高研磨性地层异形加长齿PDC钻头研发及应用.pdf

1高研磨性地层异形加长齿 PDC 钻头研发及应用*王希勇1 朱礼平1 胡大梁1 杨迎新2（1 中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院 四川 德阳 618000 2 西南石油大学机电工程学院 四川 成都 610500）摘要：从钻头齿形设计、布齿结构、复合片加工、钻头制造、检测等一系列关键技术出发，设计并制造了异形加长齿 PDC 钻头，通过现场应用表明，该新型钻头能突破高研磨、强非均质性地层PDC 钻头的应用禁区，在行程进尺和机械钻速方面，与国外优质钻头性能相当，具有较高地推广应用前景。关键词：陆相地层 异形加长齿 椭圆齿 高研磨性 复合片 四川地区须家河组地层埋藏深（3000m5000m），地层厚（5002000m），尤其是在川西地区，须家河组地层占据全井段三分之一以上，深井钻井提速的关键就在于须家河组地层的钻井提速。通过多年来的持续攻关研究，须家河组钻井提速有了较大进度，但提速效果不明显，分析原因主要在于：现有提速破岩工具在须家河组，尤其是须家河组三段及须家河组二段，不能完全适应工程地质的需要，没有专门针对这类地层的个性化钻头设计。据此，在常规 PDC 钻头设计理念基础上，提出了一种新型 PDC 钻头，并在川西须家河组三段应用取得突破。一、异形加长 PDC 齿设计、分析及检测技术 中石化西南油气田新场区块须家河组三段地层抗压强度高、研磨性强，具有较强非均质性。实钻过程中钻至该地层时钻井液密度已经达到 2.202.30g/cm3。常规 PDC钻头在这种恶劣条件下的应用效果很不理想。通过对部分已使用 PDC 钻头的布齿结构及磨损分析，提出了异形加长齿新技术。1.异形加长 PDC 齿轮廓设计 常规 PDC 钻头切削齿主要为圆形 PDC 齿，通过对常规圆形切削齿分析发现，将复合片加工成具有长轴和短轴的椭圆形 PDC 齿，其横向尺寸/纵向尺寸达到 0.650.70，且齿的有效工作长度增加了 45%，图 1 为常规圆形 PDC齿和椭圆形 PDC 齿轮廓线示意图。2.异形加长 PDC 齿的加工 由于复合片制造企业生产的 PDC 齿均为圆形齿，因此，异形加长 PDC 齿只能通过对大尺寸圆形复合片做二次加工获得。常规复合片直径大小一般为8mm、13mm、16mm、19mm 和27mm 等系列，根据川西新场区块须家河组三段地层特点，加工出了19mm 和13mm 两种异形加长齿复合片。图 2 为加工出的两种异形加长齿复合片示意图。3.异形加长 PDC 齿有限元分析 通过对异形加长 PDC 齿与常规圆形 PDC 的有限元对比分析，深入剖析了异形加长齿破岩机理。*国家科技重大专项课题“低渗气藏特殊复杂地层高效钻井关键技术”（2008ZX05022-005）“十一五”部分研究成果。王希勇，1974 年生，男，博士，高级工程师，1998 年毕业于西南石油大学石油工程专业；从事钻井技术研究和科研管理工作。地址:(618000)四川省德阳市龙泉山北路 298 号。电话:[phone]。E-mail: 图 1 圆形 PDC 齿和椭圆形 PDC 轮廓线图 2 加工出的两种异形加长齿复合片 2（1）切削齿直径对切削力的影响 切削齿直径变大时，所需钻压和扭矩增大。在相同工作条件下，小齿比大齿更容易切入岩石。这是因为小直径齿切削刃曲率高，能够在岩石的接触区域形成更高的接触应力，容易使岩石发生变形破坏。图 3 为不同直径复合片切削力变化示意图。（2）不同齿前角时 Mises 应力场分析 PDC 齿切削岩石时，在破碎岩石体积相同的条件下，齿上的应力越小越好，而同时岩石上的应力越大越好，这样对切削破岩最有利。通过对椭圆形 PDC 齿和圆形 PDC 齿 Mises 应力场的有限元分析，得出在不同齿前角时两种齿最大 Mises应力场数值，见表 1。