俄羅斯西西伯利亞定向井PDC鉆頭的開發(fā)

前言
　　西西伯利亞市場目前是俄羅斯的主要油區(qū)。該市場基本全部使用PDC鉆頭。西西伯利亞梅格奧區(qū)域主要在白堊系下部和侏羅系上部，地層巖性以砂泥巖為主，實(shí)際井眼長度為2800～3500米。
　　該區(qū)塊定向井鉆井中使用PDC鉆頭時(shí)主要表現(xiàn)出如下缺陷：1）鉆頭在定向鉆井中工具面不穩(wěn)定，需要頻繁調(diào)整，大大延長了鉆井時(shí)間；2）鉆頭復(fù)合片在鉆遇夾層時(shí)易出現(xiàn)斷裂、崩齒和脫層等，導(dǎo)致鉆頭過早失效；3）鉆頭易泥包，不能有效鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速低；4）鉆頭保徑部分磨損導(dǎo)致井眼縮徑，造成鉆頭提前報(bào)廢。5）由于鉆頭經(jīng)常短起下，鉆頭保徑斜面易磨損，導(dǎo)致保徑失效以致鉆頭提前失效。由于PDC鉆頭是以剪切方式破碎巖石的，對不同地層應(yīng)采用不同的冠部剖面和布齒方式，因此必須對在該區(qū)塊定向井中使用的PDC鉆頭進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)制造。
　　1、 定向井PDC鉆頭設(shè)計(jì)
　　1.1 冠部輪廓設(shè)計(jì)
　　針對俄羅斯西西伯利亞的地層較軟，機(jī)械鉆速要求要快的特點(diǎn)，采用等磨損和等切削原則相結(jié)合的方法進(jìn)行冠部輪廓設(shè)計(jì)[5]，在擬合三種基本輪廓理論曲線方程的基礎(chǔ)上，類比使用鉆頭，再結(jié)合鉆頭設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定出鉆頭冠部輪廓形狀：中等深度內(nèi)錐、雙圓弧冠部輪廓和較短的外錐長度。
　　1.2 布齒設(shè)計(jì)
　　鉆頭切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括切削齒的大小尺寸、切削角度、布齒密度和布齒方法等。考慮到常規(guī)PDC鉆頭損壞的主要特征是掉片、崩片、剝蝕脫層和過度磨損等，由于小直徑的復(fù)合片具有良好的抗沖擊性，其可以適應(yīng)俄羅斯西西伯利亞的復(fù)雜地層情況。因而設(shè)計(jì)選擇了主切削齒采用13mm的復(fù)合片，以適應(yīng)復(fù)雜的地層情況（軟至中，有硬夾層）。
　　采用中等布齒密度。采用6刀翼設(shè)計(jì)，以使其具有更好的導(dǎo)向性，同時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。采用寬刀翼設(shè)計(jì)，以保證內(nèi)錐與井底接觸面積大，以保證鉆頭可控性良好。同時(shí)，采用非對稱刀翼，以減少工作振動和回旋的自激，消除振動和回旋的再現(xiàn)，以提高鉆頭的穩(wěn)定性。
　　1.3 水力設(shè)計(jì)
　　本鉆頭水力設(shè)計(jì)采用了CFD數(shù)值分析工具，對鉆頭水力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用深排屑槽設(shè)計(jì)、直刀翼、斜保徑，多噴嘴組合結(jié)構(gòu)。采用8個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)，以有更好的清洗效果。通過CFD軟件對鉆頭水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對鉆頭噴嘴噴射位置及噴射角優(yōu)化調(diào)整，使鉆頭所鉆巖屑上返順暢，切削齒清洗、冷卻良好。
　　1.4 保徑設(shè)計(jì)
　　采用短保徑以適應(yīng)其定向需求。同時(shí)采用主動復(fù)合片及覆焊的保徑形式進(jìn)行強(qiáng)化保徑，以保證鉆頭在長時(shí)間使用時(shí)不縮徑。
　　2、現(xiàn)場試驗(yàn)及結(jié)果分析
　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)，對鉆頭進(jìn)行了加工。該鉆頭在俄羅斯西西伯利亞梅格奧區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。地層巖性為：泥巖、砂巖、有部分含礫夾層。
　　鉆頭編號為09100142的8 1/2KS**GR的鉆頭，首次試驗(yàn)在俄羅斯西西伯利亞梅格奧試用，從774米鉆至2984米完井，進(jìn)尺2240米，鉆時(shí)58.52米/小時(shí)，機(jī)械鉆速38.3米/小時(shí)，出井新度95%。該鉆頭共下井6次，期間無修復(fù)，總進(jìn)尺10189米，總鉆時(shí)387.95小時(shí)，機(jī)械鉆速26.26米/小時(shí)。而在該區(qū)域同類型的定向PDC鉆頭平均壽命為6000米。
　　表1為新型定向井PDC鉆頭與該區(qū)其它定向PDC鉆頭對比情況：
　　新型定向井PDC鉆頭機(jī)械鉆速與該區(qū)同類型PDC鉆頭機(jī)械鉆速水平一致，壽命相對于該區(qū)塊同類型定向鉆頭提高66%。
　　結(jié)論
　　1、試驗(yàn)應(yīng)用表明，新型定向井PDC鉆頭導(dǎo)向性及可控性較好，能滿足現(xiàn)場需求；
　　2、 試驗(yàn)應(yīng)用表明，新型定向井PDC鉆頭機(jī)械鉆速較高，滿足市場需求；
　　3、 試驗(yàn)應(yīng)用表明，新型定向井PDC鉆頭表面強(qiáng)化滿足現(xiàn)場需要，鉆頭壽命較長；
　　4、 試驗(yàn)應(yīng)用表明，新型定向井PDC鉆頭保徑設(shè)計(jì)合理，適合俄羅斯西西伯利亞特殊鉆進(jìn)工藝需求；
　　5、 針對西西伯利亞地區(qū)8 1/2層段定向井鉆頭開發(fā)成功。該鉆頭值得在該區(qū)域推廣使用。