超高温地热钻井高效耐磨PDC钻头研制及应用

胡书锴，田 锋，李汉月，穴 强，郭敬屯，高清春，张召峰，于洪波

(1长江大学 2中国石油集团渤海钻探工程公司第三钻井分公司 3中国石油集团渤海钻探工程公司定向井分公司 4中国石油集团长城钻探工程有限公司)

地热资源是一种清洁高效的非常规新能源，加强地热能高效开发，是当前国内外能源形势的客观需求[1-2]。肯尼亚地热富集区地层主要由火山喷发岩沉积的开放性隆起构造组成，钻井难度大[3-4]。以OLKARIA区块为例，从地表到目的层都由火山岩组成。除地层岩石硬、研磨性高等特性之外，地层温度极高，地表300 m温度高达180℃以上，深井最高温度达350℃。出于对PDC钻头切削齿热磨损效应的考虑，认为高温地热钻井中不适合使用PDC钻头，因此，国内外在解决高温地热井所遇到的问题时，多是基于牙轮钻头来开展的[5-7]，很少将PDC钻头应用于高温地热钻井中，导致地热钻井效率不够理想。

本文通过对高温地热钻井钻头破岩机理的学习和认识，结合高研磨性地层PDC钻头设计经验，通过优化PDC切削齿结构，创新PDC扁喷嘴水眼结构，优选耐热耐冲击PDC复合片并突破国内脱钴技术极限，设计并研制了超高温地热PDC钻头，在现场取得了成功应用。

一、超高温地热PDC钻头设计

1.切削结构设计

肯尼亚地热钻井地层岩石自2 500 m以下井段，以粗面岩、凝灰岩和玄武岩为主，含有石英、赤铁矿、正长石等中等硬度、较高研磨性岩石成份，岩石可钻性级值在6级左右，主要采用空气泡沫钻井工艺[8]和牙轮钻头钻进[7]，但钻进效率不够理想。

根据现场调研的钻头使用情况及高研磨性硬地层PDC钻头设计经验，设计了一种适用于Ø215.9 mm井眼的地热钻井PDC钻头。采用5刀翼胎体式结构，保径长度：94 mm，主切削齿：21枚/Ø19 mm，规径齿：12枚/Ø16 mm，二级后备齿：17枚/Ø16 mm，倒划眼齿：5枚/Ø16 mm。其三维模型如图1所示。

图1 PDC钻头3D设计模型图

利用现有PDC钻头数字化钻进分析技术[9]对该PDC钻头进行了数字化仿真分析，发现在钻头吃深为1.00 mm/转(钻速4.50 m/h左右)时，在钻头180°方向上形成了一个较大横向力。分别对各刀翼的翼间角调整优化为：82.03°、70.69°、77.94°、64.30°。通过优化调整可使该钻头横向不平衡力系数控制在0.064以内，满足工程要求。

通过仿真分析还发现，在一个单位时间段内第11、13号齿的切削体积相对于其他齿明显偏高，而这颗齿正好位于钻头冠顶位置的外侧钻头最易受到破坏的部分，而第4和第15颗齿的切削体积又相对较小，如图2所示。

图2 PDC钻头各切削齿切削体积分布图

后续钻头设计主要针对以上问题进行相应调整，比如通过调整这些齿的定位半径，使其各切削齿的瞬时切削体积的分布更加规律，并进一步降低钻头横向不平衡力系数。

2.“扁喷嘴”水力结构设计

PDC钻头应用于高温环境下的地热钻井施工，金刚石复合片的热磨损应为钻头主要失效形式之一，因此在特殊环境下如何提高钻头的冷却效率，应为地热钻井用PDC钻头水力结构设计的关键。从提高钻井循环介质循环效率，强化冷却能力的角度考虑，提出了一种新的水眼结构设计方案——“扇形扁喷嘴”(简称“扁喷嘴”)结构。该喷嘴的出口形状为类矩形结构，如图3所示。

图3 “扁喷嘴”水力结构设计

在相同的排量及泵压下，常规钻头由于喷嘴过流面积小且喷嘴数量较少，总过流面积小，因此整体喷射流速较高；对于“扁喷嘴”钻头，其有效过流面积增大，整体流速有所降低，且钻头处压耗较低，可更有效利用钻井循环系统的水力能量。而且，“扁喷嘴”对于整个刀翼的冷却清洗较为均匀，切削齿表面流速值的梯度比较平缓，并且在高切削量的位置流速相对较高，这一特点尤其适合于地热钻井，明显优化提高了水力能量的分配，降低了出现部分齿热量过高的情况。数值模拟表明：相比传统喷嘴，“扁喷嘴”水力结构能够使切削齿表面流速分布更均匀，岩屑运移及切削齿的冷却效果更好，如图4所示。

