非平面齿钻头在塔东城探区块的应用

解 珅

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163000）

1 概述

塔里木盆地东部俗称塔东地区，地质勘探面积6.8×104km2，油气资源当量15.24×108t，丰富的油气资源，将接替成为大庆油田最稳定的高产区及油气资源补给的重要领域。但是，对于大庆来说，塔东地区的地质勘探新空间，随着时间的推移，地质勘探的程度还在不断深入，我们面临的地质勘探对象越来越多，也越来越复杂，地质勘探难度变得越来越大。该区块地质勘探程度较低，地质条件复杂，砾石层及高硬度、高研磨性砂泥岩互层极为发育、可钻性较差，机械钻进速度低，特别是奥陶系却而却克组（俗称“黑被子”地层）平均机械钻速仅为0.92m/h，地层构造较多且差异性较大，地层分布压力层系多，层系间含有异常高压层，区块地层倾角大，控斜与快钻矛盾比较突出；另外，该地区油气埋藏较深，奥陶系目的层埋深≥6000m，寒武系目的层埋深≥7000m，底部环境温度可达200℃，以上地层的主要特征严重制约了塔东超深井钻井周期的缩短、勘探进程的加快及勘探成本的降低，有必要选用适用于塔东城探区块深层岩石特点的高效钻头。

2 地质情况

塔里木盆地北部坳陷区古城―肖塘台缘带古城低凸起，北邻塔北隆起，南侧为中部隆起，覆盖阿瓦提凹陷、满加尔凹陷、阿满过渡带等二级构造单元。北部坳陷内部构造一般位于塔北隆起向塔中隆起延伸的低梁，是塔北隆起与塔中隆起的过渡带，构造沉积演化长期受塔北隆起及中部隆起的影响和控制。阿满过渡带的油气等资源丰富，先后发现了顺北、富满等大中型下古生界碳酸盐岩油气田群，是目前我们国家最大的断控碳酸盐岩油气藏油气生产基地，年产油气当量约300×104t。

塔东城探区块奥陶系却而却克组地层，上部岩性以层状灰、浅灰、褐灰色粉砂岩与深灰、灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层；中部以层状灰、深灰色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹褐灰、灰色粉砂岩、泥质粉砂岩；下部为层状深灰色泥岩、钙质泥岩夹灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩；底部为厚层深灰色泥岩为主。

3 PDC钻头优化设计

针对塔东城探区块奥陶系却而却克组地层特性，根据以往选用的PDC 钻头失效情况进行分析对比，及对地层非均质性的具体分析，分析得出的结论：目标层具备非均质性和高研磨性，该地层的不同性质使得复合片咬入地层困难，破碎岩石功率降低，由反复磨削所产生大量热量，散热不及时导致复合片过早失效，以及PDC 复合片抗研磨性较低，从而致使钻头磨损主要集中在线速度较高的钻头肩部及鼻部，磨损严重会形成半圆形沟槽。高速切削的复合片在接触到分布不均的地层，会使复合片正面收到强烈冲击形成严重损伤，钻头抗正面冲击性较差，从而致使切削齿崩齿，从根本上降低钻头使用寿命。

针对塔东“黑被子”地层碳晶质泥岩主要特征，制定钻头改进措施，优化钻头冠部设计及布齿密度，个性化设计及加工制造出适用于“黑被子”地层的非平面齿PDC钻头。

3.1 PDC钻头冠部轮廓设计

通过油气井的钻进理论和实践表明，钻头冠部轮廓的形状对钻头的岩石破碎效率和切削齿的磨损有着巨大的影响。钻头冠部轮廓长度直接影响机械钻速；如果外锥长度短，则排列的切削齿数将较少，每个切削齿所受力较大、切削量增大，钻进效率有所提高，但是钻头切削齿过度磨损会导致钻头寿命降低；如果外锥长度长，则排列的切削齿数量将增多，钻头耐磨性增强，然而锥面越长，各切削齿在剖面位置上受力分布越不均匀，容易引起钻头横向振动和涡动。

针对新疆塔东地区“黑被子”地层，夹砂砾岩，地层坚硬，研磨性高等特点，选择了适用于该地层特性的中抛物面冠部曲线，冠部采用浅内锥设计，降低钻头心部单齿所承受载荷。冠部轮廓形状按照等切削原则设计时，冠部轮廓形状应尽可能保证在切削过程中，钻头上的每一颗切削齿有大体相等的切削体积。这样可最大化地保证钻头切削齿在切削过程中磨损均匀，按照等切削原则设计时的理论冠部曲线方程式为：

式中：r——钻头径向尺寸数值；

h——钻头轴向定位尺寸数值；

r0——钻头冠顶处的径向数值；

Δ l0——钻头冠顶处的轴向数值。

在实际计算和设计中，参照上述理论设计的钻头冠部形状确定r0后就能够得到理论冠部曲线形状和尺寸，然后根据钻头体结构设计的方法，通过抛物线形冠部进行曲线拟合。设计出的钻头冠部曲线参数如图1所示，形成钻头冠部模型如图2所示。

图1 冠部曲线参数

图2 冠部模型

3.2 布齿设计

在完全相同的钻压下，复合片的布齿密度越小，切削齿所受载荷越大，切削齿吃入地层的能力越强，PDC钻头破碎岩石的效率越高。但是，PDC 钻头现场应用表明：伴随着岩石可钻级值的增加，PDC钻头的布齿密度对破碎岩石效率的影响程度明显降低，伴随着PDC钻头低密度布齿，带来的影响是切削齿所受载荷过大导致钻头崩齿、碎齿等现象，严重制约了PDC钻头的使用寿命。事实证明，钻进硬地层时，鉴于PDC钻头的布齿密度对切削效率影响较小，故而延长钻头的使用寿命是主要考虑的因素。由此可见，解决PDC 钻头肩部齿容易磨损的问题，就是采用高强度复合片，进一步提高PDC 钻头肩部的布齿密度，使每个切削齿承受较小的钻压，尽可能地做较小的功，进一步提高PDC钻头切削齿的寿命。与塔东地区此前选用钻头相比，设计的双排齿钻头布齿密度提高了17%（见图3）。

