引言

套管开窗侧钻技术的核心是要有可靠、高效的钻铣工具。但在深井/超深井硬地层井段开窗侧钻作业中，由于套管壁厚且强度高、岩石可钻性差，极易造成开窗钻头切削齿先期钝化，导致开窗效率低，甚至开窗失败^[1-2]。据资料统计，中国某油田于2007—2010年间共完成89口套管开窗侧钻井，其中ϕ77.8 mm套管井71口，ϕ244.5 mm套管井18口。ϕ177.8 mm套管开窗位置均超过6 000 m井深，套管壁厚达到11.51 mm或12.65 mm，套管钢级主要为P110，开窗施工周期平均达到了15~30 d；ϕ177.8 mm套管井开窗点多集中在巴楚组、桑塔木组、卡拉沙依组，而该地层岩石处于高围压下的三向应力状态，强度高且塑性大。目前复式铣锥(图 1)被中国各油田做为主要开窗钻铣工具使用，这种钻铣工具是利用堆焊于铣锥头部的硬质合金颗粒磨铣套管^[3]，由于受限于硬质合金材料性能及铣锥轮廓外形，从而导致铣锥侧切套管的能力不足。当复式铣锥单只钻穿套管后，铣锥头部已被剧烈磨损，再次钻磨套管外的高强度致密岩层其机械转速大幅度降低，铣锥被迫沿最小阻力方向钻进(顺老套管走)，导致了深井开窗成功率较低。因此，需要针对深井/超深井研究设计高性能的套管开窗钻铣工具。在深井/超深井硬地层、高强度厚壁套管开窗侧钻作业中，目前尚未见既能高效侧切金属又能快速切削岩石的钻铣工具。

为了解决深井/超深井开窗侧钻作业中铣锥难以实现快速分叉的问题，满足现场作业需求^[4]，采用一组复合齿侧切套管完成开窗作业、再用切削岩石的齿组切削岩石的设计理念^[5]设计出一种新型的双作用强侧切开窗钻头(后文简称开窗钻头)。该钻头的切削齿以圆柱形硬质合金齿为主，改变了铣锥与套管的互作用方式。鉴于规律性分布于钻头基体上的圆柱形硬质合金齿具有规则的几何形状与尺寸^[6]，实现了可以根据作业井段套管及岩石的性能参数设计满足开窗作业需求的个性化专用钻头。

1 双作用强侧切开窗钻头的设计 1.1 切削齿选型

深井/超深井套管开窗侧钻施工当中，铣锥的钻磨对象是具有高强度(钢级P110及以上)的厚壁(壁厚主要为11.51 mm或12.65 mm)套管，以及具有高强度和高塑性的岩石，因此与普通套管开窗侧钻相比，开窗铣锥的工作强度和工作量都增加了。由于硬质合金颗粒切削刃的不规则性及其在普通套管开窗铣锥表面分布的随机性，使其在使用中无法科学地确定施工参数，难以一次性实现工艺设计要求。因此，开窗钻头切削齿的齿型需要根据深井/超深井套管开窗侧钻的特点进行选择。

切削齿的设计与选型是基于所切削的对象^[7]。与YT5硬质合金相比，ZK30硬质合金的强度、抗冲击性、抗震性和耐磨性均较高，选用ZK30硬质合金切削齿切削金属套管，两种硬质合金切削刀片牌号及性能参数见表 1。由于巴拉斯齿具有很好的热稳定性、更好的耐磨性和更高的抗冲击强度，可以满足各种复杂地层钻进的需要，因此，选用规格Δ6 mm×6 mm×6×4 mm的三角形巴拉斯(图 2a)作为深井/超深井硬地层开窗钻头的切削齿。ZK30硬质合金齿形状如图 2b所示，自带5°的切削角，便于切削齿的安装，针对常用的7"(1"=2.54 cm)套管开窗钻头，选择ϕ12 mm×ϕ10 mm×6 mm硬质合金齿作为套管切削齿。