表 1 切削齿最大 Mises 有效应力 齿形 齿前角 15 17.5 20 22.5 25 椭圆形 PDC 齿 1.174 1.39 1.265 2.002 1.137 圆形 PDC 齿 2.091 1.945 3.155 2.659 2.032 从表 1 中可以得知，在以齿前角从 1525切削岩石仿真时，两种齿形在切削仿真过程中 Mises有效应力峰值即最大 Mises 有效应力值的出现均具有随机性，这说明在切削过程中塑性岩石破碎对PDC 齿冲击致使 PDC 某个局部应力值瞬时达到最大。但从总体上看，齿前角在 1525范围内，椭圆形 PDC 齿最大 Mises 应力平均值为 139.36MPa，小于圆形 PDC 齿最大 Mises 应力平均值237.64MPa，降低幅度为 98.28MPa，相对于圆形 PDC 齿应力下降幅度为 41.36。换句话说，在切削等体积岩石时，椭圆形 PDC 齿局部最大应力要比圆形 PDC 齿小得多，椭圆形 PDC 齿所受疲劳应力要比圆形 PDC 齿小，寿命更长。（3）两种不同齿形破岩效率分析 分别计算出两种不同齿形在同一齿前角仿真过程中的破岩效率比，见表 2。表 2 椭圆形 PDC 齿与圆形 PDC 齿破岩效率比对比 齿形 破岩效率比 15 17.5 20 22.5 25 椭圆形 PDC 齿 0.6 0.51 0.56 0.35 0.62 圆形 PDC 齿 0.34 0.36 0.22 0.26 0.35 从表 2 中可以看出破岩效率比最高的是椭圆形 PDC 齿在齿前角为 25时的值。椭圆形 PDC 齿在同等破岩体积下，比圆形 PDC 齿破岩效率比普遍高出一倍，当然，这只是瞬时的破岩效率比值，这也说明当量圆 PDC 齿在同等切削条件下出现破坏的几率较高。（4）两种 PDC 齿破岩切削试验 对两种 PDC 齿的切向、轴向和径向三种切削载荷与齿前角的变化进行了分析。1）随着 PDC 齿前角的增大，切削过程中 Mises 等效应力先增大后减小，而开始破坏岩石时所需要的切削力先减小后增大的情况。2）随着切削深度增大，切削过程中切削力、摩阻应力以及 PDC 齿上接触压力都逐渐增大。3）小直径齿具有比大直径齿更高的切削刃曲率，能够在岩石的接触区域形成更高的接触应力，所以小直径齿的压入作用下更容易使岩石发生变形破坏。换言之，在工作载荷相同的条件下，小齿比大齿更容易切入岩石。4.异形加长 PDC 齿焊接检测 圆形 PDC 齿的侧面（焊接面）是圆柱面，在焊接过程中可以旋转，易于排除焊料中的杂质和气泡等对焊接质量不利的物质。椭圆形 PDC 齿焊接侧面是普通柱面，无法旋转，因此焊接的难度相对较大。要保证焊接质量，必须对异形复合片的焊接技术做专门研究。开展了异形复合片焊接实验，完成了 5 枚异形切削齿焊接，与此同时，按传统工艺圆形复合片的焊接工艺，在胎体试件上焊接了5 枚用于对比实验的圆形切削齿。由于焊接牢固度检测实验需要在材料实验机上用待测试件作抗剪050010001500200025003000350040000.0027 0.0032 0.0037 0.0042 0.0047 0.0052切削时间（s）切削力（N）8.00mm齿13.44mm齿19.05mm齿图 3 不同直径时切削力的变化 3切实验。因此需要设计、加工夹持试件的特殊夹具，开展了横向检测和纵向检测两种实验，实验结果表明：所采用的异形复合片加工、焊接牢固度良好，与圆形复合片基本相当。二、异形加长齿 PDC 钻头设计制造技术 1.异形加长齿 PDC 钻头设计 常规 PDC 钻头布齿通常采用圆形齿布齿方式。对异形加长齿 PDC 钻头布齿方式，有两种方式可以考虑，一是椭圆形 PDC 齿单一布齿方法，二是圆形 PDC 齿与椭圆形 PDC 齿混合布齿方式。