渤中区块复合冲击提速工具配套钻头优化设计

宋学锋; 柴希伟; 严孟凯; 左凯; 钱雪森; 王昶皓

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2409701

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (1) :134-141 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2409701

石油、天然气工业

渤中区块复合冲击提速工具配套钻头优化设计

宋学锋 ¹ ,
柴希伟 ¹ ,
严孟凯 ¹ ,
左凯 ¹^,² ,
钱雪森 ¹ ,
王昶皓 ³

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Optimization Design of Matching Drill Bit for Composite Impact Speed-up Tool in Bozhong Block

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摘要

渤中区块深部地层钻进过程中,存在着现有钻头与地层不匹配而导致早期失效、钻头对复合冲击工具的冲击能量利用率不足、未能充分发挥工具性能的问题。针对渤中区块深部中硬地层的岩石,进行了矿物组成剖析和抗钻性实验,结合声波时差测井数据构建了全井段的抗钻特性剖面。利用有限元模拟软件建立聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)单齿-岩石相互作用的复合切削模型,分析复合冲击工况下不同PDC齿形的岩石破碎性能。研究发现,锥形齿与常规齿的组合在复合冲击作用下对岩石的切削效果最好。优化设计了一款适用于中硬地层的复合冲击工具配套钻头。建立全钻头复合冲击破岩数值模拟模型,分析在复合冲击钻井过程中岩石破碎的特性。模拟结果显示,岩石在拉应力作用下破碎的体积有所增加,钻头与岩石的接触更为稳定,有效降低了“跳钻”现象,同时显著提升了机械钻速。

Abstract

In the drilling process of deep formation in Bozhong block, there is a mismatch between the existing drill bit and the formation, which leads to early failure. The impact energy utilization rate of the drill bit to the composite impact tool is insufficient, and the performance of the tool is not fully utilized. The mineral composition analysis and anti-drilling experiments were carried out for the rocks of the deep medium-hard strata in the Bozhong block. Combined with the acoustic time difference logging data, the anti-drilling characteristic profile of the whole well section was constructed. The composite cutting model of polycrystalline diamond compact(PDC) single tooth-rock interaction was established by using finite element simulation software, and the rock crushing performance of different PDC teeth under composite impact condition was analyzed. It is found that the combination of conical teeth and conventional teeth has the best cutting effect on rock under composite impact. A composite impact tool supporting drill bit suitable for medium-hard ground was optimized and designed. A numerical simulation model of full-bit composite impact rock breaking was established to analyze the characteristics of rock breaking during composite impact drilling. The simulation results show that the volume of broken rock increases under the action of tensile stress, and the contact between the drill bit and the rock is more stable, which effectively reduces the jump drilling phenomenon and significantly improves the mechanical drilling speed.

Graphical abstract

关键词

渤中区块 / 中硬地层 / 抗钻特性 / 钻头优化 / 复合冲击钻井 / 机械钻速

Key words

Bozhong block / medium-hard strata / anti-drilling characteristics / bit optimization / composite impact drilling / mechanical drilling speed

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宋学锋, 柴希伟, 严孟凯, 左凯, 钱雪森, 王昶皓. 渤中区块复合冲击提速工具配套钻头优化设计[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 134-141 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2409701

SONG Xue-feng, CHAI Xi-wei, YAN Meng-kai, ZUO Kai, QIAN Xue-sen, WANG Chang-hao. Optimization Design of Matching Drill Bit for Composite Impact Speed-up Tool in Bozhong Block[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 134-141 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2409701

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随着渤海油田的进一步开发,钻探活动正逐步深入至资源密集的渤中区块深层地层。这些深层地层地质构造的复杂性、岩石的高硬度以及较差的可钻性,对油气开采作业构成了重大挑战^[1-2]。中海油研究总院研发了一种集轴向冲击、造斜螺杆、周向冲击三位一体的复合冲击钻井提速工具,工具三结构之间采用焊接的方式连接,缩短了工具整体长度同时增加了连接处的强度,能够有效缓解下部钻具组合疲劳损伤^[3]。该工具在渤中区块进行了推广应用,平均机械钻速较邻井提高50%以上^[4]。