图3 双排齿布齿密度设计

在完成布齿密度的设计后，三维展开布齿到钻头的每个刀翼，进行切削结构角设计（见图4）。

图4 双排齿3D布齿方案

结合上述理论计算并设计的钻头后倾角为20°~28°。综合考虑钻井提速工具对钻头的整体效果，最终确定后倾角为20°~30°。钻头与钻井提速工具配合使用时，可进一步提高PDC 钻头的切削效率、保护切削齿、延长钻头使用寿命、进一步提高钻井机械钻速（钻头成品模型如图5所示）。

图5 钻头成品模型

3.3 复合片研选

研选新型非平面复合片，表面的三条凸脊呈120°夹角，钻头钻进过程中通过一条凸脊来切削地层。切削方式由传统的“面—面”接触改为“线—面”接触（见图6），进一步提高了切削齿对坚硬岩层的切削力；非平面齿复合片脱钴深度超过1400μm，复合片的耐磨性得到大幅度提升；该复合片的非平面型设计，采用点状塑性变形来破碎岩石，更适合塔东硬地层应用。

图6 平面齿和非平面齿受力分析

基于以上分析，我们对于“黑被子”地层设计了一款6刀翼、16mm非平面齿复合片的PDC钻头。冠部布齿：采用高密度布齿方案，降低单齿所受载荷，进一步提高钻头使用寿命。后倾角：与钻井提速工具配合使用时，设计制造较大的后倾角（20°~30°），便于钻头切削齿吃入地层，进一步提高钻头破岩效果。

3.4 钻头喷嘴布置

流线型喷嘴具有流量系数较高、射流的扩散角小、等速核长度较长、能量转换效率高、钻头实际得到的水力功率高等特点，因此，该PDC钻头喷嘴的内流道形状选用了流线型设计（见图7）。

图7 喷嘴结构

选用合适的喷嘴直径可使PDC钻头获得高速钻进所需要的钻头压降和单位面积上的水功率。钻头的类型决定了钻头喷嘴或水眼的配置及取向，一般来说，钻头喷嘴的配置及取向的基本原则是：每个喷嘴都能清洗和冷却一组复合片，如一个直面刀翼或一个螺旋形刀翼。

PDC 钻头喷嘴的分布采用了组合式镶装，即选择不同直径的喷嘴，使喷嘴的当量直径满足钻井设计的具体要求。喷嘴直径不同，射流的冲击压力也不同，在这样的前提下，井底会逐渐形成一个比较大的“压力梯度”。钻头的喷嘴最好采用不同心式镶装，即四个喷嘴不在同一水平方向上安装。为了使钻头磨削产生的岩屑向井壁方向翻转，使钻井液能充分清洗井底岩屑，在距钻头中心较远的位置安装直径相对小的喷嘴，在两个主刀翼距钻头中心较近的位置镶装直径相对大的喷嘴。喷嘴的不同心设计可产生不对称的井底流场，而不对称的井底流场有以下三个特点：一是井底压力梯度大；二是井底部分区域压力减小，在钻头附近的局部空间还可能出现“低压区”，这就降低了“压持作用”且有利于冷化井底，尤其对泥浆密度较大的调整井效果更明显；三是采用阶梯式镶装喷嘴，喷嘴的喷射距离不相等，即喷嘴距离钻头体外锥面的距离不等。

采取以上措施进行钻头喷嘴的优化设计分布，不仅能够有效地减少井底流场中产生对钻头不利的涡流与湍流，同时也加大了钻头水功率，进一步提高了钻头的破岩效率。

4 现场应用

针对塔东城探区块奥陶系却而却克组地层特性及钻井作业特点设计的PDC钻头在城探区块进行了现场试验（见图8），在该井成功试验2井次，2只钻头累计进尺996m，平均寿命197.5h，平均机械钻速2.87m/h，与同区块同层位邻井相比平均钻速提高40.35%，较临井相比共节约3趟钻。

图8 出井后钻头磨损情况

通过对该试验井2只钻头使用情况分析：

（1）该井第一趟钻进尺709m，纯钻168.3h，平均机械钻速4.21m/h，创城探区块却尔却克组单趟钻最高进尺、最长寿命、最快机械钻速3项记录；

（2）第二趟钻钻速较第一趟钻较慢，但该钻头在“黑被子”泥岩层段钻进时间较长、进尺高，较邻井至少节省一趟起下钻（具体使用数据见表1）。

表1 2只钻头施工数据表

5 结论

（1）通过钻头现场试验结果表明，塔东城探区块奥陶系却而却克组地层使用的非平面齿钻头与常规PDC钻头相比提速效果更显著，行程进尺较高，降低了钻井公司油气田开发的的钻头成本。

（2）将选用的新型非平面齿复合片与普通平面复合片进行比较，在工作时间相同的条件下，新型非平面齿复合片切削磨损量更小，说明“线—面”接触的切削方式，提高了PDC切削齿的接触面积，接触面的磨削阻力进行了分散处理，间接提高了PDC切削齿的耐磨性，满足了钻井公司的作业需求，具有较高的推广价值。