新型復(fù)合PDC鉆頭設(shè)計特點及應(yīng)用

　早在80年代中期,勝利油田就開始試用PDC鉆頭,但只在渤南等少數(shù)地層巖性相對較為均質(zhì)的地區(qū)取得了較好的效果。在勝利油田大部分地區(qū)一直沒有好的指標(biāo)和效益,絕大部分PDC鉆頭損壞的主要特征為齒柱折斷、復(fù)合片碎裂、沖蝕等,還受到額外作用力的影響,造成非正常損壞。結(jié)合PDC鉆頭使用的地區(qū)和地層層段,認(rèn)為PDC鉆頭的損壞有下面幾點原因:(1)地層硬夾層較多:是PDC鉆頭上復(fù)合片碎裂、掉片或齒柱式切削齒斷裂的主要原因,因為PDC鉆頭在鉆進過程中,從軟地層鉆至硬夾層時,鉆頭不同部位的切削齒切削地層時受力不均,造成鉆頭出現(xiàn)蹩鉆、跳鉆現(xiàn)象,導(dǎo)致切削齒因受力較大而碎裂或折斷。如果地層傾角較大,對切削齒造成更嚴(yán)重的損壞。因此即使同樣的鉆井參數(shù),鉆進硬地層比鉆進軟地層容易損壞。(2)PDC鉆頭水力參數(shù)不適合:使用PDC鉆頭時,如比水功率選擇過大,就會造成鉆頭基體嚴(yán)重沖蝕,致使切削齒柱或噴嘴脫落。如果比水功率過小,對復(fù)合片清洗冷卻不利,在軟地層中易造成鉆頭泥包,在硬地層中易造成復(fù)合片的熱加速磨損。由于勝利油田地層多夾層且軟硬交錯的特點,往往出現(xiàn)PDC鉆頭的先期損壞,致使鉆井指標(biāo)與使用牙輪鉆頭相比沒有明顯的提高,加之PDC鉆頭的價格較高,不能提高經(jīng)濟效益,這是常規(guī)PDC鉆頭在勝利油田沒有市場的主要原因。因此,研制適合多夾層地層的復(fù)合型PDC鉆頭,是提高鉆井速度,降低鉆井成本,提高綜合經(jīng)濟效益的關(guān)鍵所在。
　　一、鉆頭設(shè)計特點
　　1.冠部輪廓設(shè)計:針對勝利油田的多夾層地層的特點,采用等磨損原則和等切削原則相結(jié)合進行冠部輪廓設(shè)計,確定出適合鉆進多夾層地層的鉆頭冠部輪廓形狀。2.切削結(jié)構(gòu)設(shè)計:鉆頭切削結(jié)構(gòu)設(shè)計包括切削齒的大小尺寸、切削角度、布齒密度,布齒方法等因素?？紤]到常規(guī)PDC鉆頭損壞的主要特征是:掉片、崩片、剝蝕脫層和過度磨損等現(xiàn)象,設(shè)計了旨在防止PDC復(fù)合片早期損壞的切削結(jié)構(gòu)---復(fù)合切削結(jié)構(gòu),采用一定的布齒方法和密度實現(xiàn)的。(1)切削齒的大小:根據(jù)所鉆地層的巖性特點,選擇直徑為13mm的PDC復(fù)合片作為主切削元件,選擇適當(dāng)尺寸的人造熱穩(wěn)定聚晶金剛石作為輔助切削元件,形成復(fù)合切削結(jié)構(gòu),以利于鉆進硬夾層。(2)切削角度:根據(jù)所鉆地層的軟硬程度、巖性特點及PDC復(fù)合片的破巖特點,隨著地層硬度的由低到高,切削齒的切削角度逐漸由小到大,切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角則取垂直于螺旋刀翼線法線的角度。(3)布齒密度:適合多夾層地層的鉆頭的布齒密度是根據(jù)所鉆地層的硬度和研磨性而決定。鉆頭在軟硬地層交界面上工作時易產(chǎn)生振動,造成鉆頭鼻部和圓弧過渡帶切削齒掉片、崩片和剝蝕脫層而先期損壞,因此,適當(dāng)布置同軌齒來提高布齒密度,加強PDC切削齒的抗沖擊性。(4)布齒方法:切削齒布置包括徑向布置和周向布置。復(fù)合PDC鉆頭的切削齒布置設(shè)計,是利用西南石油學(xué)院編制的PDC鉆頭計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計后,經(jīng)過調(diào)整形成更合適的切削齒布置和定位。