连续管钻井个性化PDC钻头降扭机理及试验研究

杨高

由于连续管自身管径小、柔性大等特性，在进行井下钻进时容易导致摩擦自锁和管柱屈曲，存在钻压施加困难、进尺低下等问题。为提高连续管在低钻压情况下的钻进能力，个性化设计了连续管钻井专用小尺寸PDC钻头。通过单齿切削试验、水平井钻柱微钻头破岩试验、全钻头破岩试验开展小尺寸PDC钻头的降扭机理研究，对比不同齿形对破岩效果的影响。研究结果表明：在PDC切削齿前倾角较小时，破碎相同体积的岩石，宽刃齿所受切削力平均值比常规齿小10.35%～24.56%；同机械钻速情况下，宽刃齿钻头的扭矩小于常规齿钻头，最高降扭37.64%；同转速和钻压情况下，宽刃齿钻头最高降扭28.58%，钻压越大，降扭效果越显著。个性化设计的宽刃齿PDC钻头更适用于连续管实现低钻压、低扭矩、高转速破岩。研究结果可为改善连续管钻井技术在低钻压钻进时的适应性提供新的解决思路和理论支撑。

连续管钻井；PDC钻头；宽刃齿；降扭；托压

Torque Reduction Mechanism and Test Study of PDC Bit

Specially Designed for Coiled Tubing Drilling

Due to small diameter and high flexibility of coiled tubing，frictional self-locking and buckling easily occur during drilling，resulting in difficult WOB application and inefficient ROP accordingly.In order to improve the drilling ability of coiled tubing under low WOB，a small-sized PDC bit used for coiled tubing drilling was specially designed.By means of cutting test of single cutter，micro-bit and full-bit rock breaking tests of horizontal well drill string，the torque reduction mechanism of small-sized PDC bit was studied，and the influence of different cutter shapes on rock breaking effect were compared.The study results show that when the rake angle of PDC cutter is small，the average cutting force on wide edge cutter is 10.35% to 24.56% smaller than that on conventional cutter when breaking rocks of the same volume.At the same ROP，the torque of a wide edge cutter bit is lower than that of a conventional cutter bit，with a maximum torque reduction of 37.64%.At the same rotary speed and WOB，the maximum torque reduction of a wide edge cutter is 28.58%，and the greater the WOB，the more obvious the torque reduction effect is.The specially designed wide edge cutter PDC bit is more suitable for coiled tubing to realize rock breaking with low WOB，low torque and high speed.The study results provide new solutions and theoretical support for improving the adaptability of coiled tubing drilling technology in drilling with low WOB.

coiled tubing drilling（CTD）；PDC bit；wide edge cutter；torque reduction；WOB congestion

0 引 言

在过去的几十年中，石油和天然气工业经历了巨大的发展。随着主力油藏逐渐失去产能，国内外研究人员试图对老井进行改造，以此进一步挖掘剩余油气资源。连续管钻井技术凭借高作业效率、高安全性、低成本、小占地等诸多优点，被认为是油田提高采收率、进一步挖掘剩余油、稳产的重要措施，它适用于低渗透、薄油层等油藏的开发，成为油气开发降本增效的技术利器、老井挖潜增产的重要手段［1-6］。

而随着页岩气平台井水平段长度的不断延伸，连续管无法使用钻铤来增大钻压，管径小、柔性大、滑动钻进等特点也使其在工程实际应用中存在一些局限性。随着裸眼段长度的增加，连续管由于弯曲而与井壁的接触面积增大，导致与井壁之间的摩擦力增加，产生螺旋屈曲的自锁现象，钻进过程中易出现弹簧效應，从而使连续管下放困难，钻压施加困难、不能有效传递到钻头，机械钻速低。研究表明，50.8 mm连续管下入水平井段2 000 m左右基本就会发生螺旋锁定，导致连续管无法继续下入，不能达到目标深度［7-10］。

针对连续管钻井钻压传递困难导致机械钻速低的问题，大多数研究人员采用减小连续管与井壁之间的摩阻、增大井下压力这2种解决办法提高钻压，即在钻井液中加入润滑剂以及采用减阻工具进行减阻、研制不同尺寸和结构类型的水力增压工具［11-16］。国内主要使用在钻井液中加入润滑剂进行减阻，但润滑剂在高温和高压等复杂工况下性能会受到影响；国外采用油基钻井液或合成基钻井液来降低摩阻，但该类型钻井液成本较高，并且施工复杂。水力增压工具分为单级水力加压器和多级水力加压器，级数越多，所能提供的钻压越大。但水力增压工具级数越多，工具越复杂，工具构件之间的配合越容易出现问题，且增压器的外径受连续管管径的限制，无法同时满足增压效果和工具的工作效率。

