冀东油田深部难钻地层PDC钻头优化设计

徐小峰，李云峰，王昶皓，李士斌，宋 巍，周 岩，陈春来

1中国石油冀东油田钻采工艺研究院 2东北石油大学

0 引言

冀东油田深部沙河街组地层岩性复杂[1]，具有硬度高、研磨性强。极不均质等特点，导致钻头吃入地层困难[2-3]。前期使用5刀翼PDC钻头，冠部剖面形状为直线—圆弧形，复合片数量为27片，通过不断提高其攻击性，复合片切削角度由21°降为19°再降为17°，但提速效果仍不明显。钻头配备7个14 mm的等直径喷嘴，中心和外围喷嘴直射点漫流速度相近，没有一定的速度梯度，不利于主刀翼切削的岩屑运移到钻头外环空。钻进过程中，该钻头的平均机械钻速仅为2.86 m/h，严重影响产能建设进程[4]，因此，急需针对现有PDC钻头攻击性不足、岩屑运移能力差等缺点，进一步对切削齿后倾角和喷嘴组合进行优化。

冀东油田深部沙河街组地层软硬交错，含砾砂泥岩互层，现有的PDC钻头在施工过程中易产生剧烈的横纵向冲击及严重的黏滑现象，从而造成钻头先期破坏，解决的关键在于深入了解地层抗钻特性，设计与地层相匹配的高效钻头。谢翠丽等[5]采用Ø13 mm小型切削齿，在刀翼上添加了人造热稳定的聚晶金刚石块作为辅助切削元件，在胜利油田软硬交错地层中取到了良好的应用效果。周剑等[6]根据四川长宁页岩气区块地层岩性变化复杂、硬度高、研磨性强、可钻性差等特点，设计了弧线型5刀翼PDC钻头，通过优化后倾角，提高了钻头的冲击性，三长两短刀翼设计，保证钻头稳定性，后排采用PowerPick齿，防止钻头在钻遇夹层时受到冲击破坏，保障钻头进尺。

本文从分析沙河街组地层岩石的矿物组分、硬度及塑性系数、PDC钻头可钻性等方面入手，获得地层的抗钻特性，然后分析钻头与地层之间的相互作用力，提出适用于深部复杂岩性地层的钻头优化方案。

1 岩石矿物组分与抗钻特性测试

1.1 岩心信息

测试所用岩心取自冀东油田高尚堡地区G23-39井和G23-74井的深部沙河街组地层，取心井段深度分布在3 800 m～4 300 m之间，岩心覆盖性较全面，部分岩心信息见表1所示。

1.2 岩石矿物组分分析

采用X射线衍射分析技术(XRD)定量测试上述岩心的矿物组分，矿物组分及含量如图1所示。

表1 部分岩心信息表

图1 岩石矿物分组分析结果

冀东油田深部沙河街组岩石主要造岩矿物分布广泛，其中石英、斜长石、白云石含量较多，部分岩石含有大量黏土。脆性矿物和黏土交替分布导致地层软硬交错，由于PDC钻头的冠部轮廓结构形状，不同部位的切削齿接触地层的硬度不一样而导致受力不均，造成蹩钻、跳钻现象甚至发生钻头先期损坏[7]。同时，石英等造岩矿物具有硬度高，性质脆等特点，矿物颗粒本身难以被钻头破碎，当井底不能及时清洁岩屑时破碎的颗粒将对钻头产生严重的磨损[8]。

1.3 岩石抗钻特性分析

1.3.1 岩石硬度与塑性系数测试

采用史力涅尔压入法测试岩石的硬度与塑性系数，部分实验结果见表2。实验过程中存在压头崩齿的现象，如图2所示，这说明岩石内硬质矿物含量高，局部压入硬度过大，导致硬质合金压头不能压入岩石而发生损坏。

