新型取芯PDC鉆頭水力結構參數優化研究

取芯PDC鉆頭在鉆進頁巖地層過程中容易出現吃入地層困難、巖屑清潔效果不佳，導致機械鉆速下降、取芯時效性變差。為此，提出一種新型4刀翼取芯PDC鉆頭，基于有限元方法對其進行了研究。研究結果表明：相較于常規6刀翼鉆頭，新型4刀翼鉆頭具有更高的破巖鉆進速度，更強的攜屑性能；增大噴嘴角度可以有效降低鉆頭表面巖屑質量濃度，噴嘴角度為9°時攜屑效果最佳；隨噴嘴直徑的增加，鉆頭表面平均巖屑質量濃度呈先增大后減小趨勢，?12 mm時攜屑效果最佳；采用最優水力結構參數的取芯鉆頭在現場應用效果良好，平均取芯收獲率提高了約10%，單井的最大平均機械鉆速提高約80%。研究結果可為取芯PDC鉆頭的結構參數優化及現場應用提供參考。

取芯PDC鉆頭；水力參數；數值模擬；CFD-DPM；巖屑質量濃度

Optimization of Hydraulic Structure Parameters of New PDC Coring Bit

Zhang Yuqiang¹ Liu Zhihe² Chen Zhongshuai² Jiang Zixuan³ Ma Mengnan⁴ Zhang Jinya⁴

（1.Engineering Management Department，Sinopec Jianghan Oilfield Company；2.Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.；3.China Petroleum amp; Petrochemical Equipment Industry Association；4.China University of Petroleum（Beijing））

Drilling with PDC coring bit in shales may suffer difficult formation penetration and inadequate cuttings cleaning，resulting in reduced rate of penetration （ROP） and coring timeliness.This paper presents a new type of 4-blade PDC coring bit.The research results show that compared to conventional 6-blade bit，the new 4-blade bit has higher rock-breaking rate and cuttings carrying capacity.Increasing the nozzle angle can effectively reduce the cuttings concentration on the bit surface，and the cuttings carrying performance is the best when the nozzle angle is 9°.As the nozzle diameter increases，the average cuttings concentration on the bit surface tends to increase and then decrease，and the cuttings carrying performance is the best when the nozzle diameter is ?12 mm.The coring bit with the optimal hydraulic structure parameters was satisfactorily applied on site，with an average core recovery rate increased by about 10%，and an average ROP of a single well increased by about 80% maximally.The research results provide reference for the optimization of structural parameters and field application of PDC coring bit.

PDC coring bit；hydraulic parameter；numerical simulation；CFD-DPM；cuttings concentration

0 引 言

巖心的原始參數可以為壓裂作業提供技術支撐。常規取芯層位以砂巖為主，厚度不超過100 m，且機械鉆速較快，單筒取芯可滿足技術要求。頁巖地層以泥巖、頁巖為主，地層可鉆性差，采用單筒取芯方式時效性低，通過長筒+高效取芯鉆頭組合，可最大程度地提高取芯時效，縮短施工周期^［1-3］。然而，在取芯過程中，常規取芯PDC鉆頭存在吃入地層困難、水力能量分布不均、巖屑容易沉積、水流跡線混亂以及上返區存在渦流等問題，導致頁巖地層特別是含灰質地層取芯鉆速慢^［4-5］。鉆井液對取芯PDC鉆頭體表面的有效清洗、冷卻和潤滑是保證鉆頭正常工作的前提，其水力結構參數（主要指噴嘴的傾斜角度、噴嘴直徑以及刀翼數量）在很大程度上影響著鉆頭的鉆進效率^［6-8］。

近年來，隨著計算流體動力學（CFD）的飛速發展，基于離散相模型的數值計算方法廣泛應用于巖屑顆粒的運移模擬^［9-13］。國內外學者及主要鉆頭生產廠家逐步開始利用計算流體動力學數值模擬技術對PDC鉆頭水力結構進行分析與優化設計。李勁等^［14-16］基于粒子追蹤的方法對PDC鉆頭的水力及巖屑運動規律進行了研究；M.SCHNURIGER等^［8，17］研究了噴嘴角度對常規PDC鉆頭井底流場及巖屑運動的影響，闡釋了噴嘴角度對提高鉆頭及井眼清洗效率的重要性；田志欣等^［6］研究了噴嘴直徑對PDC鉆頭流場特性的影響，給出了鉆頭最優噴嘴直徑范圍。此外，邊晨陽^［18］、曹揚等^［19］還研究了旋切式PDC鉆頭的流場特性和水力結構特性。

