆頭，但其平均機械鉆速也僅有1.57 m/h，平均單只鉆頭進尺僅138 m，難以實現機械鉆速達到3～4 m/h、鉆頭單只進尺300～400 m的大規模鉆井提速的目標。長慶油田G井使用渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭[1-6]在寒武系灰巖、白云巖地層的平均機械鉆速為1.54 m/h，單只鉆頭平均進尺185 m，相比于同井段其他鉆頭，平均機械鉆速提高了200%，進尺提高了643%，但仍未達到提速目標。2016年,貝克休斯公司設計了一種切削深度自適應鉆頭[7-12]，在Oklahoma油田進行了現場實驗，所鉆地層為Arbuckle白云巖地層，單軸抗壓強度140～200 MPa，鉆進井段600～900 m。從使用效果來看,該鉆頭發生粘滑振動以及渦動的機率較同井以及鄰井鉆頭低，而且其機械鉆速明顯優于其他鉆頭[13]。但是這種鉆頭依舊存在吃入深度淺、切削齒磨損速度快的問題。針對缺少高效破碎硅質白云巖地層的PDC鉆頭齒型的研究，本文通過室內單齒破巖實驗進行對比分析研究，優化PDC鉆頭切削齒選型。研究結果對適用于硅質白云巖地層PDC鉆頭切削齒的選型和鉆頭優化提供了重要依據。

1 硅質白云巖地層可鉆性研究

硅質白云巖是一種沉積碳酸鹽巖，外觀呈灰白色，主要由白云石組成，常混入石英、長石、方解石和黏土礦物等，非均質性極強，在我國塔里木盆地寒武系鹽下油氣藏地層中有分布。寒武—奧陶系的硅質白云巖抗壓強度高達100～250 MPa，可鉆性差、研磨性強。巖石內部隨機分布的燧石結核抗壓強度高達294 MPa，進一步降低了地層的可鉆性。

1.1 硅質白云巖可鉆性測定

由于硅質白云巖的可鉆性差，塔里木盆地寒武系鹽下油氣藏2年來只完成4口探井，平均井深7 216 m，鉆井周期長達393 d。針對硅質白云巖作可鉆性分析對鉆頭齒形優選十分必要。

巖石可鉆性測定儀用于測定巖心的可鉆性級值。本次實驗用的可鉆性測定儀的鉆深指示0.1～2.4 mm，轉速55 r/min，鉆壓90.5 kg，鉆頭直徑31.75 mm。

可鉆性實驗結果見表1。

表1 可鉆性實驗結果

通過計算時間的平均值是111 s，依據式(1)計算可鉆性級值。

Kd=log2t

(1)

式中：Kd—可鉆性級值；t—鉆進時間,s。

實驗用硅質白云巖的可鉆性級值為6.8。

1.2 硅質白云巖PDC鉆頭鉆井效果分析

塔里木油田A井在使用了U613M鉆頭+TorkBuster扭力沖擊器情況下鉆進，井段6 681～6 800 m，地層包含硅質灰巖、云質灰巖、硅質白云巖和灰質云巖，平均機械鉆速為3.59 m/h，平均單只鉆頭進尺91 m，較同井段其他鉆頭機械鉆速提高了113%，進尺提高了250%。但在硅質白云巖這種強研磨性地層鉆進時，出現了切削齒磨損嚴重的情況。圖1為本井段鉆進的U613M鉆頭出井后的圖片，從圖中可以看出該鉆頭的內錐以及肩部切削齒磨損嚴重，是造成鉆頭進尺少的主要原因。

圖1 U613M鉆頭磨損情況

現場使用DSFX616D鉆頭配合旋沖工具鉆進時，機械鉆速僅有0.85 m/h，鉆頭進尺僅4 m。選用的鉆頭抗沖擊性以及耐磨性均較差，存在PDC鉆頭提前崩齒、斷齒以及復合片脫落、肩部磨損嚴重情況,如圖2所示。

圖2 DSFX616D鉆頭使用情況

目前鉆進硅質白云巖地層所使用的PDC鉆頭主要存在以下三個問題：①鉆頭的攻擊性差；②鉆頭的沖擊損壞嚴重；③切削齒磨損速度快。

2 切削齒單齒破巖試驗

2.1 試驗裝置

單齒破巖試驗裝置由ZX-32型鉆銑床改裝而成，主要包括試驗鉆頭、加壓系統、旋轉系統、工作臺水平驅動系統以及數據采集系統，見圖3。

圖3 實驗裝置

鉆頭由鉆頭剛體、切削齒、壓板和螺栓組成。

在鉆頭剛體的設計中,安裝切削齒的孔成中心對稱,這樣可以使得鉆頭在破巖過程中兩個切削齒的工作狀態是相同的,保證了實驗結果的準確性；此外,還要保證切削齒安裝于鉆頭剛體上時有足夠的出露高度,以保證實驗過程中始終是切削齒破巖,設計的切削齒的最低出露高度為5 mm。在該鉆頭中,切削齒的后傾角設置為15°。