表2 硬度及塑性系数测试结果表

图2 新压头与崩齿压头对比

1.3.2 岩石可钻性测试

参照中华人民共和国石油天然气行业标准：《石油天然气钻井工程岩石可钻性测定与分级》(SY/T5426—2016)对岩石样品进行可钻性测试，部分测试结果如表3所示。

表3 岩石可钻性测试结果

1.3.3 测试结果分析

冀东油田深部沙河街组地层的矿物组分、硬度与塑性系数、可钻性测试结果均存在严重的离散性，说明该地层的岩性复杂，岩石具有很强的非均质性和各向异性。

表2中岩石的硬度分布在868～2 069 MPa之间，普遍表现为中软-中硬，部分岩石硬度达7级。岩石的塑性系数在2左右，表现出较强的脆性，实验时直接发生了脆性断裂。由表3可见，岩石的可钻性级值主要分布在6～10级，整体属于难钻地层，并伴随着软硬交错，个别岩心出现打滑现象。岩石硬度高，低钻压切削齿不能有效吃入地层，使岩石难以产生大体积剪切破碎，而只能以表面破碎或疲劳破碎方式破岩，导致破岩效率极低，这是影响机械钻速的主要原因[9-11]。此外，黏土矿物在钻井液的作用下水化膨胀具有强黏性，在岩屑的黏附和机械“镶嵌”共同作用下引起PDC钻头泥包现象[12]。

因此，优化切削齿后倾角和喷嘴组合，是提高PDC钻头的攻击性和岩屑移运能力的关键[13]。

2 PDC钻头破碎岩石力学分析

2.1 PDC单齿复合片受力分析

假设通过钻头刚体作用于单个PDC切削齿的轴向载荷和水平载荷分别为FPN和FPS，其理论模型如图3所示[14]。提取被切岩石的单元体及其对称面，如图4所示。

图3 复合片的切削过程

图4 岩体受力分析

井底压差作用在自由表面ABEF上，其表面积为SP1；岩石剪切面ABCD的面积为SP2，剪切破坏角为θ。剪切面上受到正应力σn和剪应力τ作用：

(1)

(2)

按照摩尔-库伦准则，可解得切削齿工作面与刃前岩石作用力为：

(3)

式中：b—应力分布系数，无量纲；θ—剪切破坏角，(°)；α—切削齿的后倾角，(°)；β—切削齿与接触面CDFE间的摩擦角，(°)；d—复合片吃入地层深度，m；c—岩石的内聚力，MPa；φ—岩石的内摩擦角，(°)；ph—井筒压力与地层压力之差，MPa。

2.2 复合片后倾角对切削力的影响

通过求解公式(3)，可分析后倾角从5°到30°变化时切削齿所受到的轴向力和侧向力。

如图5所示，后倾角增大，轴向力先增大后平稳，侧向力则出现了一个明显的拐点。当后倾角为18°时侧向力达到最大值，而轴向力最大值出现在后倾角25°时，但此时侧向力已经有显著降低趋势。由此可见，钻头切削齿后倾角在15°～20°时，在齿刃及切削面上产生较大的应力集中，使切削齿更容易切入地层，有利于发挥切削齿剪切破岩的优势，提高破岩效率。

图5 切削齿受力与后倾角的关系

3 冀东油田深部难钻地层钻头优化

3.1 钻头切削齿后倾角优化

建立PDC单齿切削仿真模型[15]，选取5°、10°、15°、20°四个不同后倾角分析切削齿破岩效果，如图6所示，优选适合该地层的破岩后倾角。

图6 不同切削齿后倾角地层应力云图

当切削齿后倾角为5°时，最大应力集中于切削齿前端小范围地层内，随着倾角的增大，其应力及应力作用范围也随之增大；当切削齿后倾角为15°时，切削齿作用在岩层内的侧应力以及产生应力区域的范围都达到最大；继续增大后倾角到20°时，其应力作用范围有明显减小。因此，可确定后倾角为15°时产生的破岩效果较佳。

