0 引 言

南海番禺油田前期开发井数据显示，其机械钻速慢、纯钻时效低，严重影响钻井效率，后期开发井所钻地层情况及存在的技术难点与前期井相似，其钻井效率备受关注。钻头的选择一直被视为钻井作业成功的关键，合适的钻头在优化机械钻速方面起着主导作用^[1]。在钻头优化设计方面，李树盛等^[2]全面分析了PDC钻头各几何结构参数间的关系，建立了PDC钻头几何学基本方程式，为 PDC钻头的切削力学及钻头设计打下了可靠基础，但对各结构参数的优化方向及评价没有给出建议。彭烨等^[3]提出了PDC钻头冠部的4种基本剖面形状:浅锥形、双锥形、“B”形和抛物线形，对钻头冠部设计具有一定指导意义，但没有分析不同剖面对地层各向异性的适应性。刘建风^[4]讨论了PDC钻头布齿设计特点，为PDC钻头布齿提供了理论支撑，但没有给出有效的求解手段，且计算复杂。文献^[5-6]从刀翼结构及其布置形式等方面对PDC钻头设计展开了讨论，为优化钻头稳定性提供了指导，但未提供定量求解方法。为此，笔者对PDC钻头设计有关理论进一步研究，先总结出钻头各参数优化的方向性指导意见，再结合地层及前期钻头使用情况，对钻头进行针对性的优化，最后应用自编程序进行计算求解。

1 南海番禺油田可钻性分析

南海番禺油田ø311 mm(12 1/4 in)井段由上到下钻遇粤海组、韩江组和珠江组，从所钻地层特性、钻头使用情况和井眼轨迹等方面进行分析后发现，该井段钻头设计存在诸多难点，具体如下。

(1) 粤海组、韩江组地层砂岩含砾，同时局部夹灰岩层，珠江组灰岩夹层频繁且质硬，易造成钻头冲击破坏。前期井多数存在钻头崩齿、碎齿、严重磨损和工具振动大、磨损、失效等现象。钻整个井段时，要求钻头抗冲击能力强、稳定性好，以避免钻头先期破坏，同时要求钻头抗研磨性好，以便在灰岩中耐久使用。

(2) 整个井段的泥岩具有可塑性，上部泥岩性软，易产生钻头泥包。前期井段钻头机械钻速低，部分钻头存在泥包现象。这就要求钻头既有较强的攻击性，以有效吃入塑性地层，同时具有好的水力性能，防止钻头泥包，最终能获得高钻速。

(3) 前期井段起下钻频繁，影响钻井效率，后期希望1只钻头钻至目标深度，提高纯钻时效。这就要求钻头耐久性好，进尺能力强，能适应地层各种复杂情况，同时保持较高的钻速，避免因钻速低而起钻。

(4) 整个井段需长时间、高造斜率连续造斜，且需要在大套塑性泥岩及频繁硬夹层中造斜。这就要求钻头具有强的侧向切削能力及与地层具有良好的匹配性，以满足高造斜率要求，同时钻头稳定性要好，避免夹层中振动过大，导致工具面失稳或损坏，最终实现井眼轨迹精准控制。

2 钻头优化设计

根据以上难点，综合考虑了钻头与地层的匹配性，钻头自身的稳定性、攻击性、耐久性和导向性等因素，对后期井进行针对性的钻头优化设计，具体如下。

2.1 钻头与地层匹配性

番禺油田前期开发井PDC钻头使用情况如表 1所示。由表可见，使用16 mm切削齿，6或7刀翼PDC钻头的井整体钻速低，且多只钻头产生泥包，这是因为2款钻头布齿密度高，攻击力弱，且排屑槽窄，与地层匹配性不够好；而B15H井使用5刀翼、16 mm切削齿的PDC钻头(ST635RS)钻速最高，且磨损较轻，该款钻头攻击力强，抗冲击、抗研磨性能好，与番禺油田地层匹配得最好。因此，钻头的优化在5刀翼、16 mm齿PDC钻头(ST635RS)的基础上进行。

