页岩油水平井高效PDC钻头设计及应用

武 强，齐昌利 ，郭俊磊，毛 竹 ，王 博

（1.渤海石油装备中成机械制造公司，天津 300280；2.渤海钻探第一钻井工程公司，天津 300280）

0 引言

为进一步了解沧东凹陷孔二段的岩性变化，评价页岩油开发潜力，大港油田在官东区块部署开发了国内页岩油首口水平预探井官东1701H。全井实钻井深5465 m，孔二段水平段1456 m，最大井斜90.87°，水平位移2046 m。官东1701H，超长水平段，施工难度高，孔二段岩性为砂质泥岩，地层硬度高，研磨性强，单只钻头进尺少，机械钻速低，制约了本区块的勘探开发速度。因此，对沧东凹陷孔二段岩性利用专业地层分析软件进行可钻性分析，研发设计适合孔二段水平施工的高效一体式定向PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头。

1 地层可钻性分析

利用《地层可钻性分析》软件，对邻井的录井数据进行分析，预测地层的抗压强度、压入硬度、可钻性级值、内摩擦角、研磨性指数等表征地层抗钻能力的特性参数，建立地层抗钻特性剖面，为钻头设计和选型提供依据[1]。分析邻井（3000～4200）m录井数据，得到岩性特性剖面。沧东凹陷孔店组岩石的抗压强度（31.3～135.9）MPa，平均值为 75 MPa，内摩擦角均值 33.9°，属于中硬地层，可钻性极值的平均值4.68，研磨性指数平均值4.4，塑性系数1.49。

2 高效PDC钻头设计

2.1 头型设计

新型高效PDC钻头冠部头型设计依据孔二段岩性特点和水平段钻井特征来进行设计。孔二段砂岩研磨性高、可钻性差，水平段钻进需要提升钻头的肩部布齿密度，因此在等磨损设计原则的基础上，采用新型冠部轮廓为浅内锥-双圆弧的特征。

浅内锥-双圆弧冠部头型不仅提升了钻头心部齿的切削效率，而且可降低肩部切削齿的应力载荷集中，最大程度实现所有切削齿的均匀切削和磨损的原则，提升钻头的攻击性和使用寿命。钻头采用冠部和接头一体式结构，最大程度上缩小钻头整体长度。钻头保径区域采用增强布齿、强化保径的措施，从而有效提升钻头定向钻进的保径效果。

2.2 刀翼设计

刀翼结构影响钻头的力平衡和稳定性。官东1701H井存在超千米长水平段，从钻头寿命和定向稳定性等多方考虑，采用非对称5刀翼，10°螺旋及短保径结构，不仅可以有效降低指向井壁的切削力，使钻头工作更加稳定，而且短保径低摩阻设计，降低了钻头涡动的概率，使钻头的稳定性及可控性进一步提升。

2.3 布齿设计

布齿设计包括齿形选择、切削角度设计、布齿密度设计及布置类型设计等。布齿设计是PDC钻头设计的关键，直接影响钻头各方面的性能。根据孔二段砂泥岩研磨性高的特点，采用3长2短5刀翼结构，主切削齿为16 mm，前排切削齿为28颗，特别优化了切削齿的侧倾角（2～10）°，后倾角（15～25）°，后排切削齿13.44 mm，每刀翼3颗，共计15颗，后排齿与前排齿高度差（1.5～2）mm。切削齿布置类型选用顺时针设计，对比逆时针布置钻头的进攻性更强，切削效率更高。高效PDC钻头参数特征见表1。

表1 高效PDC钻头主要参数特征

2.4 力平衡优化

目前，PDC钻头产品的侧向不平衡力一般控制在钻压的10%以内。本设计通过专用的PDC钻头切削力学模拟分析后，调整切削齿的周相位置和每颗齿的切削角度，每颗齿的切削功率见图1，不平衡力优化结果见图2。计算结果表明，钻头切削功率在内锥和鼻部过度圆滑，在最后4颗保径位置（25～28号齿）切削功率为零，不参与切削；切削齿受力情况良好较为均匀，能有效避免因受力不均等造成的崩齿现象。

图1 不同齿数PDC钻头切削功率

图2 不平衡力的优化控制

2.5 水力设计

本型号钻头应用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）数值模拟软件对静态钻头的水力冷却和清洗效果进行分析。井底最小漫流速度,0.25 m/s，最大漫流速度28.6 m/s。刀翼前部流速均为10 m/s以上，冷却和清洗效果良好；刀翼背部慢流速度最低，由于此处岩屑量较少，对钻头整体水力效果影响不大。

3 现场试验效果

3.1 钻具组合与钻井参数

（2）钻进参数。钻压（80～120）kN；转速130 r/min；排量（32～33）L/s；泵压（23～26）MPa，泥浆密度（1.35～1.4）g/cm3，黏度（55～70）Pa·s。

3.2 应用效果分析

官东1701H共使用3只新型PDC钻头，累计完成进尺2385 m，单只钻头最高进尺1177 m，最高机械钻速达9.9 m/h（表2）。较邻井同层位对比数据，单只钻头平均进尺415.78 m，平均机械钻速4.64 m/h（表3）。单只钻头进尺较平均进尺提升了91.2%，平均机械钻速提升了97.2%，取得了良好效果。官东1701H井三开节省工期（5～10）d，节省钻井费用100万元人民币。

表2 高效PDC钻头在官东1701H井应用统计

表3 高效PDC钻头与邻井钻头使用对比

4 结论与建议

（1）地层可钻性分析结果表明，沧东凹陷孔店组岩石抗压强度大，硬度较高，研磨性强且可选性较差。通过地层可钻性分析，并结合邻井钝钻头磨损特征，为官东1701H井个性化钻头的设计优化方案提供了有效的参考依据。

（2）针对沧东凹陷孔店组岩石力学特性，从钻头头型、刀翼、布齿、力平衡、水力结构等方面进行了优化设计，研发了适用于定向水平段钻进的高效个性化钻头英寸SD6554YZ。较邻井同层位PDC钻头使用情况分析，钻头机械钻速和使用寿命均显著提升。

（3）针对匹配旋转导向系统钻进的PDC钻头，采用一体式短保径定向钻头设计结构，在使用中钻头稳定，造斜率高，单只钻头完成了造斜，稳斜，增斜至水平段的施工，值得推广。