3.2 钻头喷嘴优化

为优化钻头喷嘴尺寸，解决钻头泥包现象，设置两组不同喷嘴组合钻头进行流场和压力场模拟，分析流体辅助破岩与井底清洁效果。喷嘴尺寸由中心到外围分别为：①2×Ø14 mm+5×Ø16 mm；②2×Ø16 mm+5×Ø14 mm，模拟结果如图7所示。

如图7(a)所示，两组喷嘴模拟射流速度分别为19.83 m/s和21.86 m/s。图7(b)所示，第一组喷嘴喷射出的流体在主刀翼上没有形成很好的覆盖，同时流体对钻头复合片有强烈的冲击作用，易引发应力集中现象，缩短钻头的使用寿命；第二组喷嘴在钻头底部形成由中心到井壁的漫流场，流体在刀翼和导流槽的覆盖面全，漫流推力清除井底岩屑和冷却钻头。图7(c)所示，第二组喷嘴喷出流体均匀作用在钻头表面，冲蚀的严重性较小，增大内部喷嘴尺寸具有很好的防冲蚀效果。

由此可见，中心喷嘴尺寸大于外围喷嘴能在井底形成温流场，产生更好的辅助破岩、保护钻头和清洁井底的效果。

图7 第一组、第二组钻头喷组组合模拟结果对比

为得到最优结果，选取喷嘴尺寸为：③2×Ø18 mm+5×Ø12 mm；④2×Ø17 mm+5×Ø13 mm；⑤1×Ø16 mm+1×Ø18 mm+5×Ø13 mm进一步进行模拟，结果如图8。

第二组到第五组的最大流速分别为21.86 m/s、23.96 m/s、23.20 m/s和23.21 m/s，其速度场差别不大。而流场覆盖面积来看，第四组和第五组均在钻头中心处产生了漩涡区[16]。漩涡区对流场及流体携带岩屑产生巨大的影响，岩屑在漩涡区会不断冲刷钻头，将降低钻头寿命；第三组喷嘴组合中，没有漩涡区产生，但在主刀翼的冠部没有流线通过，说明该位置不能得到钻井液很好的润滑。综合以上五组模拟结果，设计两个Ø16 mm中心喷嘴+5个Ø14 mm外围喷嘴更适合该地层钻井过程中的冷却、润滑及井底清洁。

图8 三组不同喷组尺寸组合下钻头流场及应力场分布云图

4 现场应用

优化后的钻头分别在高尚堡区块A井水平段试验两井次，B井水平段试验一井次，层位为沙河街组。A井第一次全新钻头入井，进尺731 m，纯钻时间为138.79 h，平均钻速为5.27 m/h，中途测试作业需要起钻；第二次全新钻头入井，累计进尺为458 m，纯钻时间为71.79 h，平均钻速达到6.38 m/h，钻达设计井深起钻。B井全新钻头，累计进尺为633 m，累计纯钻时间为134.51 h，平均钻速达到4.7 m/h，钻达设计井深起钻。

三井次现场试验中，累计进尺1 822 m，单只钻头平均进尺607 m，累计纯钻时间345.09 h，平均机械钻速5.45 m/h，比试验前钻头的平均机械钻速2.86 m/h提高了90.6%，如图9所示。此外，优化后的钻头还有助于降低钻压、减少钻头跳动等，提高钻头的稳定性和方向控制。

图9 试验钻头机械钻速及进尺统计

5 结论

(1)冀东油田深部沙河街组岩石主要造岩矿物以石英、斜长石、白云石等为主，具有硬度高，性质脆的特点；岩石软硬交错、中硬岩石多且非均质性较强，可钻性差，低钻压切削齿不能有效吃入地层，使岩石不能产生大体积剪切破碎。

(2)建立地层—PDC钻头系统力学模型，分析钻头切削齿的后倾角在15°～20°之间在齿刃及切削面上产生的应力集中较大。其中，后倾角15°时产生的破岩效果较佳。

(3)设置2个Ø16 mm的中心喷嘴+5个Ø14 mm的外围喷嘴，可有效实现PDC钻头在冀东油田深部地层钻进中的冷却、润滑及井底清洁。