页岩气水平井高效破岩PDC 钻头个性化设计

樊思成，黄继庆，张 斌

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

0 引言

自2004 年美国“页岩气革命”实现大规模开发以来，国内开发利用页岩气蓄势待发，开发前景乐观。四川境内页岩气资源丰富，估算资源量达27.5 万亿立方米，可采资源量达4.42 万亿立方米，资源量和可采资源量均居全国第一[1]。四川海相页岩已优选出两套优质页岩气含气层系，分别为志留系龙马溪组页岩和寒武系筇竹寺组页岩，但开发难度大、效率低，所钻水平井水平段一般需要3 趟钻以上才能完成。通过采用进口钻头配合旋转导向工具提速，虽然取得了一定的效果，但作业成本较高，不能实现页岩气的规模效益开发，亟需开展相关高效破岩钻头等提速工具的国产化研究。

1 建立页岩地层可钻性剖面

岩石的可钻性是指在一定钻进方法下岩石抵抗钻头破碎它的能力，它反映了岩石破碎的难易程度[2]，是进行钻头选型和技术特征设计的重要依据。在弹性力学理论基础上，利用邻井测井数据[3]，建立了长宁—威远区块页岩地层可钻性剖面，如图1、图2 所示。

图1 长宁区块页岩可钻性剖面

图2 威远区块页岩可钻性剖面

通过建立的可钻性剖面可以获得长宁—威远区块页岩岩石力学参数，详见表1。

表1 长宁—威远区块页岩地层岩石力学参数

2 确定钻头个性化设计特征

根据页岩力学参数，长宁—威远区块页岩地层可钻性极值在5.02～5.65，抗压强度在93～118 MPa，压入硬度在1390～1880 MPa，属于中硬地层。结合目前区块已使用钻头技术特征统计分析，综合推荐钻头采用5刀翼、Ф16 mm 复合片的特征设计。

2.1 钻头冠型设计

钻头的冠部剖面形状对破岩效率、钻头寿命和稳定性都具有直接影响，所钻地层页岩具有结构致密、塑性高、不易切削等特性，故选择“直线—圆弧—圆弧”为基本冠型剖面曲线（图3），采用深锥、双圆弧设计可以增强钻头的稳定性。

在图3 的坐标系中，直线—圆弧—圆弧剖面可以表示为[4]：

图3 冠型剖面曲线

剖面参数按式（2）计算：

式中 DP——冠部外径，mm

R0——冠部半径，mm

α——内锥半角，°

R1——内圆弧半径，mm

R2——外圆弧半径，mm

H2——外锥高度，mm

H1——内锥高度，mm

r02——外圆弧圆心径向坐标，mm

利用式（1）和式（2），定钻头冠部外径Dp取204 mm，冠顶半径R0取63 mm、内锥半角α（取67°）、内圆弧半径R1（取35 mm）、外圆弧半径R2（取65 mm），确定出具体的冠部剖面形状。

2.2 钻头布齿设计及受力分析

钻头冠型确定后，进行布齿设计，长刀翼心部采用Ф13 mm切削齿、主切削齿采用Ф16 mm、中等密度布齿、高攻击切削角度、防卡倒划眼、强化保径等个性化设计特征。

布齿完成后，为了减小钻头的横向力和轴心偏移量，保持钻头切削稳定性，达到力平衡设计的目的，需要对切削齿的受力状态进行优化分析。岩石对每个切削齿的作用力都可以用三维矢量表示，对所有切削齿的力矢量进行求和，得到钻头的载荷矢量（图4）。

图4 切削齿受力分析

所有切削齿的合力也是岩石对钻头的反作用力，可以用4个分量进行表示：沿钻头轴线方向的轴向力FN，垂直于且通过钻头轴线的径向力FR，矢量方向平行于钻头轴线的扭矩MT，矢量方向垂直于钻头轴线的侧弯矩MB。

钻头载荷的计算式为[5]：

根据上述数学模型，利用专业软件进行PDC 钻头切削齿受力计算分析，切削体积呈正态分布，优化后不平衡度8.6%在设计允许范围之内（图5、图6）。钻头各切削齿受力合理，布齿科学。

图5 切削齿受力分析

图6 钻头力平衡度分析

2.3 钻头水力设计

钻头水力结构形式主要包含喷嘴尺才、形状、安放位置、倾角以及流道形状和布置等[6]，通过优化水力结构设计，使钻头井底流场分布达到最优的清岩和冷却效果。PDC 钻头内外环空流场可视为稳定的不可压缩湍流流场，钻头表面和井壁按固壁无滑移边界条件处理，排量取30 L/s，泥浆密度1.95 g/cm3，按假塑流体处理[7]，稠度系数取0.22，幂律指数取0.69，喷嘴布置数据见表2。利用CFD 技术进行井底流场数值模拟仿真分析，结果见图7、图8。

图7 速度分布

图8 流速矢量

表2 钻头喷嘴布置数据表

通过对井底流场流速分布图及速度矢量图进行分析，整个钻头井底流场无明显低速区和回流区，水力分布较合理，利于岩屑的运移和井底清洗，有效减少钻头泥包风险。

3 现场应用

该只钻头2 次入井累计进尺2005 m，累计纯钻186.5 h，平均机械钻速10.7 m/h。与同平台井相比机械钻速提高32.4%，使用效果得到了施工方的高度认可。

4 结论

建立长宁—威远区块页岩地层可钻性剖面，获得了目标地层可钻性极值等岩石参数，为钻头设计提供了理论技术支撑。针对四川长宁—威远区块页岩特性，从PDC 钻头的冠型、布齿、水力等方面开展了理论研究和个性化设计。通过现场应用，单只钻头累计进尺2005 m，平均机械钻速同比提高32.4%，验证了钻头设计的合理性，破岩效率进一步提升，为页岩气规模效益开发提供了强有力支撑。