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针对四川威远地区高性能PDC钻头的设计研究
王爽（中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井技术服务公司.辽宁盘锦124010）
摘要：当前常规天然气资源经过长期开采已逐步衰竭，页岩气等非常规天然气资源已引起新的重视，随着资源能源日益质乏，作为传统天然气的有益补充，人们逐渐意识到页岩气的重要性，但采集比传统天然气困难。众所周知，硬塑性泥岩及页岩的地层具有结构致密、不易切削等特殊性，因此设计出一种可靠性高、攻击性和吨入能力强的PDC钻头是高效、快速开采页岩气的关键因素
本文主要研究针对四川威远地区的高性能PDC钻头。从硬塑性泥岩及页岩的地层特点入手，主要结合钻头的空间布齿和水力布局设计，总结了钻头设计思路，融入了钻头设计中所考虑的高性能因素设计内容，最终制定了针对四川威远地区的高性能PDC钻头设计方案。
(1)增加攻击性。采用攻击性仰角设计、单排齿，提高钻头钻进砂泥岩段的攻击能力，有效地提高机械钻速。
(2)防止泥包。采用宽深流道设计，优化水力结构，提高钻头清洗及携岩能力。
(3)防止井斜。力平衡分析优化，加强钻头工作平稳性设
计，能有效防止并斜的发生。 1空间布齿设计
通过对钻头模型的布齿方式和切削角度进行三维受力分析，从而分析出钻头钻进时易磨损部位。在设计钻头的布齿时，可通过修正系数，调整切削齿的分布。
如采用螺旋型布齿设计，可分散切削齿产生的指向并壁的轴向切削力，并控制钻头与井壁的接触应力，从而使钻头产生抗回旋运动效果。通过螺旋式刀翼还可以使切削齿呈现一定的侧转角，有助于钻井液携带岩屑和清洗井底。螺旋式保径块与常规保径块相比，可增加与并壁的接触面，提高钻头的稳定性。小后倒角可以提高机械钻速。攻击性较强，适合于软地层，可取得很高的机械钻速整个钻头上使用的后倒率是不一样的，这样可以得到不同的目的，比如ROP和寿命。
在威远地区主要提高钻头钻进砂泥岩段的攻击能力，因此 PDC钻头选择直径16mm长度13mm的金刚石复合片为主切削齿，布齿密度果用等切削布齿、易磨损部位高密度布齿、保径部位适当密度布齿。综上所述，在后倾角角度为10~30°的切削齿中后倾角越小的切削齿越不容易压入岩石，而后倾角越大的切前齿越容易压入岩石，但小角度的切削齿主要以剪切方式破坏岩石，所以在该区块PDC钻头切削齿的布置采用方式为：所承受钻压最大的区域为冠顶附近，切削齿后倾角为10~20°，保径齿后倾角为20~30°。这样设置切削齿后倾角目的是让所有的切削齿在吃人地层的时候，尽量使每个复合片的应力相等，同时保证在所承受钻压最大的冠顶区域以剪切方式破碎岩石，从
而提高机械钻速。(见图1) 2水力布局设计
影响钻头工作性能好坏和使用寿命长短的关键因素是钻头的水力布局设计。针对四川威远地区的硬塑性泥岩及页岩地层特点，以及PDC钻头的水力布局和钻头冲蚀特征，对此次实验的PDC钻头的水力布局作如下设计：
92，化置理2016年9月方方数据
(1)调整喷嘴的方位角和喷射角度。
为减少水力能量对切削齿和刀翼体的冲蚀，并在冷却PDC 钻头、清洗井底和携带岩屑的情况下，可调整喷嘴的方位角使喷嘴的射流尽量避开钻头刀翼，指向较大的排屑槽。横向漫流水力，加强了清洗作用及其它钻头性能。靠近钻头工作面鼻部的内置喷嘴可为钻头中心区域提供有效的清洗。处于外锥位置的喷嘴，能对定向钻进过程中该区域出现的过热现象进行有
效冷却。
高出度电
率量
图1-1切削齿布齿密度
(2)增加钻头排屑槽的宽度。
增加钻头排屑槽的宽度，这样一方面增加距离可使喷嘴射流反射到钻头体的能量大大降低，另一方面增加钻头排屑槽的深度可使钻头表面的过流面积增大，对喷嘴射流在冲击井底后向周围漫流的阻力明显降低，减轻了射流对钻头基体的冲蚀。
为了更便捷更准确的进行钻头水力布局设计，使用了自主研发设计的水力布局软件《井底流场模拟分析软件》。具体的水力设计模块的用户界面如图2-1所示。该模块包括内流道设计、喷嘴设计、水力参数计算和流道建模四个子模块。
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图2-1水力设计模块用户界面
根据四川威远地区的地层特点，并结合以上设计原则，我们设计出适合于这个区块三开地层的PDC钻头215.9CS516。该型钻头果用中等密度布齿，增强了切削单元的剪切力，使该钻头在该地层中能获得较高的机械钻速；外侧减震齿设计，保护前排切削齿，改善了钻头的工作状态，同时优选高抗冲击复合片，有利于提高钻头的使用寿命；攻击性角度设计，切削地层所需的钻压与工作扭矩低，加强保径设计，提高保径的耐磨性，延长钻头使用寿命，防止并眼缩径。