0 引言

目前，准噶尔盆地已发现47个火山岩油气藏，其中西北缘火山岩油气藏成为近年勘探开发的重点区域。西北缘火山岩油气藏主要分为3个区域：克拉玛依地区火山岩油气藏、红车地区火山岩油气藏和中拐地区火山岩油气藏。2016年共部署井位62口，单井火山岩厚度100~1 750 m，机械钻速仅0.65~3.07 m/h，这严重制约勘探开发效率。

近年来，随着钻井提速工作的不断推进，螺杆钻具、扭力冲击器、水力加压器及涡轮等多种提速工具用于石炭系火山岩的提速，并且取得了一定的效果。2015—2016年，从完钻的几口深层石炭系火山岩井的实际情况看，试验的牙轮和PDC钻头品种较广，数量较多，平均机械钻速在0.5~1.5 m/h之间，螺杆钻具和扭力冲击器等提速工具的平均机械钻速也低于2.0 m/h，且进尺较短。机械钻速低的主要原因为石炭系火山岩纵向上岩性变化频繁，主要以致密的绿灰色玄武岩和安山岩为主，岩石强度高、研磨性强、可钻性差，提速工具的试验效果参差不齐，且增加相应的成本难以取得理想的提速效果。针对准噶尔盆地火山岩岩性复杂、可钻性差及地层厚度大的特点，如何研发新型PDC钻头，实现火山岩地层机械钻速大幅度提高，是目前亟待解决的技术难题。笔者开展了准噶尔盆地西北缘火山岩岩石力学参数室内评价研究，结合测井参数进行回归分析，建立了岩石力学参数计算模型^[1]，以期为设计个性化的PDC钻头提供参考。

1 火山岩力学参数评价 1.1 岩石力学室内试验

为了分析火山岩的抗钻特性，建立了岩石力学参数剖面^[2-4]。选取西北缘克百断裂带和中拐凸起等4口井的岩芯进行岩石力学室内试验，试验内容包括岩石研磨性、可钻性、硬度、塑性系数和单轴抗压强度。试验结果表明：研磨性级别为3~6，可钻性级值为7.2~9.3，硬度极值为5~7，如表 1所示。研磨性、可钻性和硬度岩性排序为：玄武岩＞安山岩＞凝灰岩。单轴抗压强度为44.5~109.6 MPa，岩性排序为：安山岩＞凝灰岩＞玄武岩。统计结果表明：准噶尔盆地西北缘火山岩总体表现为中、高的硬度、研磨性及可钻性，属硬脆性坚硬岩石。

1.2 岩石力学参数与测井数据相关性

测井曲线较好地体现了岩石的物理特性，其中横波时差反映了地层的剪切变形特性，纵波时差反映了地层的拉伸和压缩变形特性与强度特性，地层可钻性反映了岩石抵抗钻头冲击与剪切破坏的能力^{[2, 4]}。因此，纵、横波时差能够反映地层可钻性。由估算横波时差的散射模型可知，纵波时差、密度和泥质含量是影响岩石横波时差最主要的因素，而且也是影响岩石弹性参数和强度的重要参数^{[3, 5]}。利用室内岩石力学测量参数与声波时差、岩石密度等测井参数进行多元回归分析，得出了岩石力学参数计算模型。

岩石硬度和岩石抗压强度等参数与测井声波时差A_C和岩石密度ρ二者回归的相关性基本相同，且对数函数和二次多项式的相关性相对较好，但容易出现负值。因此，可取幂函数或指数函数进行多元回归，其相关度明显增加，其回归关系式如表 2所示。

2 火山岩PDC钻头设计

根据火山岩岩石力学评价结果，结合邻井钻头磨损情况分析以及国外先进钻头设计理念，设计了个性化的PDC钻头^[5-6]。研究重点如下：① 优选自锐性强、耐磨性高和抗冲击性能好的PDC齿；② 优化钻头结构形式，提高工作稳定性；③ 优化布齿设计，提高钻头攻击能力，延长钻头寿命；④ 钻头整体受力平衡设计，控制不平衡度小于5%；⑤ 加强水力清洗冷却效果。

2.1 钻头冠部与刀翼设计

通常将冠部剖面曲线简化为内锥、冠顶和外锥3部分。对于坚硬的石炭系火山岩，设计冠顶曲率半径较大，可增加布置的切削齿数量，齿受力更加均匀，避免因单齿受力过大而先期损坏。内锥具有稳方向的作用，设计内锥角较大，利于防止钻头横向位移。而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，越容易发生横向偏移^[5]。采用55°~80°中型内锥和“直线+不等径双圆弧”的冠部形状设计(见图 1)，有利于增加布齿数量，减少钻头横向振动，提高钻头的稳定性，延长钻头使用寿命，以适应硬地层钻进。剖面曲线可实现从冠顶到保径的圆滑过渡，避免因应力集中造成切削齿的先期损坏。

针对该区域不同火山岩破岩要求和邻井钻头磨损情况，选择5刀翼和6刀翼2种刀翼设计，并采用非对称式螺旋刀翼结构设计(见表 3)，选择16 mm切削齿。切削齿的后倾角和侧倾角是PDC钻头的2个重要设计参数，对钻头性能有着很大影响。对于石炭系玄武岩和安山岩，切削齿后倾角取较大值(15°~25°)时的破岩效率最高；而侧转角可使岩屑受到一向外的推力，利于钻头及时排屑和冷却，侧转角设计为10°~15°。