為此，本文采用个性化小尺寸PDC钻头，从降低扭矩、提高转速进行破岩的角度来增强连续管钻井技术在低钻压情况下的钻进能力。开展单齿刮切试验，对常规齿和宽刃齿同体积破碎岩石的差异进行了研究。为验证个性化设计PDC钻头高转速、低扭矩破岩的效果，进行了室内微钻进试验以及全钻头试验来验证宽刃齿钻头优越的破岩性能。研究结果有利于改善连续管钻井在钻压施加困难情况下的技术适应性，可为连续管实现高转速、低扭矩的破岩提供新思路。

1 PDC单齿切削力试验研究

1.1 PDC钻头切削齿选用

使用连续管进行井下钻进时，由于连续管管径小的特点，需要小尺寸钻头配合其钻进，以便有效地破碎岩石且产生的岩屑较小［17］。同时，不同的切削齿直径对破岩过程也有着显著影响：切削齿的齿径越大，其产生的岩屑尺寸越大；相同切深下，切削力随齿径的增大而增大，且小齿径比大齿径受力更为均匀［18-19］。故采用小尺寸直径的PDC切削齿，齿形拟选用直径9 mm的常规齿和宽刃齿。

宽刃齿［20］是在常规齿的基础上，垂直于切削面切除部分金刚石和基底，形成直线切削刃口，如图1所示。在切削岩石的过程中，宽刃齿与岩石的接触线为一条与其直刃口宽度相同的直线，而常规齿的齿面轮廓投影为一条圆弧状。切削齿在压入岩石时会因为切削刃的形状不同而形成不同的接触线，因此，宽刃齿特殊的齿面结构使其破岩过程和常规齿相比存在很大的区别。

依据胡莉等［21］、YANG B.等［22］基于比钻压的宽刃齿破岩机理研究，宽刃齿的刃边上比钻压较为均衡；而常规齿比钻压分布规律呈抛物线，越靠近齿刃底部其比钻压越大，依次向两边减小。在破岩机理上，宽刃齿若达到岩石临界破碎压力，则宽刃齿刃口均能吃入岩石；而常规齿底部周围达到了岩石临界破碎压力，其而齿刃边沿区域没达到岩石临界破碎压力，岩石仍将处于弹性变形状态。因此，在破岩过程中，常规齿只有一部分吃入岩石，而宽刃齿整体吃入岩石，故破碎相同体积的岩石时，宽刃齿所受切削力小于常规齿。

1.2 单齿切削试验

为验证宽刃齿的破岩机理，同时比较常规齿和宽刃齿的破岩规律，对直径均为9 mm的常规齿、宽刃齿在相同时间间隔内破碎相同体积（即截面面积一样）的岩石进行了单齿切削试验。同体积破碎示意图如图2所示。

为实现等体积破岩，计算了切削相同截面面积岩石时不同齿形的切削齿所对应的切削深度。切削齿的切削参数如表1所示。由表1可发现，当切削截面面积均为6.75 mm2时，前倾角越大，切削齿的切削深度越小。且在相同前倾角下，切削相同截面积时，宽刃齿的切削深度均小于常规齿的切削深度。这是由于宽刃齿的直刃口部分使得其在相同切削条件下，与岩石的接触线长度大于常规齿与岩石的接触线长度。针对不同的切削参数设计了多种切削齿齿座，齿座用于改变切削齿的前倾角，通过钎焊将切削齿固定在齿座的齿槽内，如图3所示。

通过牛头刨床试验机进行单齿切削试验，如图4所示。岩石选为250 mm×250 mm×250 mm表面平整的砂岩，岩石材料参数如表2所示。牛头刨床作为动力源驱动刀柄做直线运动，切削齿与特定的齿座钎焊固定后安装在刨床刀柄上。通过预设不同的切削齿角度、深度等来实现切削齿直线破碎岩石的过程。在切削岩石的过程中，通过传感器实时采集切削齿受到的切向力和轴向力，每组试验重复3次。

切削速度为400 mm/s、破碎截面面积为6.75 mm2时，不同前倾角的常规齿、宽刃齿切向力、轴向力对比分别如图5a和图5b所示。总体看来，前倾角较小（5°、10°）时，宽刃齿所受切向力平均值和轴向力平均值比常规齿小10.35%～24.56%；前倾角较大（15°、20°）时，宽刃齿所受切向力平均值和轴向力平均值均大于常规齿。这说明前倾角较小时，破碎相同体积的岩石，宽刃齿钻头所受切削力平均值和所需钻压要小于常规齿钻头，更适合于钻压施加困难的连续管钻井中；而前倾角较大时情况则相反，即破碎相同体积的岩石，常规齿钻头所受切削力平均值和所需钻压小于宽刃齿钻头。故选用宽刃齿作为连续管个性化PDC钻头的齿形时，在保证较高的切削效率情况下，应当选用较小的前倾角（10°）。

