新型抗扭转冲击结构锥形齿PDC钻头的研发与应用

2018-11-01杨博仲姚建林沈欣宇

钻采工艺 2018年5期

杨博仲，姚建林，沈欣宇

(1川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2国家能源高含硫气藏开采研发中心 3 四川川庆石油钻采科技有限公司 4西南油气田分公司工程技术研究院)

川东地区钻井过程中，以二叠系长兴组为代表的难钻地层成为该区高效勘探开发的“拦路虎”，该地层岩性主要以灰色泥-粉晶灰岩为主，岩石强度较高，对钻头的吃入能力要求高，部分层段研磨性强，常规PDC钻头抗冲击、抗研磨能力难以满足实钻需求。前期岩石力学研究成果表明，川东地区二叠系长兴组地层抗压强度在150～200 MPa之间，软硬交错，内摩擦角45°以上，PDC钻头可钻性级值集中在10～15，且局部层段含燧石结核，可钻性极差[1]。

为提高该层段钻井速度，近年来累计在该层段试验国内外不同厂商的牙轮、PDC钻头，均未取得理想的提速效果，平均单只钻头进尺均小于120 m，平均单只钻头机械钻速低于1.5 m/h。

一、长兴组地层新型PDC钻头设计

基于上述二叠系长兴组地层的岩石力学分析结果，运用硬夹层的切削结构设计、抗涡动布齿设计、力平衡设计、水力结构设计等技术，开展了新型PDC钻头的设计。

1.钻头结构及主切削齿设计

由于该地层岩石可钻性变化趋势较为稳定，即使发育夹层也多为软夹层，因此在钻头优化选型及个性化PDC钻头设计时，可适当考虑增强钻头的攻击性和地层吃入特性，同时要注意提高钻头的稳定性和穿越夹层的能力[2-3]，设计的PDC钻头主要采用7刀翼胎体结构，主切削齿采用常规Ø13.44 mm+锥形齿Ø13.44 mm结构设计，具体设计特点如下：

(1)锥形齿结构和常规PDC齿复合切削结构设计，即压碎和切削两种方式，提高钻头在燧石结核、黄铁矿、石英及硅质灰岩的抗冲击性和抗研磨性、吃入能力，保证钻头钻进效率。

锥形齿结构可以将载荷更好地集中于一点进行破岩，较厚的切削齿金刚石面提高了钻头切削强度，同时也提高钻头耐磨性，显著提高进尺与机械钻速。

锥形齿比单个PDC切削齿更易将载荷集中于一点作用到岩石上(见图1)，且这种高集中力再结合其自身的高切削强度和耐磨性，使锥形齿结构钻头可以钻穿常规PDC钻头所不能适应的难钻复杂地层。

图1 锥形切削齿与PDC切削齿振动对比图

(2)后排齿采用抗扭转冲击结构布局，增加钻头的抗冲击和抗研磨性能。创新设计了独有的抗扭转冲击结构，在前排主切削齿磨损后，作为第二切削元件切削地层；平衡轴向钻压保护PDC提高钻进进尺，提高钻头的稳定性极大减小了钻头在井底的震动。

2.钻头水力结构设计

在这类较难钻地层中钻进时，由于切削齿与岩石接触区域(特别是齿刃区域)的接触比压高，剧烈摩擦产生的热很容易造成PDC齿热磨损现象的发生。所以，一方面要特别重视钻头水力结构的设计，水力结构设计的准则不应是防泥包，而应是防切削齿热磨损；另一方面，应尽可能增大在钻头上的有效钻井液排量。随着井底流场分布规律的改善和钻井液排量的增大，均有助于增进钻头切削齿的冷却效果，减缓切削齿的磨损速度。在选择、确定具体使用参数时需充分考虑钻井参数、破岩效率与钻头切削齿磨损规律之间的关系，尽量避免采用高转速钻进，低转速-高钻压模式更有利于提高PDC钻头的综合性能。具体设计特点如下：