然而，大多數研究都是針對常規鉆井PDC鉆頭開展的，缺乏對取芯PDC鉆頭水力性能研究，其攜屑機理及水力結構參數對性能的影響規律尚不明確。同時，為了提高取芯PDC鉆頭在頁巖地層的鉆進速度，在常規PDC取芯鉆頭的基礎上，筆者提出了一種新型4刀翼、4水眼、斜棱形輔助翼的取芯PDC鉆頭，通過整鉆破巖仿真，驗證其在地層鉆進過程中的高效性；利用Fluent軟件并基于DPM離散相模型，采用SIMPLEC算法建立取芯PDC鉆頭井底巖屑運移數值計算模型；對照他人的試驗結果驗證模擬方法的可靠性；開展取芯PDC鉆頭不同結構參數其對水力性能及攜屑能力的影響研究，優化噴嘴角度參數及噴嘴直徑參數，確定合理的刀翼數量，以改善井底流場水力能量分布，增強鉆頭的攜屑能力；最后，采用優化后的鉆頭進行現場應用，檢驗最優水力結構參數下鉆頭的取芯效果。所得結果可為取芯PDC鉆頭的結構參數優化及現場應用提供參考。

1 4刀翼取芯PDC鉆頭

1.1 4刀翼鉆頭結構設計

圖1a為常規取芯PDC鉆頭，采用6刀翼、6水眼設計，輔助翼為直棱形。在頁巖油地層的鉆進作業中，常規取芯PDC鉆頭鉆進速度低，極易出現巖屑沉積、鉆頭冠部泥包等問題，導致鉆頭連續振動，取芯過程發生磨心、堵心，影響取芯效果。為此，對6刀翼取芯PDC鉆頭進行了改進設計，改進后的取芯PDC鉆頭如圖1b所示，采用4刀翼、4水眼的結構設計，輔助翼為斜棱形。

該鉆頭布置了直徑較大的PDC切削齒，增強了鉆頭的攻擊性和切削能力；減少了刀翼數量，使得鉆頭冠部流道變寬，增強了鉆井液及巖屑的流動性；在鉆井液總流量相同的情況下，4水眼的結構設計提高了單水眼的流速，增強了鉆井液的攜屑能力；斜棱形的輔助翼設計進一步增強了流動性。

1.2 鉆進速度分析

為了檢驗改進后取芯PDC鉆頭的破巖能力，基于巖石本構模型和剪切破壞準則，通過ABAQUS有限元仿真軟件，建立PDC鉆頭整鉆破巖仿真模型，如圖2所示。以改進后4刀翼取芯PDC鉆頭為例，鉆頭外徑215 mm，巖石尺寸為500 mm×500 mm×300 mm。建模時將鉆頭整體視為剛體，根據現場實際取芯作業條件，對鉆頭施加豎直向下的鉆壓（65 kN）和順時針方向的角速度（12.56 rad/s）；對巖石底部施加固定約束，四周施加對稱的邊界條件；鉆頭與巖石之間設置為切向摩擦接觸，法向硬接觸。鉆頭有限元網格數量為15.8萬，采用C3D10M類型的十結點修正二次四面體單元網格；對切削齒部分進行局部網格加密；巖石選用D-P（Drucker-Prager）本構模型，有限元網格數量23.3萬，采用C3D8R類型的八結點線性六面體單元網格，對巖石被切削部分進行局部網格加密。

提取鉆頭y方向（豎直方向）的位移，圖3為4刀翼鉆頭和6刀翼鉆頭的鉆進深度（用位移表征）對比。由圖3可以看出，在鉆進過程中鉆頭的鉆進深度隨著時間的延長波動式增大，整體基本呈現線性增長，4刀翼鉆頭的鉆進深度一直大于6刀翼鉆頭。提取鉆頭鉆進趨于穩定時間段（0.1～0.5 s）切削深度差，計算6刀翼鉆頭的機械鉆速為12.61 mm/s，4刀翼鉆頭機械鉆速為16.69 mm/s，4刀翼鉆頭的機械鉆速更快，較6刀翼鉆頭提升約32.4%。一方面，新鉆頭鑲嵌有攻擊性更強的大直徑PDC切削齒；另一方面，更少的刀翼數量伴隨著更少的切削齒，減小了鉆頭與巖石的接觸面積，進一步增強了鉆頭的攻擊性。因此，從破巖速度來看，改進后的4刀翼取芯PDC鉆頭具有更高的鉆井效率。