2 水平井钻柱微钻头破岩试验

在单齿切削试验的基础上，基于水平井钻柱微钻头破岩试验台架，进行了宽刃齿与常规齿钻进砂岩的微钻试验，分析在不同转速条件下微钻头破岩情况，以验证宽刃齿钻头高转速、低扭矩的破岩效果。

2.1 试验台架与试验设计

水平井微钻头-井筒-小钻杆试验台架如图6所示。为模拟水平井的水平段钻柱动力学特性，且尽可能使钻柱模型有足够的长细比，将钻柱模型水平布置，采用顶端加压的方式来为钻杆提供钻压。综合考虑钻柱与井壁的接触、钻头与岩石互作用等影响，根据试验条件选择适用的钻柱材料和几何尺寸，井筒直径及轴向压力等参数，使其与实际钻井过程中的破岩机理相似。

试验台架分为5大系统：动力系统、钻柱系统、破岩系统、支撑系统以及数据采集系统。动力系统通过变频电机和液压系统为破岩提供扭矩和钻压；钻柱系统的钻杆可传递破岩所需的扭矩和轴力，分段套管可模拟实际工况下钻杆与井筒的接触；破岩系统包括微型PDC钻头和岩石夹持装置，用以模拟水平井钻进过程中钻头与岩石的互作用；支撑系统有槽钢台架、电机导轨支架等框架结构；数据采集系统包括测量电机端和钻头端的钻压、扭矩、转速、机械钻速以及钻杆上各点的加速度所必须的传感器、数据采集仪。

为真实反映钻头-岩石互作用的效果，个性化设计了宽刃齿、常规齿2种类型的三刀翼微型PDC钻头，如图7所示。微钻头直径均为70 mm，切削齿直径均为9 mm，相邻翼间角为120°。PDC齿通过焊接与刀翼进行连接，以满足破岩时的工作强度，同时模拟实际破岩情况。采用侧向力平衡布齿理论和径向布齿全覆盖原理进行钻头的布齿设计［23］。微钻头3刀翼均采用直线型，刀翼和基体分别设计加工，刀翼侧面加工螺栓孔，通过螺栓与基体连接，组装成一个刀翼可拆卸的完整的钻头。

将试验所用砂岩固定到夹持装置上，通过调节变频电机的转速和液压系统，测试在不同机械钻速和转速条件下钻头的破岩情况。加载不同的测试点，观察微钻头的破岩情况，同时记录从开始加载直到破岩稳定1～2 min内的各物理量，并将数据储存到计算机上。岩样属性如表2所示。

2.2 试验结果

微钻头在钻进砂岩时，钻头扭矩随转速的变化规律如图8所示。图8a为机械钻速为0.2 mm/s的情况下，宽刃齿微钻头和常规齿微钻头破岩受到的扭矩对比。由图8a可知，在相同机械钻速下，随着转速的增加，2种微钻头的扭矩都呈现出降低的趋势，宽刃齿微钻头的扭矩均小于常规齿微钻头的扭矩。并且从图8a可以看出，宽刃齿微钻头的扭矩降幅明显大于常规齿微钻头：当转速从12 r/min增大到21 r/min，宽刃齿微钻头的扭矩降低了37.64%，而常规齿微钻头的扭矩仅降低了27.99%。这意味着在相同机械钻速下，相比于常规齿微钻头，提高转速，宽刃齿微钻头在破岩过程中所受阻力更小。

图8b为机械钻速分别为0.1、0.2和0.3 mm/s时，宽刃齿微钻头所受扭矩与转速的关系图。由图8b可知，相同转速下，机械钻速增加时宽刃齿微钻头所受扭矩增大。当转速从12 r/min增大到21 r/min时，宽刃齿微钻头在0.1、0.2、0.3 mm/s机械钻速下的钻头扭矩分别降低了36.29%、37.13%、37.64%。通过对宽刃齿微钻头扭矩随转速变化规律的进一步研究可发现，在同一机械钻速下，微钻头扭矩随转速的增大而降低，且机械钻速越大，降幅越大。这说明宽刃齿微钻头在高转速下瞬时吃深较小，能够减小钻头所受的扭矩，可有效应对连续管钻井过程中钻压施加困难的问题。

