硬地層PDC鉆頭切削齒尺寸及后傾角優(yōu)化設(shè)計

硬地層PDC鉆頭切削齒尺寸及后傾角優(yōu)化設(shè)計芻S德永;曹繼飛;袁軍;諶湛;于鵬【摘要】PDCbit,arock-breakingtool,hasbeenwidelyusedintheoildrillingindustry.Whileitsresultinhardformationisnotgood,thedrillingefficiencyislowandtheworkinglifeisshort.PDCcuttersizeandbackrakearetheveryimportantdesignparametersaffectingtheperformanceofPDCbit.ConsideringthecutterdesignofPDCbitinhardformationandusingthecuttingdepthastheindextoreflectthecuttingefficiency,theeffectsofPDCcuttersizeandbackrakeontheROPofPDCbitwereinvestigatedthroughthemicro-bitdrillingexperiment.TheresultsshowedthatinhardformationwithdrillabilityhigherthanVIlevel,thelargerthecuttingteethsize,thelowerrock-breakingefficiency.IntherockwithdrillabilityinV-VD,thePDCbitdesignedwith13.44mmcutterhasthebestcuttingefficiencyandthebestbackrakeis15°.%PDC鉆頭是目前石油鉆井中使用較為廣泛的一種破巖工具,但其在硬地層中的使用效果不佳,鉆進(jìn)效率低,使用壽命短.PDC鉆頭的切削齒尺寸、后傾角等是影響其鉆進(jìn)性能的重要參數(shù)，通過室內(nèi)微鉆頭試驗，綜合考慮硬地層PDC鉆頭布齒設(shè)計中切削齒的重疊和覆蓋情況，以相同鉆壓下微鉆頭在巖樣表面旋轉(zhuǎn)一周的切削深度作為評價其破巖效率的指標(biāo)，分析了切削齒尺寸、后傾角等對硬地層PDC鉆頭破巖效率的影響結(jié)果表明在鉆進(jìn)可鉆性超過V級的硬地層時，切削齒尺寸越大，其破巖效率越低；鉆進(jìn)可鉆性為V—V級的硬地層時,(o)13.44mm切削齒的破巖效率最高，其最佳后傾角為15°.【期刊名稱】《石油鉆探技術(shù)》【年（卷），期】2011（039）006【總頁數(shù)】4頁（P91-94）【關(guān)鍵詞】硬地層；PDC鉆頭;切削齒尺寸;后傾角;破巖效率【作者】芻S德永漕繼飛;袁軍;諶湛;于鵬【作者單位】中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院,山東青島266555;中國石化勝利石油管理局鉆井工藝研究院仙東東營257017;中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院仙東青島266555;中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院仙東青島266555;中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院,山東青島266555【正文語種】中文【中圖分類】TE921+.1PDC鉆頭具有切削破巖效率高、壽命長、鉆井故障少等優(yōu)點，在石油鉆井中應(yīng)用越來越廣泛。目前，PDC鉆頭主要用于鉆進(jìn)可鉆性VI級以下的均質(zhì)地層。為了將PDC鉆頭的應(yīng)用范圍拓寬到更硬的地層，國內(nèi)夕卜研究人員加快了研究適合硬地層PDC鉆頭的步伐，并取得了一定進(jìn)展［1-5］。現(xiàn)場鉆井實踐表明，PDC鉆頭在鉆進(jìn)可鉆性V級以上地層時，破巖效率較低。如川東北地區(qū)的海相碳酸鹽巖地層，巖石可鉆性級值6.08-7.42，最高可達(dá)7.95,現(xiàn)場多采用PDC鉆頭配合螺桿進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，平均機械鉆速僅約2m/h。要提高PDC鉆頭在硬地層中的破巖效率，除研制新型PDC復(fù)合片外，鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計也非常關(guān)鍵。切削齒尺寸、后傾角等是PDC鉆頭設(shè)計的重要參數(shù)，直接影響PDC鉆頭的破巖效率。但在目前的硬地層PDC鉆頭設(shè)計中，由于缺乏足夠的理論依據(jù)，切削齒尺寸、后傾角等的設(shè)計多憑經(jīng)驗，PDC鉆頭的設(shè)計存在很大不確定性，無法滿足個性化鉆頭設(shè)計的要求［6-9］。