2.2 試驗原理及方法

單齒破巖試驗采用鉆銑法，將表面平整的巖樣置于巖心盒內，調節主軸在軸向上的位置使試驗鉆頭上的切削齒剛好與巖石接觸，固定鉆頭在軸向上的位置。給巖樣施加一恒定的鉆壓，驅動主軸帶動鉆頭旋轉鉆進，同時驅動水平工作臺帶動巖樣以4 mm/s的速度做直線運動，使鉆頭上的切削齒不斷地銑削巖石。試驗過程中，扭矩傳感器和位移傳感器實時測量鉆頭的扭矩以及切削齒吃入巖樣的深度。3種切削齒的參數如表2。

表2 3種PDC齒的結構參數

實驗方案：將斧形齒、三棱齒、常規PDC齒裝入實驗鉆頭中,通過加壓裝置對鉆頭分別施加1 000 N、1 500 N、2 000 N鉆壓。同時保持巖樣移動速度為4 mm/s，鉆頭轉速為96 r/min。測定切削齒的吃入深度、切向力以及切向力標準差。

2.3 實驗結果

本實驗以切削齒受到的切向力及其標準差、切削齒吃入巖石的深度(簡稱鉆深)來評價切削齒的破巖性能。通過觀察發現，在實驗開始后20～40 s的時間段內儀器的工作狀態最穩定。因此，為保證試驗結果的準確性，選擇20～40 s這一時間段內獲取的數據進行處理。斧形齒、三棱齒以及常規齒受到的切向力的平均值及其標準差、鉆進深度的結果如表3所示。

表3 3種PDC齒單齒破巖試驗結果

2.4 不同切削齒鉆進深度的對比分析

將不同鉆壓下不同類型的切削齒在20～40 s的時間內鉆入巖石的深度進行繪圖分析，其規律如圖4所示。

圖4 不同切削齒鉆進巖石的深度

從圖4中可以看出，不同鉆壓下斧形齒在20～40 s的時間內吃入巖石的深度最大，三棱齒次之，常規齒吃入巖石的深度最小。

2.5 不同切削齒切向力對比分析

斧形齒、三棱齒及常規齒在切削巖石的過程中受的切向力隨時間的變化趨勢見圖5～圖7。

圖5 1 000 N鉆壓下3種切削齒受力情況

圖6 1 500 N鉆壓下3種切削齒受力情況

圖7 2 000 N鉆壓下3種切削齒受力情況

在相同鉆壓條件下，斧形齒受到的切向力最小，其次為三棱齒，常規齒受到的切向力最大。由切向力的標準差可知，常規PDC齒受到的切向力的標準差是斧形PDC齒的2.6倍，三棱齒受到的切向力的標準差是斧形齒的1.7倍。由切向力隨時間的變化趨勢可知，斧形齒在切削巖石的過程中受到的切向力波動范圍最小，三棱齒次和常規齒波動范圍較大，這也說明斧形齒破巖時在切向上受力最穩定，發生粘滑振動的機率更低。

3 斧形齒破巖規律研究

3.1 斧形齒破巖機理

斧形齒特殊的齒面結構使其破巖過程與常規齒相比有很大的區別。在切削巖石的過程中，斧形齒的斧刃最先與巖石接觸，巖石開始發生破壞；隨著切削過程的進行，斧刃兩側的斧刃面逐漸地楔入巖石，兩側的巖石被破壞。斧形齒“棱”的存在使得其前方巖石的內部形成了一個應力集中區，斧形齒能夠以更小的切向力侵入巖石。而且在斧刃侵入巖石的過程中會對巖石產生預破壞，使得巖石的強度降低,兩側的斧刃面在吃入巖石時受力更小。而常規齒切削巖石的過程中，齒刃處的巖石受力最大，最先發生破壞,之后齒前方的巖石在力的作用下才發生破壞。相比于斧形齒,常規齒破巖時，齒的整個齒面均與巖石接觸,接觸面積更大，則吃入巖石需要提供的切向力也更大。而且常規齒破巖時,齒刃處的巖石最先破壞，處于其切削區域的巖石的強度要大于斧形齒切削區域的巖石的強度，因此常規齒受切向力比斧形齒大。

