連續管鉆井個性化PDC鉆頭降扭機理及試驗研究

楊高

由于連續管自身管徑小、柔性大等特性，在進行井下鉆進時容易導致摩擦自鎖和管柱屈曲，存在鉆壓施加困難、進尺低下等問題。為提高連續管在低鉆壓情況下的鉆進能力，個性化設計了連續管鉆井專用小尺寸PDC鉆頭。通過單齒切削試驗、水平井鉆柱微鉆頭破巖試驗、全鉆頭破巖試驗開展小尺寸PDC鉆頭的降扭機理研究，對比不同齒形對破巖效果的影響。研究結果表明：在PDC切削齒前傾角較小時，破碎相同體積的巖石，寬刃齒所受切削力平均值比常規齒小10.35%～24.56%；同機械鉆速情況下，寬刃齒鉆頭的扭矩小于常規齒鉆頭，最高降扭37.64%；同轉速和鉆壓情況下，寬刃齒鉆頭最高降扭28.58%，鉆壓越大，降扭效果越顯著。個性化設計的寬刃齒PDC鉆頭更適用于連續管實現低鉆壓、低扭矩、高轉速破巖。研究結果可為改善連續管鉆井技術在低鉆壓鉆進時的適應性提供新的解決思路和理論支撐。

連續管鉆井；PDC鉆頭；寬刃齒；降扭；托壓

Torque Reduction Mechanism and Test Study of PDC Bit

Specially Designed for Coiled Tubing Drilling

Due to small diameter and high flexibility of coiled tubing，frictional self-locking and buckling easily occur during drilling，resulting in difficult WOB application and inefficient ROP accordingly.In order to improve the drilling ability of coiled tubing under low WOB，a small-sized PDC bit used for coiled tubing drilling was specially designed.By means of cutting test of single cutter，micro-bit and full-bit rock breaking tests of horizontal well drill string，the torque reduction mechanism of small-sized PDC bit was studied，and the influence of different cutter shapes on rock breaking effect were compared.The study results show that when the rake angle of PDC cutter is small，the average cutting force on wide edge cutter is 10.35% to 24.56% smaller than that on conventional cutter when breaking rocks of the same volume.At the same ROP，the torque of a wide edge cutter bit is lower than that of a conventional cutter bit，with a maximum torque reduction of 37.64%.At the same rotary speed and WOB，the maximum torque reduction of a wide edge cutter is 28.58%，and the greater the WOB，the more obvious the torque reduction effect is.The specially designed wide edge cutter PDC bit is more suitable for coiled tubing to realize rock breaking with low WOB，low torque and high speed.The study results provide new solutions and theoretical support for improving the adaptability of coiled tubing drilling technology in drilling with low WOB.

coiled tubing drilling（CTD）；PDC bit；wide edge cutter；torque reduction；WOB congestion

0 引 言

在過去的幾十年中，石油和天然氣工業經歷了巨大的發展。隨著主力油藏逐漸失去產能，國內外研究人員試圖對老井進行改造，以此進一步挖掘剩余油氣資源。連續管鉆井技術憑借高作業效率、高安全性、低成本、小占地等諸多優點，被認為是油田提高采收率、進一步挖掘剩余油、穩產的重要措施，它適用于低滲透、薄油層等油藏的開發，成為油氣開發降本增效的技術利器、老井挖潛增產的重要手段［1-6］。

而隨著頁巖氣平臺井水平段長度的不斷延伸，連續管無法使用鉆鋌來增大鉆壓，管徑小、柔性大、滑動鉆進等特點也使其在工程實際應用中存在一些局限性。隨著裸眼段長度的增加，連續管由于彎曲而與井壁的接觸面積增大，導致與井壁之間的摩擦力增加，產生螺旋屈曲的自鎖現象，鉆進過程中易出現彈簧效應，從而使連續管下放困難，鉆壓施加困難、不能有效傳遞到鉆頭，機械鉆速低。研究表明，50.8 mm連續管下入水平井段2 000 m左右基本就會發生螺旋鎖定，導致連續管無法繼續下入，不能達到目標深度［7-10］。

