頁巖氣水平井高效破巖PDC 鉆頭個性化設(shè)計

樊思成，黃繼慶，張 斌

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

自2004 年美國“頁巖氣革命”實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)以來，國內(nèi)開發(fā)利用頁巖氣蓄勢待發(fā)，開發(fā)前景樂觀。四川境內(nèi)頁巖氣資源豐富，估算資源量達27.5 萬億立方米，可采資源量達4.42 萬億立方米，資源量和可采資源量均居全國第一[1]。四川海相頁巖已優(yōu)選出兩套優(yōu)質(zhì)頁巖氣含氣層系，分別為志留系龍馬溪組頁巖和寒武系筇竹寺組頁巖，但開發(fā)難度大、效率低，所鉆水平井水平段一般需要3 趟鉆以上才能完成。通過采用進口鉆頭配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具提速，雖然取得了一定的效果，但作業(yè)成本較高，不能實現(xiàn)頁巖氣的規(guī)模效益開發(fā)，亟需開展相關(guān)高效破巖鉆頭等提速工具的國產(chǎn)化研究。

1 建立頁巖地層可鉆性剖面

巖石的可鉆性是指在一定鉆進方法下巖石抵抗鉆頭破碎它的能力，它反映了巖石破碎的難易程度[2]，是進行鉆頭選型和技術(shù)特征設(shè)計的重要依據(jù)。在彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)上，利用鄰井測井數(shù)據(jù)[3]，建立了長寧—威遠區(qū)塊頁巖地層可鉆性剖面，如圖1、圖2 所示。

圖1 長寧區(qū)塊頁巖可鉆性剖面

圖2 威遠區(qū)塊頁巖可鉆性剖面

通過建立的可鉆性剖面可以獲得長寧—威遠區(qū)塊頁巖巖石力學(xué)參數(shù)，詳見表1。

表1 長寧—威遠區(qū)塊頁巖地層巖石力學(xué)參數(shù)

2 確定鉆頭個性化設(shè)計特征

根據(jù)頁巖力學(xué)參數(shù)，長寧—威遠區(qū)塊頁巖地層可鉆性極值在5.02～5.65，抗壓強度在93～118 MPa，壓入硬度在1390～1880 MPa，屬于中硬地層。結(jié)合目前區(qū)塊已使用鉆頭技術(shù)特征統(tǒng)計分析，綜合推薦鉆頭采用5刀翼、Ф16 mm 復(fù)合片的特征設(shè)計。

2.1 鉆頭冠型設(shè)計

鉆頭的冠部剖面形狀對破巖效率、鉆頭壽命和穩(wěn)定性都具有直接影響，所鉆地層頁巖具有結(jié)構(gòu)致密、塑性高、不易切削等特性，故選擇“直線—圓弧—圓弧”為基本冠型剖面曲線（圖3），采用深錐、雙圓弧設(shè)計可以增強鉆頭的穩(wěn)定性。

在圖3 的坐標系中，直線—圓弧—圓弧剖面可以表示為[4]：

圖3 冠型剖面曲線

剖面參數(shù)按式（2）計算：

式中 DP——冠部外徑，mm

R0——冠部半徑，mm

α——內(nèi)錐半角，°

R1——內(nèi)圓弧半徑，mm

R2——外圓弧半徑，mm

H2——外錐高度，mm

H1——內(nèi)錐高度，mm

r02——外圓弧圓心徑向坐標，mm

利用式（1）和式（2），定鉆頭冠部外徑Dp取204 mm，冠頂半徑R0取63 mm、內(nèi)錐半角α（取67°）、內(nèi)圓弧半徑R1（取35 mm）、外圓弧半徑R2（取65 mm），確定出具體的冠部剖面形狀。

2.2 鉆頭布齒設(shè)計及受力分析

鉆頭冠型確定后，進行布齒設(shè)計，長刀翼心部采用Ф13 mm切削齒、主切削齒采用Ф16 mm、中等密度布齒、高攻擊切削角度、防卡倒劃眼、強化保徑等個性化設(shè)計特征。

布齒完成后，為了減小鉆頭的橫向力和軸心偏移量，保持鉆頭切削穩(wěn)定性，達到力平衡設(shè)計的目的，需要對切削齒的受力狀態(tài)進行優(yōu)化分析。巖石對每個切削齒的作用力都可以用三維矢量表示，對所有切削齒的力矢量進行求和，得到鉆頭的載荷矢量（圖4）。

圖4 切削齒受力分析

所有切削齒的合力也是巖石對鉆頭的反作用力，可以用4個分量進行表示：沿鉆頭軸線方向的軸向力FN，垂直于且通過鉆頭軸線的徑向力FR，矢量方向平行于鉆頭軸線的扭矩MT，矢量方向垂直于鉆頭軸線的側(cè)彎矩MB。

鉆頭載荷的計算式為[5]：

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，利用專業(yè)軟件進行PDC 鉆頭切削齒受力計算分析，切削體積呈正態(tài)分布，優(yōu)化后不平衡度8.6%在設(shè)計允許范圍之內(nèi)（圖5、圖6）。鉆頭各切削齒受力合理，布齒科學(xué)。

圖5 切削齒受力分析

圖6 鉆頭力平衡度分析

2.3 鉆頭水力設(shè)計

鉆頭水力結(jié)構(gòu)形式主要包含噴嘴尺才、形狀、安放位置、傾角以及流道形狀和布置等[6]，通過優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)設(shè)計，使鉆頭井底流場分布達到最優(yōu)的清巖和冷卻效果。PDC 鉆頭內(nèi)外環(huán)空流場可視為穩(wěn)定的不可壓縮湍流流場，鉆頭表面和井壁按固壁無滑移邊界條件處理，排量取30 L/s，泥漿密度1.95 g/cm3，按假塑流體處理[7]，稠度系數(shù)取0.22，冪律指數(shù)取0.69，噴嘴布置數(shù)據(jù)見表2。利用CFD 技術(shù)進行井底流場數(shù)值模擬仿真分析，結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 速度分布

圖8 流速矢量

表2 鉆頭噴嘴布置數(shù)據(jù)表

通過對井底流場流速分布圖及速度矢量圖進行分析，整個鉆頭井底流場無明顯低速區(qū)和回流區(qū)，水力分布較合理，利于巖屑的運移和井底清洗，有效減少鉆頭泥包風險。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

該只鉆頭2 次入井累計進尺2005 m，累計純鉆186.5 h，平均機械鉆速10.7 m/h。與同平臺井相比機械鉆速提高32.4%，使用效果得到了施工方的高度認可。

4 結(jié)論

建立長寧—威遠區(qū)塊頁巖地層可鉆性剖面，獲得了目標地層可鉆性極值等巖石參數(shù)，為鉆頭設(shè)計提供了理論技術(shù)支撐。針對四川長寧—威遠區(qū)塊頁巖特性，從PDC 鉆頭的冠型、布齒、水力等方面開展了理論研究和個性化設(shè)計。通過現(xiàn)場應(yīng)用，單只鉆頭累計進尺2005 m，平均機械鉆速同比提高32.4%，驗證了鉆頭設(shè)計的合理性，破巖效率進一步提升，為頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)提供了強有力支撐。