2 巖屑運移數值計算方法

2.1 數值計算模型建立

2.1.1 幾何模型與網格劃分

采用CFD-DPM方法建立鉆頭井底巖屑運移數值計算模型。取芯PDC鉆頭井底流場模型較為復雜，由于復雜的井底流場模型影響模型網格數量、計算速度以及計算結果精度，需要對井底流場模型進行簡化。簡化后的模型主要由流體入口、噴嘴、刀翼、切削齒、井筒以及環空出口組成，流動流體為水。圖4為取芯PDC鉆頭簡化后的幾何模型。

利用Fluent Meshing專業網格劃分工具，采用多面體網格對取芯PDC鉆頭井底流場進行劃分，對流道內噴嘴、切削齒等特殊結構進行網格細化，如鉆頭切削齒（見圖5藍色方框）、噴嘴（見圖5紅色方框）等。圖5右側分別為噴嘴處和切削齒處網格的局部放大。

2.1.2 計算模型設置

本研究主要考察取芯PDC鉆頭鉆進過程中穩定狀態下的井底流場流動情況，因此選擇穩態計算，選用Realizable k-ε湍流計算模型，固相顆粒采用DPM模型，選擇刀翼上常規切削齒為顆粒入射面；顆粒直徑為0.09 mm，質量流量為0.15 kg/s，采用惰性顆粒，粒子密度為2 500 kg/m³。假設鉆井液為不可壓縮液體，選擇水為連續相介質，密度為1 000 kg/m³，黏度為0.001 Pa·s。采用速度入口、壓力出口，根據鉆井液排量（38 L/s）與入口截面積，設定入口速度為3.7 m/s，方向垂直速度入口面。

環空流場采用有限體積法計算，方程組求解采用壓力修正法中的SIMPLEC算法。為了提高計算精度，選擇二階迎風離散格式計算，同時考慮重力對井底流場的影響，設置重力加速度垂直向下，殘差設置為0.001，選用標準初始化方法。

2.2 數值計算方法驗證

2.2.1 網格無關性分析

為了獲得較為可靠的模擬計算結果，減少網格質量、數量對取芯PDC鉆頭井底流場模擬的誤差，需要對井底流場進行網格無關性分析。在入口速度1 m/s、出口壓力為標準大氣壓的工況下，對7組不同網格數量的模型進行模擬計算，研究取芯PDC鉆頭井底流場入口壓力隨網格數量的變化規律，結果如圖6所示。由圖6可以看出，當網格數量逐漸增大到209 054時，井底入口壓力趨于穩定，因此，綜合考慮計算時間和模擬精度，選用網格數量為209 054的網格細化方案為本研究模擬方案。

2.2.2 數值計算模型驗證

為了驗證鉆頭井底巖屑運移數值計算方法的可靠性，基于上文建模方法，對照文獻［20］的3刀翼水眼鉆頭井底巖屑沖洗試驗，建立對應的數值計算模型。水眼直徑為13.74 mm，鉆井液體積流量為2.7 m³/h。在相同的工況參數下，開展不同鉆速下3刀翼鉆頭井底巖屑沖洗模擬。提取模擬結果中巖屑粒子的平均相對滑移速度，模擬結果與文獻［20］的試驗結果對比如圖7所示。其中，平均相對滑移速度為巖屑與鉆井液的相對速度，其值越低，則巖屑輸送速度越高，攜屑性能越好。

從圖7可以看出，巖屑的相對滑移速度隨著鉆頭轉速的增大線性減小，巖屑的沖洗效果逐漸增強。數值模擬結果與試驗基本一致，誤差在5%以內。這說明該數值模型可以有效地模擬鉆頭對井底巖屑的運移過程，取芯PDC鉆頭井底巖屑運移數值計算方法具有可靠性。

3 不同結構參數下水力性能分析

本研究通過平均巖屑質量濃度來表征取芯PDC鉆頭流道鉆井液巖屑運移能力，從而評價其水力性能。噴嘴角度（鉆頭中心軸線與噴嘴流道軸線的夾角）、噴嘴直徑和刀翼數量等結構參數是影響鉆頭水力特性的重要參數，對于取芯PDC鉆頭的水力優化設計至關重要，基于前文提出的鉆頭巖屑運移數值模擬方法，研究這3個參數對鉆頭整體及關鍵位置表面巖屑質量濃度的影響規律，分析鉆井液攜屑性能，實現關鍵結構參數優選。

