牙輪鉆頭是一種常用鉆頭，經(jīng)過了長(zhǎng)期的實(shí)際應(yīng)用，自從20世紀(jì)早期投入使用以來，歷經(jīng)多次改進(jìn)，持續(xù)地滿足了不同地層的鉆進(jìn)需求，幫助鉆井工藝不斷取得新突破。鉆頭采用錐形牙輪，牙輪周邊鑲嵌尖狀切削齒，隨著鉆桿的旋轉(zhuǎn)在井底旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，持續(xù)破碎巖層，并通過流體噴嘴將巖屑清除。

20世紀(jì)50年代早期，隨著碳化鎢鑲齒工藝的發(fā)展，鉆頭技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，一種更加耐磨的切削結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，它尤其適合于堅(jiān)硬地層的鉆井作業(yè)。通常碳化鎢鑲齒鉆頭在幾個(gè)同心齒排上安裝切削齒，在鉆進(jìn)過程中，每排齒向外形成同心環(huán)，但是由于相鄰齒排之間的嚙合或重疊，切削齒會(huì)在鉆進(jìn)中形成巖石脊峰，使鉆頭又重新回到追蹤進(jìn)入排齒之間的溝槽或孔洞中。這種鉆頭追蹤現(xiàn)象降低了鉆頭井底覆蓋面積，對(duì)鑲齒增加了額外應(yīng)力，常常會(huì)加劇鑲齒磨損，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低，延長(zhǎng)鉆井時(shí)間。

隨著數(shù)字模擬和模型技術(shù)的進(jìn)步，斯倫貝謝子公司Smith Bits設(shè)計(jì)了Xplorer Helix螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)鉆頭。該鉆頭可以解決上述問題，滿足作業(yè)者不斷提高鉆頭性能和油田經(jīng)濟(jì)效益的需求。2017年11月，作為Xplorer高級(jí)牙輪鉆頭組合的一部分研究?jī)?nèi)容，Smith Bits公司采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，將鑲齒以交錯(cuò)、螺旋式布置于鉆頭上，使得機(jī)械鉆速在某些條件下提高20%到50%以上。

交錯(cuò)布置使更多的切削齒與地層巖石接觸，提高了鉆頭井底覆蓋面積和巖石破碎效率，同時(shí)以螺旋方式布齒，避免了鉆頭追蹤問題，防止切削齒磨損，這種耐磨的螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)尤其適合大位移井鉆進(jìn)作業(yè)。

數(shù)字平臺(tái)促進(jìn)鉆頭開發(fā)

螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)開發(fā)18個(gè)月來，Smith Bits進(jìn)行了IDEAS集成動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)/分析平臺(tái)以及完全鉆井模擬，其中IDEAS采用包括時(shí)間在內(nèi)的四維模擬程序模擬整個(gè)鉆柱和井身結(jié)構(gòu)，確保得到鉆頭切削面的精確模型。通過機(jī)械分析和模擬程序，在虛擬環(huán)境下實(shí)時(shí)展現(xiàn)鉆頭和地層的相互磨銑過程。目前該模型已通過多次理論計(jì)算、有限元分析軟件和室內(nèi)全尺寸鉆井實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

鉆頭開發(fā)中，首先設(shè)計(jì)的是基準(zhǔn)鉆頭和鉆進(jìn)目標(biāo)參數(shù)，包括鉆頭耐磨性、振動(dòng)、導(dǎo)向能力和機(jī)械鉆速。通過初次模擬程序確定鉆頭基準(zhǔn)性能后，再結(jié)合螺旋鑲齒布置結(jié)構(gòu)和其他不同的鉆頭參數(shù)來調(diào)整基準(zhǔn)鉆頭設(shè)計(jì)，之后再次模擬調(diào)整后的鉆頭性能，通過測(cè)量機(jī)械鉆速或鉆井速度來證實(shí)新鉆頭的性能。通過這種方式，新鉆頭的機(jī)械鉆速可以提高15%到20%，由于模擬過程非常準(zhǔn)確，工程師們可以直接將該鉆頭用于現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)中，確保首次應(yīng)用中就會(huì)提高鉆進(jìn)性能，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

碳化鎢鑲齒牙輪鉆頭適用于任何類型的鉆井作業(yè)，已在全球范圍內(nèi)各種地層中廣泛際應(yīng)用，包括美國(guó)東北部地區(qū)。目前，世界范圍內(nèi)大約有20%的鉆井作業(yè)采用該鉆頭，而在中東堅(jiān)硬碳酸鹽巖地層鉆進(jìn)中，超過40%的鉆頭為碳化鎢鑲齒牙輪鉆頭。

機(jī)械鉆速提高

科威特石油公司在1372米軟硬交互地層鉆進(jìn)中，為高級(jí)牙輪鉆頭配置了螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)，有效提高了機(jī)械鉆速。而以往使用的鉆頭都會(huì)在該地層中磨損、發(fā)生故障，本次作業(yè)的目的就是在不影響井眼質(zhì)量和鉆頭鋒利度、切削結(jié)構(gòu)前提下，提高機(jī)械鉆速。

井筒為尺寸28in的垂直井，目標(biāo)井段量深152 -1524m，鉆遇地層包括灰?guī)r、白云巖、硬石膏和頁巖的軟硬交互層。在最初采用常規(guī)碳化鎢切削結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)地層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到6000-24000psi，對(duì)鉆頭形成沖擊，磨碎切削結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低。

為保證切削結(jié)構(gòu)的鋒利以及鉆頭密封、承壓能力，科威特石油公司采用了螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)，在之后的鉆進(jìn)中避免了上述問題，并能一次鉆至總深度。

螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)為鉆井作業(yè)設(shè)定了新標(biāo)準(zhǔn)，在相同鉆井作業(yè)中，其機(jī)械鉆速要比目前最快的鉆頭鉆速提高107%，節(jié)省鉆井時(shí)間4天。此外，現(xiàn)場(chǎng)證實(shí)，鉆頭起出后仍保持較好的鋒利程度。

在中東三個(gè)油田的鉆井作業(yè)中，螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)鉆頭要比常規(guī)鉆頭機(jī)械鉆速分別提高70%、37.5%和51.8%。

在中東另外一次應(yīng)用中，作業(yè)者在三個(gè)軟灰?guī)r層油田鉆進(jìn)中采用螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭，提高了平均機(jī)械鉆速。作業(yè)目標(biāo)井為多分支井，量深為450-1200m，層段內(nèi)存在頁巖與灰?guī)r的交互層，地層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4000-8000psi。

為了應(yīng)對(duì)難鉆地層并獲得較高的機(jī)械鉆速，開發(fā)商和Smith Bits決定選用6-1/8in的高級(jí)螺旋碳化鎢鑲齒結(jié)構(gòu)牙輪鉆頭。相比常規(guī)鉆頭，新型鉆頭的機(jī)械鉆速在三個(gè)油田中分別提高了70%、37.5%和51.8%，大大降低鉆井時(shí)間。

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