2.2 切削齿性能

根据番禺油田地层需要，后期井段钻头使用的切削齿为优化后的切削齿“AXE-5”。该切削齿采用新型结合面结构设计，既增大了接触面的面积，又减小了残余应力，同时优化了热处理工艺及金刚石粉末配置，其综合性能比优化前的“AXE-4”切削齿进步明显，其中抗冲击能力提高了25%，抗研磨能力提高了30%。

2.3 主要结构参数

影响钻头综合性能的结构参数有很多，其中冠部形状、切削齿的工作角度和齿的布置等对钻头设计较为关键，主要就这几个方面进行优化，具体分析及优化如下。

2.3.1 冠部形状

为便于设计和加工，通常将冠部剖面曲线简化为内锥、冠顶和外锥3部分，由不同的典型曲线平滑连接而成^[7]。其中，内锥具有稳方向的作用，内锥深一些有利于防止钻头横向位移，内锥浅一些有利于钻头连续造斜^[8]。对于冠顶而言，其在软地层的曲率半径应小一些，这样更容易吃入地层，可提高钻头攻击力，而在软硬交错地层或硬地层，冠顶曲率半径应该大一些，这样能布置的切削齿就更多，齿受力更均匀,能避免因单齿受力过大而先期损坏。对于外锥而言，一般在较软地层需要的布齿密度低，外锥设计可短一些，而较硬地层需要的布齿密度高，外锥曲线需长一些，但外锥越长，钻头受到的侧向不平衡力会越大，钻头越容易发生横向偏移。

2.3.2 切削齿的工作角度

后倾角和侧转角是影响PDC钻头性能的2个重要工作角度，通常后倾角越小，钻头攻击力越强，但抗冲击能力会减弱，同时磨损速度较快。钻较软地层时，后倾角一般取较小值，以获得高的机械钻速，钻较硬地层时，后倾角取较大值，以便耐久使用。而侧转角可使岩屑受到一向外的推力，有利于钻头及时排屑和冷却，使钻头钻进性能好，钻速快，侧转角一般设计为5°~15°。

2.3.3 切削齿布置

磨损严重的部位采用大密度布齿和加强布齿，磨损轻微部位采用等切削体积布齿。这种布齿方式有利于兼顾钻头的耐久性和攻击性。

根据番禺油田的实际情况，PDC钻头主要结构的优化结果如下：①将内锥角增大，使内锥略偏浅，以更好地兼顾钻头造斜能力，将冠顶曲率半径及外锥长度略增加，以增加钻头的抗冲击和抗研磨能力；②适当调小后倾角，以提高钻头吃入能力，适当增大侧转角，以利于防止泥包和重复切削；③适当降低了内锥部位的布齿密度，以增加钻头攻击性，同时适当增加了冠顶及外锥部位的布齿密度，以加强钻头抗冲击和抗研磨性能力。优化参数如表 2所示。

2.4 钻头受力

工作时,钻头切削齿受到的地层反作用力可分解为钻头的径向力、切向力和轴向力，这些力的大小和方向与切削齿的数量N_c、直径d、后倾角α、侧倾角β、切削齿的径向、轴向、周向布置(R_c、 N_c、θ_c)、地层岩石可钻性K_d、切削齿与地层接触弧长S_c和切削面积A_c等参数有关^[9]。钻头受力情况见图 1，其中F_c为切削齿单齿切削力，F_n为单齿正压力，W为钻压，T为扭矩，F_s为总侧向力。通过受力分析，可以得到以下关系式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

钻头偏离几何中心旋转由总侧向力F_s引起，其与钻压比值S越小，钻头稳定性越好。在确定好冠部曲线、切削齿尺寸和刀翼数等参数的前提下，根据式(1) ~式(11)，借助自编的计算机软件对切削齿数量、后倾角和布齿位置等参数不断优化求解，最终使得S=2.7％，小于之前的4.5％，这说明优化后提高了钻头自身的稳定性。