1.2 开窗钻头轮廓设计

综合考虑开窗钻头钻铣套管和钻进地层的特点，基于参数设计法对开窗钻头进行双圆弧轮廓设计^{[4, 8-9]}，其中双圆弧由顶圆和外圆构成。

开窗钻头外轮廓由柱面+内锥-双圆弧面的复合曲面构成(图 3)。将开窗钻头头部设计为内锥-双圆弧面的主要考虑因素为：内锥的设计考虑了钻头钻进的稳定性及载荷分布的均匀性，双圆弧面是采用“等切削、等磨损”布齿理论。

以7"套管开窗侧钻为例，设计开窗钻头外径为ϕ149 mm、基体总长为120 mm、柱面长度为110 mm，钻头头部曲线参数条件为：$R_1>R_2$且$l>h$，由此推导出$R_1$、$R_2$与各结构参数间的关系见式(1) 和式(2)。

$ \dfrac{{{l^2} + {h^2}}}{{2h}} \leqslant {R_1} \leqslant + \infty $

(1)

$ \dfrac{{{l^2} + {h^2} - 2{R_1}h}}{{2(l - {R_1})}} \leqslant {R_2} \leqslant \dfrac{{{l^2} + {h^2}}}{{2h}} $

(2)

式中：$l$—冠顶距，mm；

$h$—冠部高度，mm；

$R_1$—顶圆半径，mm；

$R_2$—外圆半径，mm。

开窗钻头基体冠部轮廓曲线如图 4所示($H$—轴向坐标，mm；$R$—径向坐标，mm)，设顶圆半径$R_1=50$ mm、外圆半径$R_2=10.5$ mm、冠部高度$h=9.32$ mm、冠顶距$l=17.43$ mm，完整的开窗钻头基体形状如图 5所示。与图 1所示的开窗铣锥相比，图 5所示开窗钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小，根据Khalid Nawaz^[10]等人的研究成果可知，该类型钻头轮廓具有更强的侧向切削能力，开窗钻头实现了强侧切功能。

1.3 开窗钻头布齿方案设计

开窗钻头的性能主要取决于钻头齿面结构设计，布齿设计是指各切削齿在钻头表面的空间位置分布，合理的布齿设计能使钻头上的切削齿达到“等切削、等磨损”的效果^[11]。

(1) 针对套管开窗后开窗钻头钻进地层可钻性差的问题，在开窗钻头基体的内锥-双圆弧面与柱面布置巴拉斯齿，且露齿高度低于硬质合金齿0.2~0.3 mm(根据开窗过程中硬质合金齿切削套管的总磨损量确定)。目的是在钻头切削套管过程中保护巴拉斯齿，使其免受损伤，同时在开窗钻头钻进地层前达到自锐效果^[12]。根据方彬^[13]和杨海涛^[14]等对金属切削露齿高度的研究结果，并综合考虑作者多年的开窗侧钻现场实践统计数据，本文设计的开窗钻头硬质合金齿露齿高度为2.5 mm，巴拉斯齿露齿高度为2.3 mm。

(2) 起始于开窗钻头基体中心的三维等距螺旋线是硬质合金齿的分布基线，式(3) 为三维等距螺旋线的参数方程，螺距根据开窗钻头进尺和切削齿的形状尺寸确定^[15]，在本文设计中螺距取13.8 mm。

$ \left\{ \begin{array}{l} x = {r_1}\cos \left( {360mT} \right)\\ y = {r_1}\sin \left( {360mT} \right)\\ z = nT \end{array} \right. $

(3)

式中：$x$，$y$，$z$—三维坐标，mm；

$r_1$—螺旋线半径，mm；

$T$—螺旋线控制参数，无因次；

$m$—螺旋线的圈数，无因次；

$n$—螺旋线的高度，mm。

硬质合金齿的分布点是通过平分钻头基体的各个轴面内的开窗钻头轮廓线与三维等距螺旋线的交点而确定，图 6为硬质合金齿分布点的局部示例。起始于第一圈螺旋线(图 7)、从内锥-双圆弧面分布直到柱面为三条主硬质合金齿带(1、2、3)；依次起始于第二至第三圈螺旋线并止于柱面为三条次硬质合金齿带(4、5、6)；巴拉斯齿按照起于钻头中心的三维渐开线(基圆半径为2.5 mm)规律性分布于钻头剩余表面；三维渐开线的参数方程见式(4) 与式(5)。