為此，筆者通過室內(nèi)微鉆頭切削試驗，分析了PDC切削齒尺寸和后傾角等對切削破巖效率的影響規(guī)律，確定了適合可鉆性為VI—VD級地層的最優(yōu)切削齒尺寸和后傾角，為PDC鉆頭的個性化設(shè)計提供了理論依據(jù)。1.1微鉆頭設(shè)計試驗鉆頭設(shè)計為PDC單齒鉆頭，如圖1所示。其中，切削齒旋轉(zhuǎn)半徑為20mm,切削齒尺寸為常用的中13.44,中16.10和中19.05mm系列，切削齒后傾角設(shè)計為5°、10°、15°、20°和25°等5種。1.2巖樣選取選取石灰?guī)r、白云巖和大理巖作為試驗巖樣，其可鉆性級值分別為6.13,6.64和7.30。1.3試驗裝置試驗在中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程實驗室的微型鉆機上進(jìn)行，試驗裝置如圖2所示。試驗裝置由加壓機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、巖樣夾持機構(gòu)和測量部分組成。1.4試驗方案試驗時，將巖樣夾在巖樣夾持器上，控制啟動開關(guān)，使微鉆頭在巖樣表面旋轉(zhuǎn)一周，通過測量部分測定不同鉆壓下微鉆頭在巖樣表面的切削深度，分析在硬地層中切削齒尺寸、后傾角等參數(shù)對PDC鉆頭破巖效率的影響規(guī)律。鉆進(jìn)試驗中，用微鉆頭分別鉆進(jìn)3種巖樣，每次試驗重復(fù)4~5次，取平均切削深度作為衡量破巖效率的指標(biāo)，轉(zhuǎn)速固定為55r/min，鉆壓分別為200,400,600和800N。2.1切削齒尺寸對破巖效率的影響規(guī)律圖3為不同尺寸切削齒在3種巖樣中的切削深度曲線。從圖3可以看出，切削齒尺寸對PDC鉆頭的破巖效率有較大影響:鉆進(jìn)可鉆性級值6.13的巖樣時，中16.10和中13.44mm切削齒微鉆頭的每轉(zhuǎn)切削深度較大，且兩者相差不大，中19.05mm切削齒微鉆頭的切削深度較小；鉆進(jìn)可鉆性級值6.64和7.30的巖樣時，中13.44mm切削齒微鉆頭的每轉(zhuǎn)切削深度最大，其次是中16.10mm切削齒微鉆頭。分析可知，巖石可鉆性級值越低，抗鉆阻力越小，在相同鉆壓下，切削齒比較容易吃入地層，切削深度較大，故較大尺寸的切削齒可以獲得較高的破巖效率；巖石可鉆性級值越高，抗鉆阻力越大，切削齒尺寸越大，其吃入越困難，破巖效率越低。由此可知，鉆進(jìn)可鉆性VI—VD級地層時，PDC鉆頭選用中13.44mm切削齒，可以獲得較高的破巖效率。另外，從提高破巖效率的方面考慮，巖石可鉆性級值越大，PDC鉆頭選用切削齒的直徑應(yīng)越小。2.2切削齒后傾角對破巖效率的影響規(guī)律從以上的分析中可以看出，在鉆進(jìn)可鉆性VI—VD級地層時，選用中13.44mm切削齒可以獲得較高的破巖效率。下面著重分析不同巖樣中中13.44mm切削齒的后傾角對破巖效率的影響規(guī)律。圖4為不同后傾角中13.44mm切削齒在不同可鉆性級值巖樣中的切削深度曲線。從圖4可以看出，切削齒的后傾角對PDC鉆頭的破巖效率有顯著的影響，且該影響與巖石性質(zhì)有關(guān)：鉆進(jìn)可鉆性級值6.13,6.64和7.30的巖樣時，后傾角15°的中13.44mm切削齒的每轉(zhuǎn)切削深度最大，破巖效率最高；隨著巖石可鉆性級值的變大，增大后傾角能獲得較高的切削破巖效率。另外，從切削齒的受力情況看，中13.44mm切削齒在鉆進(jìn)可鉆性級值6.13,6.64和7.30的巖樣時，要達(dá)到相同的切削深度，后傾角為15°時切削齒受力最小，所需的鉆壓最??；其他后傾角的切削齒需較大的鉆壓，受力也較大，這就容易引起切削齒的加速磨損和沖擊損壞，進(jìn)而影響鉆頭的穩(wěn)定性和使用壽命［10-12］。1） 在巖石可鉆性超過V級后，PDC鉆頭切削齒的尺寸越大，其破巖效率越低。2） 切削齒尺寸對PDC鉆頭的破巖效率有較為顯著的影響。在PDC鉆頭的設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)所鉆地層的可鉆性，選擇合適尺寸的切削齒。鉆進(jìn)可鉆性VI—VD級的硬地層時，應(yīng)選用中13.44mm切削齒。切削齒的后傾角對PDC鉆頭的破巖效率有明顯的影響，且與地層性質(zhì)有關(guān)。鉆進(jìn)可鉆性VI—VD級的地層時，切削齒的最佳后傾角為15°。水泥漿的重力沉降會造成水泥漿與鉆井液的置換和混合，從而導(dǎo)致水泥塞的位置發(fā)生變化并影響水泥塞的質(zhì)量。為此，BJ公司研制了一種傘形打水泥塞固井工具。該工具由2個傘形的支撐弓組成，在井眼內(nèi)可以形成相反方向的擴張支撐，從而防止水泥漿的沉降，將水泥漿定位凝固的成功率提高到50%以上。