3.1 刀翼數量

為了對比4刀翼和6刀翼取芯PDC鉆頭水力性能，分別建立這2種鉆頭巖屑運移數值仿真模型，分析巖屑在鉆頭流道內的運移情況。

表1為不同刀翼數量時鉆頭的平均巖屑質量濃度。圖8為4刀翼和6刀翼鉆頭的巖屑質量濃度云圖。圖9為4刀翼和6刀翼鉆頭的流體跡線圖。從表1可以看出，4刀翼鉆頭體表面、刀翼表面以及切削齒表面的平均巖屑質量濃度相較于6刀翼鉆頭更低，鉆頭整體的表面巖屑質量濃度降低了21.5%。由圖8可以看出，4刀翼鉆頭最大巖屑質量濃度小于6刀翼鉆頭，且巖屑分布面積較小。由圖9可以看出，4刀翼鉆頭相較于6刀翼鉆頭的井底流線及側面流線都更粗、更密集，流體流動性更好。6刀翼由于刀翼數量增多，使得鉆頭上的流道變窄，從而影響了水流的流動和排出。4刀翼使得鉆頭冠部流道變寬，增強鉆井液及巖屑的流動性；同時，在入口流速相同時，噴嘴流出的流體速度更高，可以更好地清理鉆頭表面的巖屑顆粒，提高鉆井效率。綜合來看，4刀翼取芯PDC鉆頭的設計使得巖屑沖洗效果更好。

3.2 噴嘴角度

為研究不同噴嘴角度對鉆頭水力性能的影響，基于取芯PDC鉆頭巖屑運移數值仿真模型，設計并模擬了鉆頭刀翼數量為4，噴嘴直徑為12 mm，噴嘴角度分別為6°、7°、8°、9°和10°時巖屑在鉆頭流道內的運移情況。

圖10和圖11分別為不同噴嘴角度下，各個切削齒及鉆頭整體表面的平均巖屑質量濃度變化曲線。由圖10和圖11可以看出：隨噴嘴角度的增大，各切削齒以及鉆頭整體表面平均巖屑質量濃度均呈先降低后增大的趨勢；噴嘴角度在8°和9°時，達到較低的分布水平。

當噴嘴角度較小時，導致鉆井液對流道內尤其是刀翼和切削齒上沉積的巖屑攜帶能力不足，切削齒及鉆頭整體的表面巖屑質量濃度均處于較高水平；隨著噴嘴角度的增大，鉆頭整體的表面巖屑得以有效沖洗，巖屑在空間上分布更加分散，降低了巖屑在鉆頭表面聚集的可能性，巖屑質量濃度開始下降；然而，噴嘴角度過大時，鉆井液的流動方向容易受到鉆頭本體的阻礙，切削齒表面巖屑無法得到有效沖洗。刀翼表面的巖屑由于鉆井液沖擊力的增大，導致距離鉆井液沖擊點較遠的局部刀翼區域的巖屑沖洗效果變差。同時，由于鉆井液流動受阻，流動通道更加復雜，鉆頭整體的表面巖屑難以快速運移。綜合來看，鉆頭的噴嘴角度為9°時，巖屑沖洗效果可以達到最佳。

3.3 噴嘴直徑

為研究不同噴嘴直徑對鉆頭水力性能的影響，基于取芯PDC鉆頭巖屑運移數值仿真模型，設計并模擬了鉆頭刀翼數量為4，噴嘴角度為9°，噴嘴直徑分別為10、11、12、13及14 mm時巖屑在鉆頭流道內的運移情況。圖12和圖13分別為不同噴嘴直徑下各個切削齒、刀翼以及鉆頭整體表面的平均巖屑質量濃度變化曲線。

由圖12a可以看出，隨著噴嘴直徑的增大，切削齒上的巖屑顆粒質量濃度呈增大趨勢。噴嘴直徑越小，其射流速度越大，可為巖屑運移提供更大的動能，促進巖屑向出口方向排出。因此，減小噴嘴直徑可以降低切削齒表面的巖屑質量濃度。然而噴嘴的直徑過小時，一方面產生的巖屑較多時可能造成噴嘴的堵塞，另一方面流道容易出現鉆井液竄流和回流現象。

由圖12b可以看出，噴嘴直徑為10、12和14 mm時，刀翼表面的平均巖屑顆粒質量濃度較低，但噴嘴直徑對巖屑質量濃度影響變化不大。這是因為鉆井液的噴灑方式會影響巖屑的排出效果，當鉆井液能夠均勻地覆蓋刀翼表面并有效地對巖屑沖刷時，噴嘴直徑對刀翼上的巖屑質量濃度影響也會減小。