$ \left\{ \begin{array}{l} x = 2\pi {r_2}t\left( {\cos \alpha + \sin \alpha } \right)\\ y = 2\pi {r_2}t\left( {\sin \alpha - \cos \alpha } \right)\\ z = \beta \end{array} \right. $

(4)

式中：$r_2$—渐开线基圆半径，mm；

$t$—渐开线控制参数，无因次；

$\alpha$—渐开线度数，(°)；

$\beta$—渐开线的高度，mm。

渐开线方程为

$ \alpha = 360t\omega $

(5)

式中：$\omega $—渐开线度数控制参数。

利用等距螺旋线作为硬质合金齿的布齿方式时，在同一螺旋线上，越往钻头外侧相邻切削齿之间的切向间距越小，切削齿的径向密度则越大^[16]；使用渐开线作为开窗钻头巴拉斯齿的分布基线时，由于渐开线控制每个切削齿的径向坐标各不相同^[17]，随着渐开线基圆半径增大，切削齿的径向间距减小，这使得开窗钻头外侧及柱面切削齿的分布密度要高于钻头中心区域。与同心圆布齿方式相比，等距螺旋线和渐开线布齿均具有螺旋交错布齿规律，切削齿的分布密度和井底覆盖率较好，能较好地消除切削死区，所以等距螺旋线和渐开线布齿方式非常适宜于开窗钻头。

(3) 在柱面尾部的六条硬质合金齿带之间布置保径块，保径块由三颗圆柱形硬质合金保径齿做成(图 8)，其露齿高度为2.2 mm。

根据上述布齿设计方法得到的开窗钻头硬质合金齿的空间分布如图 9所示。由于开窗钻头以切削套管为主、破岩为辅，硬质合金齿的位置分布较为关键，其切削截面覆盖率将直接影响开窗钻头的开窗效率^[18]。通过零进尺时硬质合金齿绕开窗钻头轴线旋转一周，得到在钻头同一轴面内形成的切削截面覆盖图(图 10)，可见硬质合金齿切削截面覆盖较为均匀，满足设计要求。据此，完成了开窗钻头的设计，其三维实体造型如图 11所示。

双作用强侧切开窗钻头具有以下特点：① 具有金属切削优势的特制自带切削角度的圆柱形硬质合金齿和具有地层切削优势的热稳定聚晶金刚石牙齿(巴拉斯)组成的双切削刃齿面结构，以高低交错复合方式布于碳化钨胎体表面，具有保护巴拉斯齿在钻头切削套管时免受损伤，保证巴拉斯齿能以全力切削地层岩石，实现高效侧切金属和岩石的双作用功能，能适应深井/超深井硬地层开窗侧钻作业；② 碳化钨胎体的外轮廓由浅锥面、双圆弧面和柱面组成，整个钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小，在窗口处有较强侧切力，可弥补普通铣锥在深井/超深井厚壁套管开窗侧钻作业中难以快速分叉的缺陷；③ 钻头采用碳化钨粉末和模具成型技术一体式烧结而成，制造工艺简单。

2 开窗钻头加工工艺技术研究

设计的开窗钻头的切削齿是自带切削角度的硬质合金齿和三角形巴拉斯齿，由于巴拉斯齿型较小、数量较多、分布较为密集，沿用钻孔镶焊齿的方式很难固定硬质合金齿和巴拉斯齿。因此，开窗钻头的加工方式设计为以碳化钨粉末为胎体，通过烧结的方式完成，其制造工艺主要包括以下步骤。

(1) 制作模具：按照内锥—双圆弧面—柱面制作模具内型，该模具内型的尺寸是根据钻头布齿后的外轮廓尺寸确定的，分布硬质合金齿的倒模内壁比分布巴拉斯齿的倒模内壁低0.2 mm。