該工具適用于中152.4~中508.0mm套管或裸眼。在打水泥塞作業(yè)時，先將該工具通過鉆柱下至設(shè)計井深，通過送入工具的上部循環(huán)孑L建立循環(huán)；從井口投入憋壓球通過憋壓關(guān)閉上部循環(huán)孔，并將該工具的傘形支撐弓推出支撐到井壁上，然后通過送入工具的下部循環(huán)孔實現(xiàn)精確打水泥塞作業(yè)。【相關(guān)文獻(xiàn)】SinorLA,PowersJR,WarrenTM.TheeffectofPDCcutterdensity,backrake,size,andspeedonperformance[R].IADC/SPE39306,1998.鄒德永，梁爾國.硬地層PDC鉆頭設(shè)計的探討[J].石油機械,2004,32(9):28-31.ZouDeyong,LiangErguo.DesignofPDCbitforhardformation[J].ChinaPetroleumMachinery,2004,32(9):28-31.鄒德永.新型PDC鉆頭切削齒的發(fā)展[J].石油鉆探技術(shù),2003,31(3):4-6.ZouDeyong.ThedevelopmentofnewPDCcuttingelements[J].PetroleumDrillingTechniques,2003,31(3):4-6.孫明光漲云聯(lián).新型PDC鉆頭設(shè)計[J].石油鉆采工藝,2000,22(2):31-34.SunMingguang,ZhangYunlian.NewPDCbitdesigntooptimizeitsperformanceinmulti-interededformation[J].OilDrilling&ProductionTechnology,2000,22(2):31-34.薄和秋,蘇錦正，海羅?史萊斯塔?濟(jì)陽坳陷深部t地層PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)2011,39(3):57-61.BoHeqiu,SueJinzheng,SreshtaH.OptimizationandappliactionofPDCbitsinJiyangdeepdepressionformation[J].PetroleumDrillingTechniques,2011,39(3):57-61.RafatianN,MiskaSZ,LedgerwoodLW,etal.ExperimentalstudyofMSEofasinglePDCcutterundersimulatedpressurizedconditions[R].SPE/IADC119302,2010.HarelandG,YanW,NygaardR,etal.CuttingefficiencyofasinglePDCcutteronhardrock[J].JournalofCanadianPetroleumTechnology,2009,48(6):60-65.ClaytonR,ChenShilin,LefortG.Newbitdesign,cuttertechnologyextendPDCapplicationtohardrockdrilling[R].SPE/IADC91840,2005.許杰，安文忠,徐榮強.PDC鉆頭鉆復(fù)合土地層技術(shù)在旅大油田的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)2008,36(1):76-79.XuJie,AnWenzhong,XuRongqiang.ApplicationofPDCbitsincomplexformationsofLvdaOilfield[J].PetroleumDrillingTechniques,2008,36(1):76-79.鄒德永，蔡環(huán).布齒參數(shù)對PDC鉆頭破巖效率影響的試驗[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版2009,33(5):76-79.ZouDeyong,CaiHuan.ExperimentoneffectofcutterparametersofPDCbitonrateofpenetration[J].JournalofChinaUniversityofPetroleum:EditionofNaturalScience,2009,33(5):76-79.馬清明，王瑞和.PDC切削齒破巖受力的試驗研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報啟然科學(xué)版2006,30(2):45-47.MaQingming,WangRuihe.ExperimentalstudyonforceofPDCcutterb