2.5 优化水力设计

通过有限元分析模拟，优化了钻头水眼位置和喷射角等参数(见表 3)，使得钻头水力性能更优，具体表现如下。

优化后各排屑槽流量分配更合理。如图 2所示，优化前、后均在第1、4号刀翼对应排屑槽分配的流量较多。这是因为这2个刀翼较长，布置的切削齿较多，相应地增大了流量，确保流经每个齿的流量充足。优化前钻头在长刀翼磨损略多于短刀翼，优化后略增加了长刀翼的流量分配，使钻头在各刀翼磨损更加均匀。

从钻头面流体流速分布云图(见图 3)可见,在喷嘴射流的冲击区域，钻井液流速较高，大部分在14 m/s以上。但优化前在第1、2号刀翼间存在1个轻微涡流区且流速略低，优化后改善了该区域流速和流态，携岩效果好，可更好地对切削齿及时冷却，避免复合片过热、碳化而影响其性能。

从钻头面流体压力分布云图(见图 4)可见,优化前、后井底压力均在19.5 MPa以上，未出现明显的低压区域。在喷嘴射流的冲击区域,井底均有一定的压力场梯度,有利于形成较强的横向漫流,但优化后的钻头井底压力梯度更明显，翻转和运移岩屑的能力略强，能更迅速地将岩屑运移到环空。

综上所述可知，优化设计的钻头水力性能好、无清洗死角，能及时排屑和冷却，比优化前水力性能更好，可更好地避免钻头泥包和岩屑重复切削，有利于钻速稳定和连续造斜。

3 现场应用

优化后的钻头于2014年1月至6月在番禹油田多个后期开发井进行了应用，具体情况如表 4所示。

由表 4和表 1可知，后期井单只钻头平均进尺1 022.86 m，平均机械钻速21.50 m/h，前期井单只钻头平均进尺475.61 m，平均机械钻速11.53 m/h，优化后的钻头在后期井的应用效果较好，主要体现在以下几个方面。

3.1 提高钻井效率

与前期井相比，后期井钻头平均机械钻速提高了9.97 m/h，提速幅度大，最高机械钻速达26.30 m/h；另外，前期井起下钻较频繁，后期井均1趟钻钻至设计井深，降低了纯钻时效，显著提高钻井效率。

3.2 增加钻头进尺

后期井单只钻头平均进尺增加了547.25 m，其中最大进尺达1 316.30 m，且后期井钻头整体磨损情况比前期井轻微，表现出良好的耐久性。

3.3 避免前期井存在的问题

从钻头磨损评价、出井照及现场人员的反馈来看，优化后的钻头均未出现前期井存在的严重崩齿、钻头泥包和工具振动过大等现象。

3.4 连续造斜效果好

钻头在各井顺利地完成了长井段连续造斜，且各井每30 m狗腿度均长期处于3.5°～5.0°，最高可达每30 m狗腿度6°，实现了高造斜率连续造斜。

3.5 取得专利成果

基于该款钻头的优秀设计及在番禺油田的成功应用，后续已推广在惠州25-8和恩平24-2等多个油田使用，验证了该钻头对软硬交错地层有特效。因此，申请并获得了一项国家实用新型专利^[10]。

4 结 论

(1) 阐述了南海番禺油田的技术难点，在分析钻头结构参数的基础上，以提高钻头自身稳定性和攻击性为主要目标，编写软件，采用综合参数优化法开展优化设计，最终稳定性参数由4.5%降至2.7%，钻头稳定性和攻击性均比前期有所改善，优化效果明显。

(2) 通过水力模拟，优化钻头水眼位置及喷射角度，使得钻头水力性能更好，既避免了钻头泥包，又保证了切削齿性能稳定。

(3) 番禺油田的应用结果表明：优化后的钻头机械钻速提高了96.5%，后期井单只钻头平均进尺增加了115.1%，且均实现1趟钻钻至设计井深，既缩短了开发周期,又节约 了成本，经济效益显著。优化后的PDC钻头具有广阔的应用前景。