3 连续管个性化钻头试制及试验

基于上述对PDC切削齿的试验研究，个性化设计了2只直径为114.3 mm的连续管钻井专用小尺寸PDC钻头，分别为宽刃齿PDC钻头和常规齿PDC钻头，如图9所示。这2只钻头的冠部曲线等设计参数均相同。由于钻头直径较小，采用5刀翼和9 mm小齿设计，适应连续管钻井高转速，并进行了切削结构的力平衡设计，用以提高钻头的钻进效率和稳定性。

在实际钻井过程中，钻压和转速对钻头的扭矩有很大影响。为进一步了解钻头钻压-转速-扭矩关系，探究宽刃齿钻头高速低扭的钻井特点，同时验证PDC切削齿种类对单齿切削试验、微钻头破岩试验与全尺寸PDC钻头破岩效果的影响规律是否相同，以砂岩为破岩对象，开展了连续管全尺寸钻头破岩试验。

试验通过GXY-200B型钻机进行，试验装置如图10所示。GXY-200B型钻机由钻压控制系统、转速控制系统、传感器以及数据采集系统组成。钻头的加载和升降由钻压控制系统完成，通过转速控制系统调节钻压，六方钻杆传递扭矩，从而带动钻杆和钻头的旋转。选择不同的钻压和转速对岩石进行破碎，由压力传感器、位移传感器、扭矩传感器等装置传递数据信息，进而对钻头所受扭矩进行分析。

分别设定43、74、117 r/min这3种低、中、高转速，在每次钻进试验中，使用压力、扭矩传感器记录钻头上的钻压和扭矩数据，用以分析不同钻压下钻头的破岩效果，比较常规齿钻头和宽刃齿钻头的扭矩变化规律。

图11为常规齿和宽刃齿全钻头钻进砂岩的井底形貌。通过对比2种全钻头井底形貌图可以发现：宽刃齿全钻头井底形貌较为平缓，岩脊较低；常规齿全钻头井底形貌图较为陡峭，岩脊较高。这说明宽刃齿钻头更有利于钻井过程中岩屑的排出，即降低钻头重复切削，破岩效率更高。

43、74、117 r/min这3个转速下的钻压-扭矩关系如图12所示。由图12可知，2种钻头所受的平均扭矩近似与钻压呈线性正相关关系增大。这是因为随着钻压的增加，钻头吃入岩石的深度越深，剪切岩石所需的扭矩也增大；钻压超过8 kN后，钻头扭矩增大幅度趋缓。通过对比3种转速可发现，转速越高时，同钻压下钻头的平均扭矩越小。进一步对比分析常规齿全钻头和宽刃齿全钻头的钻压-扭矩曲线可知，在相同的转速和钻压下，宽刃齿钻头所受扭矩小于常規齿钻头的扭矩，宽刃齿PDC全钻头最大降扭28.58%。且钻压越大，2种切削齿钻头的扭矩差距越显著。这说明相同钻压下，宽刃齿钻头的吃入性能更好，扭矩更小。在连续管钻井中，使用宽刃齿进行高转速钻进可以得到更好的破岩效果。

4 结 论

（1）连续管个性化PDC小尺寸钻头可实现小扭矩、高转速破岩，是目前较为先进的、应对连续管钻井钻压施加困难和进尺低下等问题的PDC钻头。

（2）单齿切削试验、水平井钻柱微钻头破岩试验以及全钻头试验结果表明：前倾角较小时，破碎相同体积的岩石，宽刃齿的压入深度小于常规齿钻头，宽刃齿所受切削力平均值比常规齿小10.35%～24.56%。同机械钻速情况下，宽刃齿微钻头的扭矩小于常规齿微钻头，最高降扭37.64%。说明宽刃齿微钻头在高转速下瞬时吃深较小，能够减少钻头所受的扭矩。转速越高时，同钻压下钻头的平均扭矩越小，宽刃齿全钻头比常规齿全钻头扭矩小。在相同的转速和钻压下，宽刃齿PDC全钻头最大降扭28.58%，钻压越大，降扭效果越显著。

（3）在连续管钻井中，采用高转速、小钻压的钻井参数，同比情况下，宽刃齿钻头具有更小的扭矩，更为适应连续管钻井的需求。

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楊高，高级工程师，生于1979年，2007年毕业于西南石油大学机械电子专业，获硕士学位，现从事连续管作业技术与装备的研究和管理工作。地址：（434000）湖北省武汉市。电话：（027）83567937。email：598135323@qq.com。2024-01-03刘 锋