針對連續管鉆井鉆壓傳遞困難導致機械鉆速低的問題，大多數研究人員采用減小連續管與井壁之間的摩阻、增大井下壓力這2種解決辦法提高鉆壓，即在鉆井液中加入潤滑劑以及采用減阻工具進行減阻、研制不同尺寸和結構類型的水力增壓工具［11-16］。國內主要使用在鉆井液中加入潤滑劑進行減阻，但潤滑劑在高溫和高壓等復雜工況下性能會受到影響；國外采用油基鉆井液或合成基鉆井液來降低摩阻，但該類型鉆井液成本較高，并且施工復雜。水力增壓工具分為單級水力加壓器和多級水力加壓器，級數越多，所能提供的鉆壓越大。但水力增壓工具級數越多，工具越復雜，工具構件之間的配合越容易出現問題，且增壓器的外徑受連續管管徑的限制，無法同時滿足增壓效果和工具的工作效率。

為此，本文采用個性化小尺寸PDC鉆頭，從降低扭矩、提高轉速進行破巖的角度來增強連續管鉆井技術在低鉆壓情況下的鉆進能力。開展單齒刮切試驗，對常規齒和寬刃齒同體積破碎巖石的差異進行了研究。為驗證個性化設計PDC鉆頭高轉速、低扭矩破巖的效果，進行了室內微鉆進試驗以及全鉆頭試驗來驗證寬刃齒鉆頭優越的破巖性能。研究結果有利于改善連續管鉆井在鉆壓施加困難情況下的技術適應性，可為連續管實現高轉速、低扭矩的破巖提供新思路。

1 PDC單齒切削力試驗研究

1.1 PDC鉆頭切削齒選用

使用連續管進行井下鉆進時，由于連續管管徑小的特點，需要小尺寸鉆頭配合其鉆進，以便有效地破碎巖石且產生的巖屑較?。?7］。同時，不同的切削齒直徑對破巖過程也有著顯著影響：切削齒的齒徑越大，其產生的巖屑尺寸越大；相同切深下，切削力隨齒徑的增大而增大，且小齒徑比大齒徑受力更為均勻［18-19］。故采用小尺寸直徑的PDC切削齒，齒形擬選用直徑9 mm的常規齒和寬刃齒。

寬刃齒［20］是在常規齒的基礎上，垂直于切削面切除部分金剛石和基底，形成直線切削刃口，如圖1所示。在切削巖石的過程中，寬刃齒與巖石的接觸線為一條與其直刃口寬度相同的直線，而常規齒的齒面輪廓投影為一條圓弧狀。切削齒在壓入巖石時會因為切削刃的形狀不同而形成不同的接觸線，因此，寬刃齒特殊的齒面結構使其破巖過程和常規齒相比存在很大的區別。

依據胡莉等［21］、YANG B.等［22］基于比鉆壓的寬刃齒破巖機理研究，寬刃齒的刃邊上比鉆壓較為均衡；而常規齒比鉆壓分布規律呈拋物線，越靠近齒刃底部其比鉆壓越大，依次向兩邊減小。在破巖機理上，寬刃齒若達到巖石臨界破碎壓力，則寬刃齒刃口均能吃入巖石；而常規齒底部周圍達到了巖石臨界破碎壓力，其而齒刃邊沿區域沒達到巖石臨界破碎壓力，巖石仍將處于彈性變形狀態。因此，在破巖過程中，常規齒只有一部分吃入巖石，而寬刃齒整體吃入巖石，故破碎相同體積的巖石時，寬刃齒所受切削力小于常規齒。

1.2 單齒切削試驗

為驗證寬刃齒的破巖機理，同時比較常規齒和寬刃齒的破巖規律，對直徑均為9 mm的常規齒、寬刃齒在相同時間間隔內破碎相同體積（即截面面積一樣）的巖石進行了單齒切削試驗。同體積破碎示意圖如圖2所示。