(5)切削齒的布置方式:PDC鉆頭一般采用兩種布齒方式:刀翼式和散布式。根據(jù)地層軟硬交錯的特點,采用刀翼式布齒,容易形成復(fù)合切削結(jié)構(gòu),在軟地層加強清洗和攜帶巖屑效果,硬夾層加強冷卻效果。3.鉆頭水力結(jié)構(gòu)設(shè)計PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)關(guān)系到鉆頭的工作性能好壞和使用壽命的長短。PDC切削齒由于受地層硬度和研磨性以及瞬時載荷影響外,另一個主要因素就是PDC鉆頭,基體和切削齒受水力沖蝕而影響鉆頭的使用壽命。針對PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)和鉆頭沖蝕特征,對新型復(fù)合PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計如下:(1)調(diào)整噴嘴的方位角和噴射角度:在能夠勝任冷卻PDC鉆頭、清洗井底和攜帶巖屑的基礎(chǔ)上,適當(dāng)調(diào)整噴嘴的方位角,可減少水力能量對切削齒和刀翼體的沖蝕。(2)增加鉆頭排屑槽的深度:使噴嘴射流反射到鉆頭體的能量大大降低,使鉆頭表面的過流面積增大,減輕射流對鉆頭基體的沖蝕。4.穩(wěn)定性設(shè)計:對新型復(fù)合式PDC鉆頭的穩(wěn)定性設(shè)計,主要涉及到了以下幾個方面。(1)力平衡設(shè)計:按“力平衡原則”設(shè)計鉆頭,可顯著降低由鉆頭的切削作用而產(chǎn)生的井下振動,增加鉆頭穩(wěn)定性等。(2)螺旋刀翼設(shè)計:螺旋式刀翼能夠降低鉆頭回旋作用,有助于鉆井液攜帶巖屑,清洗井底,高鉆頭的穩(wěn)定性。(3)同軌布齒設(shè)計:同軌布齒有助于把鉆頭恢復(fù)到居中旋轉(zhuǎn),提高其穩(wěn)定性,增加某些關(guān)鍵部位的切削齒分布密度。(4)混合布齒設(shè)計:復(fù)合PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)設(shè)計主切削件是PDC切削齒,容易減小鉆頭在軟～硬交界面處引發(fā)各種振動。
　　二、新型復(fù)合PDC鉆頭應(yīng)用
　　按照上述鉆頭設(shè)計制造的新型復(fù)合PDC鉆頭,在勝利油田純70-2井第一次下井使用。鉆頭自2014m入井鉆至完鉆2625m,地層層位為沙一段～沙四段。進尺為611m,機械鉆速為8.64m/h,鉆頭起出后新度在85%以上。接著該鉆頭在利932井第二次下井使用,鉆進井段為1736～2100m,層位自沙一段至沙四段,進尺為364m,平均機械鉆速為7.14m/h。鉆頭起出后基本上沒有進一步磨損,仍可再次使用。該鉆頭又在純70-7井第三次下井使用。由于該井使用刮刀鉆頭鉆進到1810m時井斜較大,使用PDC鉆頭糾斜,順利地鉆至設(shè)計井深2610m完鉆,并使井斜角降到0.5度,進尺為800m,平均機械鉆速為11.72m/h。該鉆頭鉆井總進尺1775m,相當(dāng)于3只H517牙輪鉆頭的進尺,創(chuàng)油田單只PDC鉆頭最高進尺新記錄。
　　新型復(fù)合PDC鉆頭試驗成功后,在勝利油田各地區(qū)進行了推廣應(yīng)用,使用井段主要是含軟硬交錯地層的東營組至沙河街組地層。據(jù)現(xiàn)場使用資料統(tǒng)計:新型復(fù)合PDC鉆頭在直井段的平均單只進尺1110m,比牙輪鉆頭進尺提高了1倍以上,機械鉆速比牙輪鉆頭提高了40%以上。新型復(fù)合PDC鉆頭的應(yīng)用大大提高了鉆井速度,降低了鉆井成本,取得了顯著經(jīng)濟效益。此外,由于新型復(fù)合PDC鉆頭鉆壓小、進尺多、負荷低等因素,減少了起下鉆次數(shù)和井下事故次數(shù),降低了工人勞動強度。