渤中区块深层地层岩性复杂,岩石的软硬不均质性导致传统聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻头在钻进过程中遭遇了显著的横向与纵向冲击以及黏滑效应,这些因素导致钻头过早失效;此外,现有的钻头与复合冲击提速工具之间的匹配性不佳,导致工具的冲击能量未能得到高效利用,未能实现其潜在的提效作用^[5]。要攻克这一难题,首先需要深入掌握深层地层的抗钻性能^[6],然后根据地层的岩石特性和复合冲击工具的特性,研发出与之相适配的高效PDC钻头。刘彬等^[7]对川西双鱼石构造须家河组岩石展开可钻性、研磨性和抗钻机理分析实验,分析得出宏观上的高强度高硬度以及钻屑颗粒在细观与微观尺度上的强研磨性,是导致钻头牙齿冲击破坏和研磨失效的关键因素。纪慧等^[8]建立了考虑温度和围压的可钻性级值计算模型,并通过软件建模,对温压条件下PDC切削齿后倾角进行了优化分析,结果表明最佳破岩后倾角为25°。徐小峰等^[9]建立了冀东油田深部复杂地层的抗钻特性剖面,结合数值模拟得到切削齿最优后倾角为15°、最优喷嘴组合为两个直径16 mm的中心喷嘴+5个直径14 mm的外围喷嘴时钻头有利于破碎致密泥岩。吴泽兵等^[10]设计了仿穿山甲鳞片和爪趾结构的新型PDC齿和齿头底唇面,安装在合适形态破岩的智能仿生PDC钻头上建立全钻头模型进行破岩模拟仿真,模拟结果显示其破岩比能和切削力明显更小,效率更高、切削更稳定。

现从分析沙河街组岩石矿物组分、硬度及塑性系数、PDC钻头可钻性方面入手,结合测井数据获得地层的抗钻特性剖面,利用有限元分析软件建立PDC单齿-岩石复合切削模型,研究不同齿形的PDC齿在复合冲击条件下的破岩效果,优选高效钻头的PDC齿组合。建立全钻头复合冲击破岩数值模拟模型,分析复合冲击钻井的岩石破碎特性。

1 岩石矿物组分与抗钻特性分析

1.1 岩心信息

测试所用岩心取自渤海油田渤中地区某井深部沙河街组地层,岩心信息如表1所示。

1.2 岩心矿物组分分析

利用TD-3500X射线衍射仪测试上述岩心的矿物组分,矿物组分及含量如图1所示。

在渤中区块深部地层中,石英、长石等硬度高、性质脆的造岩矿物含量较高,这些矿物颗粒本身难以被钻头破碎,当井底不能及时清洁岩屑时,破碎的颗粒将对钻头产生严重的磨损。部分岩石中黏土矿物的含量丰富,黏土矿物会附着在钻头上造成钻头泥包,使钻井液对钻头冷却和润滑不充分,高温导致PDC齿硬度和耐磨性下降,钻头过早破坏失效。

1.3 岩石抗钻特性分析

1.3.1 岩石硬度与塑性系数测试

利用全自动岩石硬度测定仪对渤中地区中硬地层岩石进行硬度和塑性系数测试,部分实验结果如表2所示。

实验结果显示渤中区块深部地层硬度介于1 040~2 200 MPa,为中等硬度地层,硬度的上下波动反映了岩石显著的非均质性和各向异性特征。局部地层的硬度等级可达7级。塑性系数处于1~2的范围内,表明地层普遍具有低塑性特征,在实验中呈现出明显的脆性断裂行为。软硬岩石交替出现、中硬岩石分布广以及岩石的高非均质性是导致该区域机械钻速下降的关键因素之一。

1.3.2 岩石可钻性测试

利用微钻速实验法通过室内微PDC实验测定渤中地区中硬地层岩石的可钻性极值,部分实验结果如表3所示。

渤中区块的深层地层的可钻性等级普遍超过8级,岩石软硬交替,只能在三级钻压下进行钻进,归类为难钻地层。在钻进过程中,PDC钻头不能以剪切方式破碎岩石,只能采取表面破碎或疲劳破碎的方式来破碎岩石,这导致钻进效率显著降低。

1.3.3 抗钻特性剖面描述

在对吉林油田泉头组地层的抗钻性分析中,张立春等^[11]发现岩石的声波传播时间(声波时差)与钻速之间存在显著的相关性。具体而言,声波时差较大的岩石表现出较低的可钻性,而声波时差较小的岩石则显示出较高的可钻性,这表明岩石声波时差是评估其可钻性的一个重要参数。通过大量的实际测井资料和钻井资料的统计分析可以建立岩石声波时差与岩石可钻性的统计关系模型。式(1)为目前广泛使用的基于声波时差的岩石可钻性预测模型^[12]。

(1)${K}_{\mathrm{d}}=a\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\frac{b}{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{p}}}\right)$

式(1)中:K_d为岩石可钻性级值;Δt_p为岩石纵波时差,μs/m;a、b为线性回归系数。

通过开展渤中区块深部地层岩石抗钻特性实验,获取了岩石的硬度、可钻性等参数。以这些参数为依据,能够构建机械破碎参数与测井资料的相关解释模型,进而对渤中区块深部地层抗钻特性进行预测。图2为该井的抗钻特性剖面。