為實現等體積破巖，計算了切削相同截面面積巖石時不同齒形的切削齒所對應的切削深度。切削齒的切削參數如表1所示。由表1可發現，當切削截面面積均為6.75 mm2時，前傾角越大，切削齒的切削深度越小。且在相同前傾角下，切削相同截面積時，寬刃齒的切削深度均小于常規齒的切削深度。這是由于寬刃齒的直刃口部分使得其在相同切削條件下，與巖石的接觸線長度大于常規齒與巖石的接觸線長度。針對不同的切削參數設計了多種切削齒齒座，齒座用于改變切削齒的前傾角，通過釬焊將切削齒固定在齒座的齒槽內，如圖3所示。

通過牛頭刨床試驗機進行單齒切削試驗，如圖4所示。巖石選為250 mm×250 mm×250 mm表面平整的砂巖，巖石材料參數如表2所示。牛頭刨床作為動力源驅動刀柄做直線運動，切削齒與特定的齒座釬焊固定后安裝在刨床刀柄上。通過預設不同的切削齒角度、深度等來實現切削齒直線破碎巖石的過程。在切削巖石的過程中，通過傳感器實時采集切削齒受到的切向力和軸向力，每組試驗重復3次。

切削速度為400 mm/s、破碎截面面積為6.75 mm2時，不同前傾角的常規齒、寬刃齒切向力、軸向力對比分別如圖5a和圖5b所示?？傮w看來，前傾角較?。?°、10°）時，寬刃齒所受切向力平均值和軸向力平均值比常規齒小10.35%～24.56%；前傾角較大（15°、20°）時，寬刃齒所受切向力平均值和軸向力平均值均大于常規齒。這說明前傾角較小時，破碎相同體積的巖石，寬刃齒鉆頭所受切削力平均值和所需鉆壓要小于常規齒鉆頭，更適合于鉆壓施加困難的連續管鉆井中；而前傾角較大時情況則相反，即破碎相同體積的巖石，常規齒鉆頭所受切削力平均值和所需鉆壓小于寬刃齒鉆頭。故選用寬刃齒作為連續管個性化PDC鉆頭的齒形時，在保證較高的切削效率情況下，應當選用較小的前傾角（10°）。

2 水平井鉆柱微鉆頭破巖試驗

在單齒切削試驗的基礎上，基于水平井鉆柱微鉆頭破巖試驗臺架，進行了寬刃齒與常規齒鉆進砂巖的微鉆試驗，分析在不同轉速條件下微鉆頭破巖情況，以驗證寬刃齒鉆頭高轉速、低扭矩的破巖效果。

2.1 試驗臺架與試驗設計

水平井微鉆頭-井筒-小鉆桿試驗臺架如圖6所示。為模擬水平井的水平段鉆柱動力學特性，且盡可能使鉆柱模型有足夠的長細比，將鉆柱模型水平布置，采用頂端加壓的方式來為鉆桿提供鉆壓。綜合考慮鉆柱與井壁的接觸、鉆頭與巖石互作用等影響，根據試驗條件選擇適用的鉆柱材料和幾何尺寸，井筒直徑及軸向壓力等參數，使其與實際鉆井過程中的破巖機理相似。

試驗臺架分為5大系統：動力系統、鉆柱系統、破巖系統、支撐系統以及數據采集系統。動力系統通過變頻電機和液壓系統為破巖提供扭矩和鉆壓；鉆柱系統的鉆桿可傳遞破巖所需的扭矩和軸力，分段套管可模擬實際工況下鉆桿與井筒的接觸；破巖系統包括微型PDC鉆頭和巖石夾持裝置，用以模擬水平井鉆進過程中鉆頭與巖石的互作用；支撐系統有槽鋼臺架、電機導軌支架等框架結構；數據采集系統包括測量電機端和鉆頭端的鉆壓、扭矩、轉速、機械鉆速以及鉆桿上各點的加速度所必須的傳感器、數據采集儀。

