AD区块复合钻井用PDC钻头个性化设计

韩汝峰

【摘要】AD区块查干组地层厚度35～397.85m，地层非均质性极强，可钻性波动幅度大，地层软硬极为悬殊，并交替出现，对PDC钻头的工作极为不利，造成现有钻头适应性差，钻井速度慢，制约了该区块优快钻井。因此，针对该区块地层特点，对复合钻井用PDC钻头的钻头冠部形状、外部剖面形状、切削齿及保径齿的选择上进行了个性化设计。现场应用表明：研制的个性化钻头，平均机械钻速和单只钻头进尺分别提高了21.29%和20.12%，较好的匹配了该地层复合钻进技术特点。

【关键词】复合钻井 可钻性 PDC钻头 个性化设计

滑动钻井与旋转钻井相结合是复合钻井技术的一大优点。滑动钻井定向纠斜与旋转方式钻井有效地减少了起下钻次数，提高了机械钻速，缩短了钻井周期，是一种高效的可控钻井方式。近年来，世界各国普遍利用井下动力钻具-转盘或顶驱复合钻井技术来提高钻井速度，但井下动力钻具容易发生转速降低或制动现象，达不到复合钻井的预期效果。AD区块查干组地层非均质性强，可钻性波动幅度大，地层软硬极为悬殊，并交替出现，对PDC钻头的工作极为不利，笔者针对该区块地层特点，研制了复合钻井用个性化PDC钻头。

1 AD区块查干组岩石可钻性分析

A D区块查干组地层厚度在3 5～397.85m，砂岩主要为凝灰质不等粒砂岩、凝灰质含砾不等粒砂岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质中砂质细砂岩、凝灰质含泥不等粒砂岩和薄层不含凝灰质的砂砾岩。砂岩一般为细粒到中粒，分选中等，颗粒排列中等到紧密。孔隙发育较差，大小颗粒杂乱分布。利用实钻岩心对该层岩石可钻性级值进行了室内试验，如表1所示。

由表1可知，该层位岩石非均质性极强，可钻性波动幅度大，岩石可钻性级值最小值为3.08，最大值为6.84，地层软硬极为悬殊，并交替出现，对PDC钻头的工作极为不利。对该层位采用了复合钻井技术，由于该技术高转速，多工况的技术要求，以及该区块复杂的地层特点，造成现有PDC钻头适应较差，机械钻速低，因此开展了该层位复合钻井用PDC钻头个性化设计。

2 复合钻井技术对PDC钻头要求

复合钻井技术具有高转速特征，钻头的工作转速一般会高于170 r/min。由于没有活动部件，高转速对PDC钻头造成的影响较小。但复合钻井时钻头工作转速是常规转盘钻井的3～4倍，切削齿和钻头保径所承受的冲击载荷增大、磨损程度加剧，应优选抗冲击性能较好的金刚石复合片，并加强钻头保径的耐磨性，保证钻头使用寿命。

复合钻井技术具有多工况特征。用于复合钻进的PDC钻头，在滑动钻井时要具有较低扭矩的特性，满足摆放工具的需要，在旋转钻井时对地层又要具有较好的吃入性，提高破岩效率和机械钻速。应综合考虑钻头设计参数，满足增斜、稳斜、扭方位等不同工况和快速钻进的需要。

3 新型PDC钻头结构优化设计3.1 钻头冠部形状设计

PDC钻头冠部形状决定着PDC钻头的布齿面，将影响钻头的稳定性、井底清洗、钻头磨损及钻头各部位的载荷分布。PDC钻头冠部剖面形状有四种基本类型，即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型，其中平底型和浅锥型，由于内锥较浅，起不到稳定钻头的作用，钻头工作时很容易产生横向振动，造成切削齿的冲击损坏，尤其钻遇硬夹层时，常常因冠顶齿和外部齿的先期磨损而导致钻头失效，钻头中心附近的切削齿得不到最有效的利用，从而对钻头寿命造成严重的影响。中锥型冠部剖面形状具有一定深度的内锥和较大的布齿面积，外部区域可布置较多的切削齿；一定深度的内锥可起到稳定钻头的作用，减少钻头的横向振动，延长钻头工作寿命。中锥型冠部剖面具有较强钻进硬夹层的能力，钻遇硬夹层时，钻压的分配更集中于钻头冠顶部位，使冠顶切削齿更容易吃入较硬的地层。长锥型冠部剖面形状通常为近抛物线形，在四种剖面形状中布齿面积最大，钻头外部可布置较多的切削齿，主要适用于高转速钻头的设计。

针对AD区块查干组地层软硬交错，夹层多的特点，采用中锥型剖面形状，外部剖面形状为短抛物线形，这种剖面设计同时兼顾了复合钻进PDC钻头对造斜性能的要求。

3.2 切削齿的选择与切削结构设计

3.2.1 双重保护切削结构设计

复合钻进用钻头需要完成造斜、稳斜、扭方位等多个工况，对PDC钻头的综合性能要求较高。合理的设计吃入深度控制机构，能够既有效地控制滑动钻进时的钻头扭矩、减少工具面波动，又不会明显降低复合钻进时的机械钻速。综合考虑AD区块查干组地层情况和复合钻井特点，最终采用双重保护切削结构，如图1所示。这种结构不仅可以获得稳定的钻头工作扭矩，对提高钻头寿命也起到重要的作用：在钻头钻遇硬地层或砾岩层时，辅助切削齿分担冠部切削齿的钻压，减小冠部切削齿的损坏几率，同时参与切削岩层，增加钻头的使用寿命。在进入软地层时，这种双重切削结构可以减缓钻压的突然改变，减小钻头的震动，从而保护切削齿不受损坏。

3.2.2 切削齿形状和尺寸选择

AD区块查干组含有软硬互层和砾岩层，由于砾石相对地层较硬，引起切削砾石的切削齿承受较大钻压和扭矩，同时在相对较软地层中钻进的钻头的机械钻速较快，因此在与较硬砾石接触时容易导致切削齿崩断、碎等事故的发生[5]。为消除应力集中，减小切削齿崩裂失效的可能性，采用了预倒角结构，如图2所示，锥度为10°，锥面长度为2mm。通过预倒角结构，提高切削齿抵抗轴向和切向冲击载荷能力。