首轮试验钻头采用混合布齿方式，有望在保证钻头使用寿命的同时着重提高钻头攻击性。布齿设计分解如图 4 所示。（a）（b）（c）（a）由 16mm、13mm 圆形齿构成的主切削结构；（b）由异形加长齿构成的主切削结构；（c）由 13mm 圆形齿构成的后备切削结构。图 4 第一轮试验钻头（241.3mm）布齿设计分解示意图 该钻头的主要技术特征见表 3。表 3 异形加长齿 PDC 钻头主要特征 项目 主要特征 项目 主要特征 切削结构 异性加长齿+圆形齿混合布齿冠部轮廓形状 中长双锥形 异形齿形状及尺寸 1913 椭圆齿 长轴 19mm短轴 13mm 喷嘴类型及数量 可更换式喷嘴，6 个 PDC 齿数量 异性加长齿 15 枚 16mmPDC 齿 25 枚 13mmPDC 齿 20 枚 主要设计特征 主刀翼采用后置齿 深内锥设计 横向力平衡设计 刀翼形状及结构 圆弧形 6 刀翼 3 主+3 副 保径长度 10mm 在上述特征中，最突出的是异形加长 PDC 齿技术的采用。在 3 个主刀翼上，各使用了 3 枚异形加长 PDC 齿；而在 3 个副刀翼上，各使用了 2 枚异形加长 PDC 齿。15 枚异形加长齿所构成的切削结构布置在钻头最易磨损的部位，即锥顶至外锥部位，旨在最有效地发挥异形加长齿可磨损长度大的优势。异形加长齿与常规圆形齿相组合，构成了新型钻头的主切削结构。为了增强钻头在致密地层的吃入能力，除了充分利用异形加长齿吃入能力强的优势外，还在主切削结构的设计中采用了钻头外部布置大直径齿，中心部位布置小直径齿的布齿方案。为了进一步增强钻头在高研磨性地层的工作寿命，在钻头的主刀翼上采用了后备切削结构，及后置齿结构。后置齿总数 12 枚。2.异形加长齿 PDC 结构制造 第一轮241.3mm 异形加长齿 PDC 钻头采用胎体式结构和制造方法。钻头型号定为：241.3mmT506-XC-1。由于该钻头是国内第一次采用异形加长齿技术开发的新型 PDC 钻头，故在钻头制造过程中面临很多新的问题。这些问题主要包括：异形加长 PDC 复合片的加工；与异形加长 PDC 复合片相适应的特殊模具制造；与异形加长 PDC 复合片相适应的石墨替代块的加工；异形加长 PDC 复合片的焊接。在241.3mm 试验钻头正式加工之前，针对上述问题进行了深入细致的实验研究，特别是对异形加长 PDC 复合片焊接质量进行了检验，以杜绝钻头使用过程中出现因焊接质量不良而导致的掉齿现象。图 5 是该钻头的实物照片。4 图 5 241.3mmT506-XC-1 试验钻头实物照片 三、现场应用及效果分析 1.现场应情况 该试验钻头型号241.3mm T506-XC-1，其 IADC 代码为 M223，选取中石化西南油气田川西具有典型代表的新 501 井须家河组三段作为试验井段，该段地层主要为泥页岩、砂岩为主，可钻性差。实际钻遇井段 40654149.14m，进尺 84.14m，纯钻时间 53.59h，平均机械钻速 1.57m/h，起出钻头新度约 80%，磨损分级为 0-2-WT-A-X-I-BT-PR。2.分析评价（1）试验总体评价 根据对新场地区已完钻井的统计，20062007 年须家河组三段常规钻头平均进尺为 78.24m，平均使用时间 93.14h，平均机械钻速 0.84m/h；而新 501 井应用 T506 钻头机械钻速达到 1.57m/h，与该地区平均水平相比，提高了 86.9%，如图 6 所示；实现了须家河组三段钻井提速的新突破，最为值得肯定的一点是：该钻头的成功应用，突破了川西高研磨性、非均质地层 PDC 钻头的应用禁区。78.2484.1493.1453.590.841.570204060801002006-2007平均新50100.30.60.91.21.51.8进尺,m纯钻时间,h平均钻速,m/h 图 6 试验钻头提速指标与该区域平均效果对比（2）钻速分析 在起始段，钻压小、转速低，所以钻速较慢（低于 1m/h）。