新型定向井PDC钻头的研制与应用

杨波 徐聪(中海油田服务股份有限公司 深圳 518067)

前言

随着石油业的进一步发展，定向钻井技术的应用范围也越来越大。实践证明，定向井技术是提高石油勘探开发效率的有效技术之一，而PDC钻头以其自身的性能优势，在定向井钻井中发挥出越来越重要的作用。PDC钻头与牙轮钻头相比，具有更高的机械钻速和更长的使用寿命，因此在石油钻井中得到越来越广泛的应用。同时，PDC钻头也存在一定的缺陷，例如定向性能不稳定，不易控制，易导致井下动力钻具减速停机等现象。因此，需要对PDC钻头进行进一步的研制与改善，从而使其更好的应用于定向钻井工作当中。

一、一种新型定向井PDC钻头介绍

定向井PDC钻头设计

该定向井PDC钻头采用的是冠部轮廓设计，依据等切削和等磨损的原则进行设计的。该设计非常适合于多夹层的地层。该钻头具有冠部轮廓形状：中等深度内锥、双圆弧冠部轮廓和较短的外锥长度。其中，双圆弧形的冠部轮廓剖面有利于钻头表面在进行切削齿布置时更加有效，并且钻头切削齿从鼻部到保径有非常完美的过度。另外，中等深度的内锥结构能够提高钻头稳定性，同时在降低钻头的横向震动方面也有很好的效果。为了减小钻头与井壁的接触面积，还设计了短外锥的结构，有效的避免了由于井壁与钻头的摩擦损耗。同时，短平式的外锥不易受到侧向位移的影响，短短的浅锥式圆形设计也有效的提高了钻头的定向灵敏度，从而更加适合在定向钻井作业中使用。

另外，为了避免传统PDC钻头掉片、崩片、剥蚀脱层以及过度磨损等损害情况的发生，该设计在切削片齿的选择和切削结构设计上下了一定的功夫。新型定向PDC钻头具有复合切削结构，能够有效的提高钻头的稳定性和寿命。该设计利用不同结构的PDC复合片作为主切削元件，从而降低了岩屑对切削齿表面的粘附，改善了岩屑的运移状况。另外还有两个不同直径的抛光PDC复合片用作辅助切削片，作为损坏切削齿的备用齿，从而提高钻头的寿命，加强钻头的动态稳定性，减小钻头在切削过程中的损害。

根据PDC复合片的破岩机理以及地层特性，对切削齿的角度、密度和布齿方法进行了设计。随着地层的硬度从低到高，切削齿的切削监督也逐渐从小变大，但是一般切削齿的切削角度控制在10°～30°。同时，随着钻头切削刀翼的不同，切削齿的侧转角度也会发生改变。一般切削刀翼上的切削齿侧转角度在范围5°～15°。该设计中切削齿的钻头中心是向外的，并且设计中的前倾角度逐渐从15°增加到20°。所钻地层的硬度和研磨性决定了钻头的布齿密度。新型定向PDC钻头偏向于依据硬夹层的布齿密度进行布齿。另外，钻头在软硬地的交界面进行钻井工作时，易发生振动，从而造成掉片等损坏，因此，该设计在这些部位进行了双重切削齿布齿，从而提高了该部位的布齿密度，提高了钻头的抗冲击性，从而在很大程度上延长了钻头的使用寿命。

另外，新型定向井PDC钻头通过利用螺旋状刀翼结构能够分散切削齿切削地层的切削力，能够有效降低钻头螺旋状刀翼和井壁间接触作用力以及钻头的回旋次数。另外，螺旋式刀翼令切削齿存在侧转角，对于钻井液携带岩屑，清洗井底岩屑有很大的帮助。除此之外，该设计对提高与井壁的接触面和钻进稳定性有很大的帮助。

在水利设计上，新型定向井PDC钻头也存在一定的优势。在满足清洗井底、冷却PDC钻头和携带岩屑的基础上，对喷嘴方位角进行适当调整能够使喷嘴的射流尽量避开钻头刀翼，指向较大的排屑槽，从而能够降低水利能力对刀翼体和切削齿的冲蚀，还能够减小喷嘴水利能力对钻头体的冲蚀。另外，增加钻头排屑槽的深度也有助于增加喷嘴到井底的距离，从而降低喷嘴射流反射到钻头体的能量，降低了射流对钻头的冲蚀。

二、新型定向井PDC钻头的使用效果

通过利用新型定向井PDC钻头在商13531井、街2斜2井、街2斜14井等7口井的现场试验表明，在滑动钻进过程中，新型定向井PDC钻头不会随着钻压的变化而产生很大的偏差，可操控性比较高，并且造斜率非常符合理论评估的结果。在钻井过程中使用新型定向井PDC钻头能够很好的提高钻井和下井套效率以及井身的质量，并且与常规PDC钻头进行比较之后发现，符合钻进机械钻速和定向钻进机械钻速都有明显提高。

结束语

PDC钻头在定向井钻井中应用越来越广泛，随着定向井PDC钻头理论和技术的不断研究与开发，PDC钻头能够更有效的提升定向井钻井的准确性和钻井效率。本文介绍了一种新型定向井PDC钻头，并且通过现场试验证明，该钻头滑动钻进时钻压变化的敏感度小，工具面可控性好，复合钻进机械钻速和定向井机械钻速较常规PDC钻头都有较大幅度提高，且提高了钻井和下套管效率及井身质量。

[1]齐林,周大千,江胜宗.用钻头与地层相互作用模式预测井眼轨道[J].大庆石油学院学报，1995，19(4):113-116.

[2]杨庆理.复杂地层 PDC钻头个性化设计及应用研究[D].东营:中国石油大学(华东)，2007.