由圖13可以看出，隨著噴嘴直徑的增大，鉆頭表面的平均巖屑質量濃度整體呈現先增大后減小趨勢。這是因為較大的噴嘴直徑能提供更大的鉆井液覆蓋面積，有助于鉆頭表面巖屑的運移和均勻地冷卻鉆頭表面和切削齒，減少因高溫引起的鉆頭磨損和損壞。噴嘴直徑為12和14 mm時，鉆頭整體表面的平均巖屑質量濃度最低。綜合來看，噴嘴直徑在12 mm時，可以保證切削齒、刀翼及鉆頭整體表面的巖屑質量濃度均處于較低水平，水力沖洗效果最好。

4 現場應用

勝利油田濟陽坳陷古近系沙四上純上亞段、沙三下亞段烴源巖面積7 300 km²，頁巖油資源量41億t，展現出了良好的勘探開發前景。然而，濟陽頁巖油具有頁巖地層厚、埋藏深、壓力系數高的“三復雜”特征，同時頁巖具有密塑性特征，使得鉆頭鉆進過程中容易出現鉆頭泥包、吃入地層難等問題，嚴重影響取芯時效和取芯收獲率。為了勘查該地區地層地質情況，同時檢驗最優水力結構參數下的取芯PDC鉆頭的取芯效果，采用噴嘴角度為9°、直徑為12 mm的新型4刀翼取芯PDC鉆頭在濟陽坳陷的牛頁區和義頁區進行現場應用。

經統計，這次取芯工作累計取芯進尺2 030.80 m，巖心總長度1 920.72 m，單井最大取芯收獲率96.16%，單井最快平均機械鉆速1.93 m/h，平均取芯收獲率94.58%。從取芯情況來看，采用4刀翼鉆頭結構、噴嘴角度為9°，直徑為12 mm的PSC164型取芯鉆頭具有較高的取芯收獲率和鉆進速度，與優化前原4刀翼鉆頭取芯效果相比，平均取芯收獲率提高了約10%，單井的最大機械鉆速提高約80%。其鉆頭刀翼間的流道更寬，相同總入口流速下，單噴嘴的射流速度更大；同時，特定結構參數下的噴嘴優化了取芯鉆頭的水力性能，最大程度地降低了鉆頭切削齒、刀翼及本體的巖屑質量濃度，可以有效地防止取芯鉆頭工作過程中泥包的產生，極大地提高了取芯鉆頭的巖心收獲率和機械鉆速。

5 結 論

（1）相對于常規的6刀翼、6水眼，直棱形輔助翼的取芯PDC鉆頭，提出了一種新型4刀翼、4水眼、斜棱形輔助翼的取芯PDC鉆頭。從鉆頭整鉆破巖仿真結果來看，新鉆頭具有更強的攻擊性和破巖能力，鉆進速度提高了約32.4%；從水力性能來看，4刀翼鉆頭相較于6刀翼鉆頭表面平均巖屑質量濃度更低，流體流速快，流動性好，攜屑能力更強。

（2）建立了取芯PDC鉆頭井底巖屑運移數值仿真計算模型，并與他人3刀翼水眼鉆頭井底巖屑沖洗試驗數據進行對比。結果表明，試驗與仿真結果基本一致，誤差在5%以內，證明井底巖屑運移數值計算方法可靠性高。

（3）取芯鉆頭的水力性能隨著噴嘴角度的增大整體呈現先減小后增大的趨勢，在角度為9°時，平均巖屑質量濃度最低，可以達到最佳沖洗效果。

（4）隨著噴嘴直徑的增大，取芯鉆頭的切削齒表面巖屑質量濃度逐漸增大，刀翼表面巖屑質量濃度變化不大，鉆頭表面巖屑質量濃度整體呈現先增大后減小的趨勢。綜合來看，噴嘴直徑在12 mm時鉆頭水力沖洗效果最好。

（5）現場應用實例證明，優化后的4刀翼、噴嘴角度為9°、直徑為12 mm的取芯PDC鉆頭完全滿足頁巖地層的取芯要求，具有較高的取芯收獲率和鉆進速度，平均取芯收獲率達到了94.58%，單井最大平均機械鉆速1.93 m/h。

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第一作者簡介：張玉強，高級工程師，生于1985年，2008年畢業于西安石油大學石油工程專業，現從事頁巖油氣勘探開發工作。地址：（102249）湖北省潛江市。email：zhangyq3236.jhyt@sinopec.com。

通信作者：陳忠帥，email：chenzhongshuai.ossl@sinopec.com。