大庆油田登娄库组PDC钻头设计与应用

巫 刚，陈瑞诚

（大庆钻探工程公司钻技一公司钻头厂，黑龙江大庆 163461）

1 概述

PDC 钻头在软到中地层具有机械钻速高、钻头进尺多和使用寿命长的特点，但在中到硬的地层存在机械钻速低和进尺少的问题。大庆油田登娄库组地层埋藏深度在3000～3600m左右，岩性以深紫色泥岩、灰色泥质粉砂岩、深紫色粉砂质泥岩、绿灰色泥岩、灰色含砾粗砂岩等为主。常规PDC 钻头在使用过程中出现了如下问题：一是钻头不能有效钻进，机械钻速低；二是钻头磨损严重，使用寿命短；三是钻头进尺少，增加了钻井作业成本。

针对大庆油田登娄库组地层的地质特点，结合大庆钻探工程公司的“三大两高”（大排量、大钻压、大扭矩，高转速、高泵压）提速策略，开展登娄库组地层PDC钻头结构的个性化设计工作，设计了一种新型的登娄库组地层高效PDC钻头。

2 地质情况

大庆油田各区块登娄库组地层埋藏深度差异较大，岩石均质性较差，为此开展了登娄库组岩石机械破碎特性参数测试工作，全面评价了各区块登娄库组岩石的硬度、塑性系数、可钻性等参数，为开展登娄库组PDC钻头的个性化设计工作提供理论参考。

岩石硬度是指岩石抵抗其它物体压入的破碎强度，即在压头压入岩石后，岩石产生第一次体积破碎时接触面上单位面积的载荷。利用全自动岩石硬度测定仪对登娄库组岩石的硬度参数进行了测试，参照岩石史氏硬度的分类标准，将岩石硬度定级为4～6级，属于中软—中硬地层。

岩石塑性系数是指岩石在压头压入后，岩石产生第一次体积破碎时破碎消耗的总功与弹性变形功的比值，本文利用圆柱压入法的实验方法来获取登娄库组地层岩石塑性系数。经实验测试获得登娄库组地层岩石塑性系数为1.03～1.75，参照岩石塑性系数的分类标准，可知登娄库组地层属于低塑性—脆性地层。

岩石的可钻性可理解为钻井过程中岩石抗破碎强度的能力，它表征岩石破碎的难易程度。本文采用微钻速的实验方法来评价岩石的可钻性，获取可钻性级值后，参照岩石可钻性分级标准对照表，将登娄库组岩石可钻性定级为4～10级。

3 PDC钻头优化设计

3.1 PDC钻头冠部轮廓设计

合理的PDC 钻头冠部轮廓结构特征参数对钻头切削齿的切削效率、水力清洗效果、钻头稳定性能具有重要的影响。PDC钻头冠部设计需要满足三个基本要求:

（1）按照PDC 钻头等切削原则设计PDC 钻头时，冠部形状应当保证钻头上的各切削齿的切削量均匀，磨损量大致均衡。

（2）在冠面上有足够的布齿空间和排屑空间，便于复合片在冠部表面布置。

（3）冠部轮廓形状方便加工成型。冠部形状按等切削原则设计时，冠部形状就应尽可能保证实现钻头上的每一颗切削齿有大致相等的切削体积。这样尽可能保证钻头切削齿磨损均匀，按等切削原则设计时的理论冠部曲线方程式为：

由前文可知登娄库组地层可钻性较差，研磨性较高，为使钻头受力均匀、磨损均匀，采用较平缓的冠部剖面，同时适当延长外锥长度，增大布齿面积，提高钻头的使用寿命和排屑效果；另外，为了提高钻头稳定性，刀翼设计一定的锥角（154°）。综合考虑PDC 钻头钻进速度、抗冲击性和抗研磨性，钻头采用浅内锥、中外锥单圆弧型剖面结构（见图1）。

3.2 切削结构设计

PDC钻头的切削结构设计主要包括切削齿尺寸及布齿密度的选择、切削齿分布设计、切削齿工作角度设计等。

（1）切削齿尺寸及布齿密度的选择。同等磨损条件下，切削齿直径越大其磨损面积越大，因此直径由大到小的切削齿适应于由软地层到硬地层作业的钻头。大庆油田登娄库地层可钻性定级为4～10级，可钻性属于软到中，结合切削齿尺寸与地层可钻性的经验关系（见表1），钻头的主切削齿选用直径15.88mm 的复合片，保径切削齿选用直径13.44mm的复合片，布齿密度选用中等密度布齿，以达到提高钻头破岩效率、增强钻头耐磨性能、延长钻头使用寿命的目的。