正常钻进开始后，钻压、转速分别调至 90kN、7080rpm，钻速明显加快，在钻至井深为 4130m 以前，机械钻速达到 3m/h 左右。4130m以后，钻速开始下降。起钻时每米钻时已达 100min。钻速下降的原因主要有两方面：切削齿已发生一定程度的磨损以及地层条件变差。（3）钻井参数分析 除磨合阶段以外，工作钻压基本维持在 75120kN 的范围，平均钻压约为 100kN。100kN 的钻压对新钻头是合适的，但当切削齿发生磨损后，尽管磨损量不大，钻头却已明显变钝，攻击性下降，此时应适量增加钻压（可增至 140160kN）。转速情况基本与设计一致，但如果要增加钻压，转速还应进一步降低。（4）钻头磨损分析 切削齿的总体磨损状态轻微。除了两颗非正常破损的齿以外，其它齿的磨损高度均不高于 2mm，5且多数低于 1mm。1）除 1 颗为非正常破损以外，其它 14 颗异形齿（椭圆齿）的磨损状态正常，磨损区域合理，磨损量不大（磨损高度小于 2mm）。2）1 号刀翼鼻部两颗齿发生断裂。其中 1 颗为16mm 圆形齿，1 颗为椭圆齿。这是钻头上损坏最严重的两颗切削齿，且破损形式与其它切削齿完全不同。3）所有后排齿完好如新。两颗断裂齿后的后排齿，也未发生磨损。4）除了 1 颗发生折断的异形齿以外，其它异形 PDC 齿磨损状态轻微，磨损方式正常。说明异形 PDC 齿综合性能优良，同时也表明该钻头上的异形齿还存在很大的工作潜力。5）除了 1 颗发生折断的齿以外，其它常规圆形 PDC 齿磨损状态轻微，磨损方式正常。（5）断齿原因分析 折断的两颗齿是 1 号刀翼的第 7、8 颗。第 7 颗为异形齿，第 8 颗为直径16mm 的圆形齿。同一刀翼外锥部的两颗相邻齿均发生断裂，说明不是由于切削齿的内在质量缺陷，而是来自外部工作条件的原因。结合现场的实际情况，在起钻前数小时曾经出现卡钻现象，卡钻系由井壁掉块引起（掉块最大直径约20mm）。因此可以得出 PDC 齿异常断裂的原因：异常蹩卡条件下引起局部过载失效的非正常破坏。四、认识及建议 1.通过对 PDC 齿轮廓形状、布齿方式和破岩仿真分析，优化设计出了吃入能力强、破岩效率高的异形加长 PDC 齿椭圆齿。2.具有长轴和短轴的椭圆形加长 PDC 齿，其长轴提高钻头攻击性，短轴延长工作寿命，椭圆齿与常规圆形齿混合布齿能提高钻头在高研磨性地层的吃入能力。3.通过对加长复合片制造、异形片穴槽成型、胎体样件烧结、异形复合片焊接及其牢固度检测等工艺的突破，形成整套异形齿 PDC 钻头制造技术。4.异形加长齿 PDC 钻头突破了高研磨、非均质性地层 PDC 钻头的使用禁区，与常规 PDC 钻头相比，提速效果显著，行程进尺较高。5.试验表明钻头切削齿未见明显的热磨损现象，切削齿冷却条件良好，钻头水力结构设计合理。6.分析钻头切削齿断落，发现主刀翼上有两个切削齿脱落，一个为椭圆形齿，另一个为圆形齿，主要为冲击性破坏造成牙齿崩落，今后应进一步加强钻头切削齿抗冲击能力的研究。五、参考文献 1朱澄清,杨迎新,廖忠会等.川西须家河深层岩石力学性质及可钻性研究J.钻采工艺,2010,33(5):2931,38 2蒋祖军,肖国益,李群生.川西深井提高钻井速度配套技术J.钻采工艺,2010,38(4):3034 3夏家祥.川西深井提速的实践与认识J.钻采工艺,2009,32(6):14 4王希勇,朱礼平,李群生等.川西新场气田深井钻井配套技术及其应用J.天然气工业,2009,29(3):6567 5邹德永.刀翼式 PDC 钻头结构及布齿优化设计研究D石油大学.2000 6石祥超,孟英峰,李皋.加载速度对单齿压入破岩过程的影响J.钻采工艺,2010,38(4):1921