為真實反映鉆頭-巖石互作用的效果，個性化設計了寬刃齒、常規齒2種類型的三刀翼微型PDC鉆頭，如圖7所示。微鉆頭直徑均為70 mm，切削齒直徑均為9 mm，相鄰翼間角為120°。PDC齒通過焊接與刀翼進行連接，以滿足破巖時的工作強度，同時模擬實際破巖情況。采用側向力平衡布齒理論和徑向布齒全覆蓋原理進行鉆頭的布齒設計［23］。微鉆頭3刀翼均采用直線型，刀翼和基體分別設計加工，刀翼側面加工螺栓孔，通過螺栓與基體連接，組裝成一個刀翼可拆卸的完整的鉆頭。

將試驗所用砂巖固定到夾持裝置上，通過調節變頻電機的轉速和液壓系統，測試在不同機械鉆速和轉速條件下鉆頭的破巖情況。加載不同的測試點，觀察微鉆頭的破巖情況，同時記錄從開始加載直到破巖穩定1～2 min內的各物理量，并將數據儲存到計算機上。巖樣屬性如表2所示。

2.2 試驗結果

微鉆頭在鉆進砂巖時，鉆頭扭矩隨轉速的變化規律如圖8所示。圖8a為機械鉆速為0.2 mm/s的情況下，寬刃齒微鉆頭和常規齒微鉆頭破巖受到的扭矩對比。由圖8a可知，在相同機械鉆速下，隨著轉速的增加，2種微鉆頭的扭矩都呈現出降低的趨勢，寬刃齒微鉆頭的扭矩均小于常規齒微鉆頭的扭矩。并且從圖8a可以看出，寬刃齒微鉆頭的扭矩降幅明顯大于常規齒微鉆頭：當轉速從12 r/min增大到21 r/min，寬刃齒微鉆頭的扭矩降低了37.64%，而常規齒微鉆頭的扭矩僅降低了27.99%。這意味著在相同機械鉆速下，相比于常規齒微鉆頭，提高轉速，寬刃齒微鉆頭在破巖過程中所受阻力更小。

圖8b為機械鉆速分別為0.1、0.2和0.3 mm/s時，寬刃齒微鉆頭所受扭矩與轉速的關系圖。由圖8b可知，相同轉速下，機械鉆速增加時寬刃齒微鉆頭所受扭矩增大。當轉速從12 r/min增大到21 r/min時，寬刃齒微鉆頭在0.1、0.2、0.3 mm/s機械鉆速下的鉆頭扭矩分別降低了36.29%、37.13%、37.64%。通過對寬刃齒微鉆頭扭矩隨轉速變化規律的進一步研究可發現，在同一機械鉆速下，微鉆頭扭矩隨轉速的增大而降低，且機械鉆速越大，降幅越大。這說明寬刃齒微鉆頭在高轉速下瞬時吃深較小，能夠減小鉆頭所受的扭矩，可有效應對連續管鉆井過程中鉆壓施加困難的問題。

3 連續管個性化鉆頭試制及試驗

基于上述對PDC切削齒的試驗研究，個性化設計了2只直徑為114.3 mm的連續管鉆井專用小尺寸PDC鉆頭，分別為寬刃齒PDC鉆頭和常規齒PDC鉆頭，如圖9所示。這2只鉆頭的冠部曲線等設計參數均相同。由于鉆頭直徑較小，采用5刀翼和9 mm小齒設計，適應連續管鉆井高轉速，并進行了切削結構的力平衡設計，用以提高鉆頭的鉆進效率和穩定性。

在實際鉆井過程中，鉆壓和轉速對鉆頭的扭矩有很大影響。為進一步了解鉆頭鉆壓-轉速-扭矩關系，探究寬刃齒鉆頭高速低扭的鉆井特點，同時驗證PDC切削齒種類對單齒切削試驗、微鉆頭破巖試驗與全尺寸PDC鉆頭破巖效果的影響規律是否相同，以砂巖為破巖對象，開展了連續管全尺寸鉆頭破巖試驗。