表1 切削齿尺寸与地层可钻性的经验关系

（2）切削齿分布设计。PDC 钻头切削齿分布设计的目的是合理地把切削齿布置在钻头表面，使之磨损均匀。切削齿分布设计主要包括径向分布设计和周向分布设计。

切削齿径向分布设计是在钻头半径平面内沿冠部外形轮廓布置切削齿，确定中心齿、保径齿和其他各齿的径向位置，得到径向分布图(图2)，它反映了切削齿的分布密度和在井底的覆盖情况。

切削齿的周向分布设计是在垂直于钻头轴线平面内按一定方式确定切削齿的周向位置角。依据钻头力平衡设计原则，新型PDC钻头采用了不对称六刀翼结构设计，即钻头各刀翼上的切削齿周向角分布不对称（见图3）。

（3）切削齿工作角度设计。PDC 钻头切削齿工作角对切削齿的切削效率和工作性能有着重要影响，切削齿最重要的两个工作角是后倾角和侧转角。后倾角决定切削齿作用于地层力的方向，合理的后倾角能提高切削效率、保护切削齿、延长钻头的寿命，有助于提高钻速。侧转角决定齿前切屑的排屑力的方向，反映工作面方向与切削齿对齿前切削侧向作用力的大小及方向之间的关系，合理的侧转角有利于钻头清洗和岩屑运移，有效避免钻头泥包发生。

结合大庆油田登娄库组地层的地质情况，综合考虑切削齿的切削效率、钻头稳定性和使用寿命，将PDC钻头后倾角设定为12°～22°，从内锥到鼻部，齿前角由小逐渐变大，从鼻部到外锥，齿前角由大变小。

考虑到登娄库地层主要由泥岩和砂岩组成，钻头在泥岩地层钻进时易发生泥包现象，为了提高钻头的排屑和防泥包能力，将切削齿的侧转角控制在0°～10°之间。

3.3 钻头水力结构设计

PDC 钻头的井底清岩、切削齿的润滑和冷却都是靠射流的冲击和射流到达井底后产生的漫流横推作用完成的。射流对井底的冲击产生的清岩作用是靠冲击压力的不均匀性实现的，用“压力梯度”来衡量这种不均匀性的大小。“压力梯度”越大岩屑越易翻转，清岩效果越好，钻头不易产生重复破碎而提高钻头的技术指标。PDC 钻头的水力结构设计的目的在于通过提高“压力梯度”来增强切削、清洗、润滑和冷却效果。

利用三维造型设计软件和计算流体动力学仿真软件（CFD）进行PDC钻头水力结构的设计，主要包括以下两点。

（1）钻头喷嘴形状的选择。流线型喷嘴的流量系数高，射流的扩散角小，等速核较长，能量转换效率高，钻头实际得到的水力功率高，因此，将PDC 钻头喷嘴的内流道形状设计成了流线型。

（2）喷嘴分布设计。PDC 钻头喷嘴的分布采用组合式镶装，即选择不同出口直径的喷嘴，使射流的冲击压力不同，以形成较大的井底“压力梯度”。为使岩屑向井壁方向翻转，充分清洗井底岩屑，将出口直径相对小的喷嘴镶装在距钻头的中心较远的位置，将出口直径相对大的喷嘴镶装在距钻头中心较近的位置，喷嘴具体分布参数见表2。

表2 钻头喷嘴分布参数

4 现场应用

2021 年针对大庆油田登娄库组地层设计的215S5626 型PDC 钻头进行了现场应用，钻头进尺为202.3m，平均机械钻速为5.69m/h。与邻井常规钻头相比，新型钻头进尺增加了12%，机械钻速提高了11%，新型钻头的综合性能满足钻井公司的作业需求。钻头试验数据见表3，使用后钻头磨损情况见图4。

5 结论

针对大庆油田登娄库组地层的地质情况和钻井作业需求，对PDC钻头的冠部轮廓、切削结构、水力结构等进行优化设计，设计了一种适应于登娄库组地层作业的新型PDC钻头，该型钻头有效增加了钻头进尺，提高了钻头机械钻速，延长了钻头使用寿命，满足了钻井公司的作业需求，具有较高的推广价值。

表3 PDC钻头现场试验数据表