2.2 切屑齿与力平衡设计

优选3家国外PDC复合片进行性能测试，筛选出适应火山岩高研磨性破岩需求的元素6公司的K3复合片，较同类型产品耐磨性提高了2倍，热稳定性提高了60%，具体性能测试参数见表 4。

布齿设计是PDC钻头设计的重要环节，直接影响钻头各方面的性能^[6-7]。根据西北缘火山岩岩石可钻性差、抗压强度高和研磨性高的特点，利用PDC钻头优化设计软件的等体积布齿理论，确保各切屑齿具备相同的磨损程度，综合考虑布齿密度对钻头钻进速度和工作寿命的影响。采用双排齿设计，应用井底覆盖系数和当量齿数相结合的方法，主切削齿总数量为28~32个，前排主切削齿数量设计为5~9颗，后排副切削齿为2~3颗, 露齿高度比例为0.30~0.45，2排齿高低差为0.5~1.5 mm。为保证钻头具有良好的抗冲击性和工作稳定性，以适应软硬交错地层，在冠顶以外的每个PDC切削齿的后面，设计了尖圆形硬质合金限位减振齿，减振齿高低差为0.0~2.5 mm。

对2种型号的PDC钻头进行布齿功率模拟计算^[8]。图 2为XM616PRD钻头切削齿磨损功率曲线。计算结果表明：钻头切削齿力与磨损功率均在内锥与鼻部交界处圆滑过渡，在保径处功率与切削齿力均为0，即保径处切削齿不参与岩石切削，对PDC钻头布齿功率设计无影响；复合片的受力情况较好，能有效避免复合片因受力不均等造成的崩齿现象。

目前，国外PDC钻头产品的侧向不平衡力一般控制在钻压的10%以内，最好的钻头设计侧向不平衡力达到钻压的5%以内^{[6, 9]}。通过Amoco力学软件模拟计算，调整切削齿的周向布置角和各切削齿的径向位置，可实现钻头侧向力平衡。XM516ARD钻头不平衡力计算结果如下：不平衡力为1 156 N，不平衡度为2.7%，径向力为507 N，侧向力为1 125 N。XM616PRD钻头不平衡力计算结果如下：不平衡力为213 N，不平衡度为1.5%，径向力为151 N，切削力为133 N。计算结果表明：设计的2种PDC钻头侧向不平衡力均小于钻压的3%，大大降低了钻头发生涡动的概率，延长了钻头的使用寿命。

2.3 水力学设计

应用CFD数值模拟软件对钻进过程中岩屑翻转、运移、举升能力以及钻头冷却和清洗情况进行分析。图 3为XM516ARD钻头水力学模拟结果。采用5喷嘴近周向布置方式，井底喷嘴最大湍流强度为61.40%，最小湍流强度为0.65%。湍流强度低处主要位于切削齿背部，湍流强度分布良好。井底最小漫流速度为0.13 m/s，最大漫流速度为28.60 m/s。中心2个喷嘴在井底的漫流速度最大，在几股射流漫流层的交界处有小漩涡，由于在切削齿的前方，故不会对齿有影响。

XM616PRD钻头采用6喷嘴近周向布置方式，井底流场基本实现全覆盖，最大湍流强度达到73.60%，最小湍流强度为0.13%，湍流强度较低处主要位于切削齿的背部。井底最小漫流速度为0.20 m/s，最大漫流速度为34.50 m/s，钻头中心有小漩涡，切应力的分布比较均匀，能够有效地冷却和清洗切削齿。表 5为该钻头的喷嘴设计参数。各喷嘴的高度均为20 mm。

3 现场试验效果

2种型号(XM616PRD和XM516ARD)的PDC钻头在准噶尔盆地西北缘克百断裂带和中拐凸起5口井的火山岩地层中累计完成试验进尺1 501.90 m，单只钻头最大进尺达470 m，最高机械钻速可达4.04 m/h(见表 6)。较邻井同层段平均机械钻速提高12.00%~257.14%，在实际应用中取得了较好的结果。单井较邻井节约工期3~17 d，累计节约钻井周期45 d，节约钻井费用239万元。

基于该2款钻头的成功设计及在准噶尔盆地石炭系火山岩的成功应用，验证了该钻头对凝灰岩、角砾岩及安山岩等地层的钻井提速有显著效果。

4 结论

(1) 岩芯力学试验结果表明：准噶尔盆地火山岩岩石强度大、硬度高、研磨性强且可钻性差。通过岩石室内试验与测井参数回归分析，建立了西北缘火山岩地层的多元线性回归模型，提高了火山岩岩石力学的计算精度，为个性化的PDC钻头设计与优化提供了参考依据。

(2) 针对准噶尔盆地西北缘火山岩力学特性，从钻头轮廓、布齿及水力结构等方面进行优化设计，研发出2种型号的非对称结构双排齿PDC钻头。对抗压强度为80~120 MPa、可钻性级值为6~7的高研磨性火山岩地层，该钻头具有较好的适应性。通过多口井的现场试验，探索出新型钻头的适用岩性及力学特性范围，其钻井提速效果显著。