試驗通過GXY-200B型鉆機進行，試驗裝置如圖10所示。GXY-200B型鉆機由鉆壓控制系統、轉速控制系統、傳感器以及數據采集系統組成。鉆頭的加載和升降由鉆壓控制系統完成，通過轉速控制系統調節鉆壓，六方鉆桿傳遞扭矩，從而帶動鉆桿和鉆頭的旋轉。選擇不同的鉆壓和轉速對巖石進行破碎，由壓力傳感器、位移傳感器、扭矩傳感器等裝置傳遞數據信息，進而對鉆頭所受扭矩進行分析。

分別設定43、74、117 r/min這3種低、中、高轉速，在每次鉆進試驗中，使用壓力、扭矩傳感器記錄鉆頭上的鉆壓和扭矩數據，用以分析不同鉆壓下鉆頭的破巖效果，比較常規齒鉆頭和寬刃齒鉆頭的扭矩變化規律。

圖11為常規齒和寬刃齒全鉆頭鉆進砂巖的井底形貌。通過對比2種全鉆頭井底形貌圖可以發現：寬刃齒全鉆頭井底形貌較為平緩，巖脊較低；常規齒全鉆頭井底形貌圖較為陡峭，巖脊較高。這說明寬刃齒鉆頭更有利于鉆井過程中巖屑的排出，即降低鉆頭重復切削，破巖效率更高。

43、74、117 r/min這3個轉速下的鉆壓-扭矩關系如圖12所示。由圖12可知，2種鉆頭所受的平均扭矩近似與鉆壓呈線性正相關關系增大。這是因為隨著鉆壓的增加，鉆頭吃入巖石的深度越深，剪切巖石所需的扭矩也增大；鉆壓超過8 kN后，鉆頭扭矩增大幅度趨緩。通過對比3種轉速可發現，轉速越高時，同鉆壓下鉆頭的平均扭矩越小。進一步對比分析常規齒全鉆頭和寬刃齒全鉆頭的鉆壓-扭矩曲線可知，在相同的轉速和鉆壓下，寬刃齒鉆頭所受扭矩小于常規齒鉆頭的扭矩，寬刃齒PDC全鉆頭最大降扭28.58%。且鉆壓越大，2種切削齒鉆頭的扭矩差距越顯著。這說明相同鉆壓下，寬刃齒鉆頭的吃入性能更好，扭矩更小。在連續管鉆井中，使用寬刃齒進行高轉速鉆進可以得到更好的破巖效果。

4 結 論

（1）連續管個性化PDC小尺寸鉆頭可實現小扭矩、高轉速破巖，是目前較為先進的、應對連續管鉆井鉆壓施加困難和進尺低下等問題的PDC鉆頭。

（2）單齒切削試驗、水平井鉆柱微鉆頭破巖試驗以及全鉆頭試驗結果表明：前傾角較小時，破碎相同體積的巖石，寬刃齒的壓入深度小于常規齒鉆頭，寬刃齒所受切削力平均值比常規齒小10.35%～24.56%。同機械鉆速情況下，寬刃齒微鉆頭的扭矩小于常規齒微鉆頭，最高降扭37.64%。說明寬刃齒微鉆頭在高轉速下瞬時吃深較小，能夠減少鉆頭所受的扭矩。轉速越高時，同鉆壓下鉆頭的平均扭矩越小，寬刃齒全鉆頭比常規齒全鉆頭扭矩小。在相同的轉速和鉆壓下，寬刃齒PDC全鉆頭最大降扭28.58%，鉆壓越大，降扭效果越顯著。

（3）在連續管鉆井中，采用高轉速、小鉆壓的鉆井參數，同比情況下，寬刃齒鉆頭具有更小的扭矩，更為適應連續管鉆井的需求。

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楊高，高級工程師，生于1979年，2007年畢業于西南石油大學機械電子專業，獲碩士學位，現從事連續管作業技術與裝備的研究和管理工作。地址：（434000）湖北省武漢市。電話：（027）83567937。email：598135323@qq.com。2024-01-03劉 鋒