利用抗钻特性图版,可以清晰直接查找渤中区块储层某一深度井深相对应的地层硬度、牙轮钻头可钻性、PDC钻头可钻性、泥质含量及岩性分布情况。抗钻特性预测剖面可与不同钻头生产厂家在钻头出厂时配备的钻头推荐使用说明相结合进行使用,选择与地层配伍性较好的钻头,避免进行二次选型的重复工作^[13]。

2 渤中区块复合冲击提速工具配套钻头优化

钻井过程极为复杂,受多种因素影响。为简化模型并专注于岩石受力,做出以下假设^[12]:①不考虑温度对钻井过程的影响;②不考虑钻井液液柱压力及钻头喷嘴射流的影响;③鉴于钻头强度远超地层岩石,将钻头视为刚性体;④假设岩石为各向同性连续介质,忽略其内部缺陷对钻井过程的影响。同时,考虑了地层原始地应力对钻井过程的影响。

2.1 PDC齿形优化

2.1.1 模型建立

利用ABAQUS/Explicit模块开展仿真计算,建立锥形齿、常规齿、球形齿、波纹齿与地层的复合冲击切削模型来分析不同齿形的破岩效果。各部件尺寸如表4所示。

划分网格前对部件进行切割,岩石与切削齿接触部分进行网格细化加密确保模拟结果准确性。PDC齿和岩石均采用适合于接触切削的六面体结构网格划分技术,为了在减少计算量的同时保证计算精度,单元类型选择为六面体8节点减缩积分单元C3D8R。图3是网格划分后的PDC齿和岩石模型,其中:波纹齿网格数量为41 362,球形齿网格数量为5 760,锥形齿网格数量为19 360,常规齿网格数量为5 120,岩石网格数量为35 828。

2.1.2 材料及边界约束

PDC齿设置为刚体,仅需设置弹性参数和密度。考虑到地层原始应力对岩石屈服特性的影响,采用DP模型来定义岩石材料属性更为合适。具体材料属性设置如表5所示。

结合现场钻井施工参数,PDC齿钻压设置为100 kN,转速120 r/min。为了更直观地观察并对比复合冲击条件下各PDC齿破岩效果的差异,复合冲击参数均设置为提速工具钻井过程中可提供最大工作参数:复合冲击频率21 Hz、轴向冲击载荷2 kN、周向扭转载荷861 N·m。PDC齿和岩石采用面面接触的接触形式,硬度大的PDC齿为主面,岩石为从面,采用有限滑移的罚接触公式。

2.1.3 单齿复合冲击破岩模拟结果

对不同齿形PDC齿复合冲击钻进条件下切削岩石过程进行数值仿真模拟,模拟结果如图4所示。

波纹齿是通过分析贝壳体表的波纹型而研制出的具有类似结构的切削齿,其表面的非光滑特性,会导致切削过程中产生不均匀的切削力,从而影响井壁和井底的平整度。此外,切削齿的磨损也会导致切削刃的形状发生变化,使得井壁和井底出现不规整的情况。球形齿的切削刃呈球形,这种形状使得切削过程中切削刃与岩石的接触面积相对较大,能够在一定程度上分散切削力,从而减少对岩石的局部压力,使得切削过程更加平稳,进而使井壁表面更加光滑。但也因为切削刃的锐利程度相对较低,在切削过程中切削力较小,不易切入岩石,导致机械钻速并不高。锥形齿的前端为独特的圆锥形状,可以施加超高集中的力破碎坚硬岩石,因此在相同的钻压下,锥形齿比较容易吃入地层,切削深度较大,常规齿则具有较为平坦的切削面,适合进行大面积的切削,可以在锥形齿破碎后的基础上进行更均匀的切削,从而使井壁更加规整。

通过对模拟结果分析,在复合冲击钻井条件下,锥形齿配合常规齿的切削齿组合可以充分发挥各自齿形的优势,提高整体的切削效率和质量。

2.2 全钻头破岩模拟

2.2.1 复合冲击工具配套钻头设计

根据地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差、非均质性强的特点以及PDC钻头设计原则,配套钻头采用中等抛面型冠部^[14]、五刀翼、前排常规齿,后排锥形齿的双排布齿结构;使用抗冲击韧性相对较好的13~16 mm小直径齿,小出露量更易吃入硬地层;后倾角设置为20°使切削齿更易吃入地层来提高整个钻头的攻击性;侧倾角设置为5°将岩屑从切削区域排出,避免重复切削和钻头堵塞;为了提高冲击能量利用率,缩短了钻头保径长度,增大了钻头截面积,短的钻头保径在提高切削效率的同时增强钻头扶正和保径能力。为了获得更好的钻头稳定性和结构强度,钻头设计为刚体PDC钻头^[15]。中硬地层复合冲击钻井提速工具配套PDC钻头结构如图5所示。