(1)采用特殊横向漫流水力单元。大幅度提高钻头清洗能力，避免造成岩屑二次切削，提高钻进效率。

(2)弧线形刀翼设计。有效提高钻头工作稳定性，保证硬地层钻进中钻头的震动。

二、仿真模拟分析与制造技术

利用PDC钻头数字化钻进分析系统，对设计的二叠系长兴组高效PDC钻头进行了动力学和水力学仿真分析，通过仿真分析优化轮廓冠部形状、切削齿角度和水力结构等参数。

1. 动力学仿真分析

从图2和图3可以看出，计算钻头轴向力平均值为62.5 kN，横向力平均值为2.67 kN。该钻头横向不平衡力系数为0.042 7，小于0.05设计目标，具有较好的工作稳定性。

图2 钻头轴向力分析曲线

图3 钻头横向力分析曲线

从图4可以看出，该钻头切削体积峰值位于8、11、12齿附近区域，分别位于6#刀翼、3#刀翼和6#刀翼的冠顶区域附近。说明该区域处于易损伤(磨损)区域，可通过优化调整布齿参数，改善这部分切削齿的工作状态，进一步优化切削齿切削量的均衡性。

图4 钻头各切削齿切削体积分布图

从图5可以看出，该钻头横向不平衡力指向2#刀翼和3#刀翼之间，该侧刀翼的保径部分将承担更多的规径切削工作量。

综上所述，从钻头井底动态分布、受力分析，可以看出优化后各齿尤其是钻头鼻部各切削齿的切削体积更加均衡，这就保证了各齿具有相同的寿命或相近的寿命，稳定性好，有利于大幅提高钻头寿命。

图5 钻头横向不平衡力指向示意图

2. 水力学仿真分析

井底较高的压力梯度以及横向漫流速度，能够起到较好的岩屑冲击翻转和横向运移效果。

图6 井底压力云图

图7 井底流速云图

从图6、图7可以发现，在井底面上，喷嘴冲击井底形成较高的射流压力，其压力梯度较高，利于在井底形成较高流速的横向漫流，井底中心没有出现低压和低流速区域，井底中心和井底外缘位置均具有较高的冲击压力和流体流速，水力能量分布合理。从图8中可以看出，在井底面上，流体沿着流道向井底边缘运动，并且井底未出现明显涡旋。基于仿真分析与优化结果，获得适用川渝地区长兴组地层的高效PDC钻头的主要设计参数。

图8 井底流速矢量图

3. PDC钻头模具3D打印技术

模具成型是胎体PDC钻头制造中的一个重要环节，也是准确实施钻头设计的关键，模具成型精度及质量直接影响成品PDC钻头的性能。通过将3D打印技术引入钻头模具制造领域，并进行试验研究，取得了较好效果。打印模具包括了数据转化、模型诊断、分层处理、打印工艺参数优化、无人职守模具打印、后期处理等6项工序，可以制作任意复杂曲面形状的模具，将该技术引入钻头模具制造，配合现有软模成型工艺，加工钻头基础模具用于钻头制造，改进了传统模具加工工艺，实现了复杂结构的PDC钻头高效研发。

三、现场试验效果

2016年9月18日在YA012-12井，对自主研发的CHS7135型抗扭转冲击结构锥形齿PDC钻头进行了现场试验，试验钻井参数如表1。

表1 试验钻井参数

钻头出井原因：钻时变慢，起钻更换钻头。

钻头磨损描述如图9：钻头出井新度50%，水眼未堵塞，未发生泥包现象，未出现切削齿掉落,切削齿严重磨损1颗，主切削齿出现少量磨损，保径齿磨损正常。

YA012-12井Ø149.2 mm井眼二叠系长兴组(5 008～5 203.13 m)采用CHS7135型PDC钻头钻进，平均单只钻头进尺195 m，平均机械钻速3.1 m/h，同比邻井YA012-X7井进口FX64钻头单只进尺提高134%，平均机械钻速提高109.46%；同比YA012-X8井国产钻头单只进尺提高103%，平均机械钻速提高134.85%。现场试验表明，CHS7135型号PDC钻头在下川东二叠系长兴组适应性强，同比国内、外PDC钻头优势明显，提速效果显著。