依據前人的研究成果[14-17],常規齒破巖時,巖石主要在剪應力的作用下發生破壞；而斧形齒破巖時，其破巖方式為犁削破巖，拉應力在巖石的破壞過程中起主導作用。一般情況下，巖石的抗拉強度小于其抗剪強度，因此，斧形齒破巖時受到的切向力小于常規齒。

3.2 斧形齒結構優選

在切削巖石的過程中，斧形齒的后傾角、斧刃角以及直徑直接影響其破巖效率，研究其對斧形齒破巖的影響規律對于指導鉆頭優化設計有重要意義。利用有限元顯示動力學軟件ABAQUS建立了三維斧形齒切削巖石的有限元模型，研究了后傾角、斧刃角以及齒的直徑對斧形齒破巖效率的影響規律，對斧形齒的后傾角、斧刃角以及齒的直徑進行了優選。

3.2.1 幾何模型的建立、網格劃分與裝配

(1)斧形齒。斧形齒的幾何模型分為硬質合金和聚晶金剛石層。硬質合金為一圓柱體，其高度設置為8 mm，直徑有13 mm、16 mm和19 mm三種；聚晶金剛石層的厚度均為5 mm，其斧刃角有110°、120°、130°和140°四種，共12個斧形齒模型。

網格劃分：選擇C3D8R單元對斧形齒進行網格劃分。

(2)巖石。建立的巖石模型長為60 mm，寬為60 mm，高為25 mm。

網格劃分：采用8節點6面體線性縮減積分單元(C3D8R)對巖石進行網格劃分。巖石模型如圖8(a)所示。在模型裝配中，設置斧形齒的切削深度為2 mm，如圖8(b)所示。

圖8 巖石的網格模型和裝配模型

3.2.2 材料參數的設置

斧形齒：切削齒的材料參數分為兩部分。一部分是頂部的聚晶金剛石層，一部分為硬質合金，兩種材料的具體參數設置見表4。巖石選用硅質白云巖的參數作為數值模型中巖石的材料參數，巖石的破壞準則選擇Drucker-Prager準則，巖石的損傷判據為等效塑性位移μpl。斧形齒與巖石的材料參數如表4所示。

表4 斧形齒與巖石的材料參數

3.2.3 數值模擬方案

保持巖樣切削速度為1 000 mm/s，切削深度為2 mm。通過改變斧形PDC齒的后傾角5°、10°、15°、20°、25°，斧刃角110°、120°、130°，直徑13 mm、16 mm、19 mm，測定切削齒的切向力以及軸向力。

3.2.4 數值模擬結果

在數值模擬結果的分析中，選用切向力和軸向力2個參數評價斧形齒的破巖效率，以此研究不同的因素對斧形齒破巖效率的影響規律。斧形齒破巖數值模擬結果見表5。

表5 斧形齒破巖數值模擬結果

由表5可知,斧形齒受到的切向力隨后傾角的增大呈現先減小后增大的趨勢，在后傾角為15°時，斧形齒受到的切向力最小；斧形齒受到的軸向力隨后傾角的增大呈現先減小后增大的趨勢，在15°后傾角時斧形齒受到的軸向力最小。隨著斧刃角的增加，切削齒受到切向力與軸向力不斷增大。這表示隨著斧刃角的增大，斧形齒的攻擊性逐漸地降低，其破巖效率也不斷地下降。相同條件下，隨之切削齒直徑的增加，切向力和軸向力不斷增加。在進行鉆頭設計時，應選擇斧刃角110°、直徑13mm的斧形齒，布齒時其后傾角設置為15°。

4 結論

(1)硅質白云巖是一種非均質性極強的硬巖石，可鉆性級值可達6.8。

(2)在相同切削條件下,斧形齒切削巖石的過程中吃入巖石深度更大。斧形PDC齒切削巖石的過程中受到的切向力最小,其次為三棱齒,常規齒受到的切向力最大。在切向力的標準值上,常規PDC齒受到的力是斧形PDC齒的2.6倍,三棱齒受到的力是斧形齒的1.7倍。在切向力隨時間的變化趨勢上,斧形齒在切削巖石的過程中受到的切向力波動范圍最小,發生粘滑振動的概率更低。

(3)當斧形齒以15°后傾角切削巖石時受到的切向力、軸向力最小，斧刃角為110°的斧形齒的攻擊性最強、破巖效率最高。在相同切削深度、后傾角與斧刃角的條件下，直徑為13 mm的斧形齒受到的切向力與軸向力最小。在進行鉆頭設計時，應選擇斧刃角110°、直徑13 mm的斧形齒，布齒時其后傾角設置為15°。