2.2.2 PDC齿破岩力学模型

图6为单齿在加压条件下切削过程示意图^[16]。在平面应变空间中,假设静态坐标系XOY和动态坐标系xoy,切削过程是连续的,切刀在X方向上以速度v匀速移动。

坐标关系为

(2)$X=x+vt$

(3)$Y=y$

忽略切削齿上的黏性力,切削齿与岩石之间N和f关系为

(4)$f=N\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\psi $

在平面应变空间中,R_H和R_V可以通过在水平和垂直方向上分解N和f来计算,表达式为

(5)$\left\{\begin{array}{l}{R}_{\mathrm{H}}=N\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta -f\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta \\ {R}_{\mathrm{V}}=N\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta -f\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta \end{array}\right.$

垂直分量F_H和水平分量F_V是切削力的分力。在切削试验中,F_H和F_V不能直接测量获得,关系为

(6)${F}_{\mathrm{H}}=\frac{{R}_{\mathrm{H}}}{\mathrm{\Delta }z}$

(7)${F}_{\mathrm{V}}=\frac{{R}_{\mathrm{V}}}{\mathrm{\Delta }z}$

Δz计算公式为

(8)$\mathrm{\Delta }z=2\sqrt{{r}_{\mathrm{c}}^{2}-{\left({r}_{\mathrm{c}}-\frac{{d}_{\mathrm{c}}}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta }\right)}^{2}}$

2.2.3 全钻头复合冲击破岩模拟

建立全尺寸钻头复合冲击破岩数值模型^[17],具体步骤与2.1节相同;PDC齿破岩时岩石内部的最大主应力云图如图7所示。相比于常规钻井,在复合冲击振动工况下,钻头下受到拉应力的岩石单元数量增加,由于岩石抗拉强度远小于抗剪切强度和抗压强度,所以岩石在复合冲击工况下受拉破碎的体积增加,岩石更容易发生破碎。

全钻头切入岩石深度曲线如图8所示。由全钻头切入岩石深度曲线可知,相比于常规钻井,优化后的钻头在复合冲击钻井时的切入深度波动幅度明显减小的同时切入深度更深。这表明在复合冲击条件下,钻头与岩石之间的接触更加稳定,有效降低了钻头在井底的不均匀运动。这种稳定的接触有助于优化钻压的传递效率,进而提高了钻井效率。优化后的钻头设计通过合理的齿形组合和结构设计,使得在钻进过程中,钻头能够保持更均匀的切削力分布,减少了因切削不均匀导致的“跳钻”现象。这种现象的减少不仅提升了钻进的平稳性,还降低了钻头的磨损和损坏风险,从而延长了钻头的使用寿命。相较之下,在复合冲击钻井工况下的钻头钻进距离在相同时间内显著超越了传统钻井方法,这一结果证实了复合冲击技术在提升钻井效率方面的显著优势,同时也验证了优化设计后的钻头与复合冲击钻井提速工具有良好的适配性。

3 现场应用

在渤中区块的3口井中,对优化设计后的钻头进行了定向段沙河街组的施工试验。试验结果显示,3次试验总钻进长度为3 111 m,平均每井次钻进长度为1 037 m,相较于优化前单只钻头的进尺长度649 m,提升了59.78%。此外,平均机械钻速从优化前的12 m/h提升至21.79 m/h,增幅达81.6%。试验井机械钻速及进尺统计如图9所示。

优化后的钻头在钻探作业中的表现出较为稳定的切入深度变化。这一现象表明,在复合冲击条件下,钻头与岩石之间的接触更加稳定,有效降低了钻头在井底的不均匀运动。这种稳定的接触有助于优化钻压的传递效率,进而提高了钻井效率。

4 结论

(1)渤中区块深部沙河街组岩石中石英、长石等硬质矿物含量较高,钻头磨损严重;部分岩石富含黏土矿物,易造成钻头泥包,使钻井液对钻头冷却和润滑不充分,高温降低PDC齿硬度和耐磨性,钻头过早破坏失效。

(2)通过结合岩石抗钻特性试验和测井资料,绘制抗钻特性剖面,抗钻特性剖面显示当钻遇沙河街组中硬地层时,地层可钻性极值迅速升高,可钻性变差,机械钻速降低,严重影响钻井效率。

(3)建立多齿形PDC齿-地层复合切削模型,分析不同齿形PDC齿复合冲击工况下的破岩效果。其中锥形齿配合常规齿的PDC齿组合破岩效果最佳。

(4)优化设计了一款复合冲击工具配套PDC钻头,并建立了全尺寸钻头-岩石复合切削模型分析钻头复合冲击条件下的破岩特性。复合冲击钻井条件下井底岩石发生拉伸断裂的体积增加;钻头切入岩石曲线更加平稳,PDC齿与岩石保持良好接触,有助于钻压传递和减少“跳钻”现象。

参考文献

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Received	Published
2024-12-30	2026-01-08
Online Date
2026-05-27

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