图4 扁喷嘴介质流速云图

3.PDC复合片优选

PDC复合片是钻头的最重要的切削元件，“热磨损”现象是难钻地层PDC钻头切削齿失效的主要原因。因此，在高温地热井PDC钻头的研制过程中，除了在水力结构设计采用针对性的冷却措施以外，还必须在耐热、耐冲击高性能PDC复合片技术上下功夫。

共选取了六种性能较好的PDC复合片作为优选对象，其中包括国外三家公司的四种齿和国内具有代表性的两家公司的两种齿。分别开展了C扫描分析、表面SEM检测、VTL湿磨检测、落锤冲击检测、旋转冲击检测和脱钴层检测等七项检测分析。具体指标参数见表1所示。

表1 PDC复合片样品规格参数

实验测试分析结果表明，从耐磨性上，1613XM、1308CKF、1613PR、1613GOS和1613C五种齿的耐磨性能均较好，且差异不大。而从冲击载荷测试实验中可以看出，1308CKF、1613XM、1613GOS和1613PR四种齿性能相近。而从总体情况来看，国外的切削齿综合性能较国内两种齿要高一个层次。在完成基齿的性能比较分析后，将上述六种齿都进行脱钴技术处理，以增强在地热钻井条件下的高温耐磨、耐冲击性能。

在制造PDC复合片时通常采用钴、镍、铁作为烧结助剂对金刚石粉进行超高压高温烧结，钴在PDC复合片烧结过程中起到了催化剂的作用，但在PDC复合片的使用过程中造成了破坏性的影响。为此，引入了复合片“脱钴”技术思想。所谓“脱钴”，就是通过各种技术工艺手段，使复合片中弥散分布的钴析出，从复合片的金刚石层脱离，以防止金刚石石墨化和减少热膨胀带来的应力集中裂纹，提高PDC复合片的耐热性和耐磨性。复合片经脱钴后，其抗磨性能可得到显著提高(室内实验测试结果表明，耐磨寿命最高可达一个数量级之多)。

对上述六种基齿进行脱钴处理后，开展了脱钴PDC复合片耐磨性能检测、旋转冲击检测和脱钴层深度分析。结果表明，1613GOS齿和1613ZT齿耐磨性能相当，耐磨性较强；1613C齿和1308CKF齿耐磨性能相当，耐磨性适中；1613PR齿和1613XM齿性能相当，耐磨性较差。其中的1613GOS齿抗冲击性性能优异，在实验标定测试条件下，可承受6 052次冲击载荷，且发生崩损后刃口小，裂纹扩展不明显，具备了应用于肯尼亚地热钻井钻头的切削齿的高温耐磨性、高抗冲击性等综合力学性质。1613GOS复合片同样具有良好的脱钴性能，脱钴深度达到了0.42～0.5 mm(国外最大脱钴深度为0.6 mm)，耐磨性能显著提高，从而为深部难钻地层高性能个性化金刚石钻头提供了有力的关键材料保障。

二、现场应用效果

选取了肯尼亚项目某地热井2 000 m以下井段进行了现场试验。试验井段为2 497～3 000 m(斜井段，井斜角20°)，岩性为粗面岩、黑花岗岩、微花岗岩，2 600 m以后以微花岗岩为主。钻头在2 497 m入井，一直钻到设计井深3 000 m，总进尺503 m，纯钻时间67.2 h，平均钻速为7.5 m/h。

与同平台3口邻井(使用牙轮钻头)钻井情况进行了对比，对比情况见表2。由表2中数据可以看出，PDC钻头进尺比牙轮钻头的平均单只进尺提升了465.2%，相当于6.3只牙轮钻头的进尺，纯钻时间提升了194.0%，ROP提升了91.8%。

表2 PDC钻头与邻井三牙轮钻头性能指标对比

三、结论

(1)研制了超高温地热井专用PDC钻头。设计了新型“扁喷嘴”水力结构，增强了高温冷却效果；优选抗冲击复合片，突破国内复合片深脱钴技术极限，提高了切削齿耐热、耐磨、耐冲击性能。

(2)研制的超高温地热钻井专用PDC钻头平均机械钻速7.49 m/h，相比牙轮钻头提升91.8%，单只专用PDC钻头的进尺相当于以前的4～9只牙轮钻头，极大地提高了高温地热井钻井效率。