(2) 涂松胶：在模具内壁涂上一层松胶，松胶厚度等于切削齿的露齿高度，并进行布齿区域划分标记。

(3) 标记布齿基准：在硬质合金齿分布区域进行基点位置标记，在巴拉斯齿分布区域进行渐开线尺寸的标记。

(4) 制作基体：在所得模具内制作与水槽、水眼和保径齿相对应的基体，并将保径齿放入对应的基体内。

(5) 布齿：以碳化钨胎体轮廓线为基准排布硬质合金齿带，再将巴拉斯齿以渐开线为基准布于硬质合金齿带之间，如图 12所示。

(6) 烧结成型：在S1中得到的模具端面填充碳化钨粉末，将加工好的带接头钢芯放入模具内并保证钢芯与模具的同轴度，通过参数控制钢芯放入的深度，再用碳化钨粉末填满钢芯与模具柱面之间的空隙进而完成造型，最后通过热压烧结成型；热压烧结时先将造型预热80 min，然后控制烧结温度为1 100℃、烧结135 min，保温2 h，冷却2 h。

烧结成型的开窗钻头如图 13所示。

3 现场应用

将研制的深井/超深井套管开窗工具应用于塔河油田TP17CX井的7"套管开窗作业，套管钢级TP110TS、壁厚12.65 mm、开窗点井深6 465.82 m、开窗层位为奥陶系桑塔木组、固井质量：优。首先下入造斜器至开窗位置，进而开泵循环钻井液使造斜器实现可靠坐封，最后下入开窗钻具进行开窗作业。

开窗钻具组合：ϕ127 mm钻杆+ϕ73 mm钻杆+ϕ89 mm加重钻杆+ϕ144 mm扶正器+ϕ149 mm双作用强侧切开窗钻头。

开窗施工参数为：(1) 排量14 L/s，泵压17 MPa，转速70 r/min，钻压1.0~2.0 t，强行侧切套管并开透，开窗钻头钻入地层至4.1 m；(2) 转速80 r/min，钻压0~0.5 t，通过上提下放钻具组合对窗口进行修整，直到上提下放钻具过程中在窗口处无挂卡现象为止；(3) 采用3.0~5.0 t的钻压，70 r/min的转速继续裸眼钻进至6.4 m，根据振动筛处的砂样可判定窗口已成功形成，累计用时48 h，施工前后的开窗钻头如图 14所示。

塔河油田TK1102CH2井7"套管段铣侧钻未成功后改用斜向器进行开窗作业，开窗层位为奥陶系桑塔木组、固井质量：优、套管钢级TP110TS、壁厚12.65 mm、开窗位置井深为5 840 m。斜向器坐封成功后，下入ϕ149 mm常规磨铣式铣锥进行开窗，共计使用3只ϕ149 mm铣锥，磨铣进尺分别为1.80，2.80，3.16 m，累计进尺7.76 m，累计用时160 h。

传统磨铣式铣锥切削套管产生的铁屑为碎末或丝状(图 15a)，本文设计的切削式双作用强侧切开窗钻头切削套管产生的铁屑为片状(图 15b)，可见开窗钻头的切削效率得到了大幅提升；同时，开窗钻头和传统磨铣式铣锥的平均单位进尺时间分别为7.5 h/m与20.6 h/m，这表明采用双作用强侧切开窗钻头的TP17CX井的开窗效率比采用传统磨铣式铣锥的TK1102CH2井提高了近2.6倍以上。

4 结语

针对深井/超深井套管开窗侧钻的特殊性问题，研究设计了一种深井/超深井开窗钻头及其专有加工工艺技术，完成了该新型开窗钻头的加工制造，并进行了现场推广应用。现场实际应用表明，研制的双作用强侧切开窗钻头由于采用了优化的布齿设计，自带切削角度的超硬硬质合金齿与巴拉斯齿分别实现了高效切削金属与岩石，与传统磨铣式铣锥开窗相比，双作用强侧切开窗钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小，在窗口处有较强侧切力，切削套管产生的铁屑为大片状，比传统磨铣式铣锥的开窗效率提高了2.6倍以上，大大节省了窗口形成的施工时间和施工成本，能很好地适应深井/超深井硬地层的套管开窗侧钻作业，可弥补普通铣锥在深井/超深井厚壁套管开窗侧钻作业中难以快速分叉的缺陷；同时双作用强侧切开窗钻头采用碳化钨粉末和模具成型技术一体式烧结而成，制造工艺简单可靠。