浅析小井眼高效PDC钻头在苏南区块的应用

田波，李隆承，潘龙

（渤海石油装备钻井装备公司，天津 300280）

1 概述

苏里格南区块为长庆油田公司与法国道达尔公司共同投资开发的合作项目，该区块位于内蒙古自治区鄂托克前旗南部地区，属于鄂尔多斯盆地天环坳陷构造。为了减少建井成本，建设方在该区块全部采用小井眼钻井。苏南区块二开井段的延长组底部、和尚沟组上部可能含有砾石，易对PDC钻头造成崩齿失效；刘家沟组为砂泥岩互层，较为致密，地层压实强度高，影响机速；石盒子组上部以泥岩为主、下部以砂岩为主的砂泥岩互层，部分区域下部地层含有石英砂岩，研磨性较强；本溪组、马家沟组存在硬质泥岩、灰岩、白云岩地层，可钻性。

2 施工难点

（1）二开井段为安定组-马家沟组，表层采用Φ215.9mm钻头，二开使用Φ152.4mm钻头，表层井深一般为650～750m，二开裸眼段长达3200～3400m，由于刘家沟组为砂泥岩互层，较为致密，地层压实强度高，PDC钻头的磨损比较严重，机速影响较大。

（2）由于小井眼井环空比较小，如果岩屑上返不及时，容易造成钻头泥包，这与排屑槽的流量分配及流速分布与水眼的孔径及数量和排屑槽的面积等息息相关，需要对整个井底流场进行分析，避免大范围低速区域及可能会出现漩涡回流区，影响该区域的岩屑运移，避免钻头泥包。

（3）小井眼井的井斜掌控难度比较大，对于钻头的稳定性要求比较高，需要对头型、布齿、保径等进行合理优化，在保证稳定性的情况下，提升机械钻速。

3 小井眼高效钻头设计

针对苏南区块小井眼裸眼段长、地层可钻性差等特点，分别研制了152.4mm4刀翼PDC钻头和5刀翼PDC钻头。

4刀翼钻头设计：钻头为钢体设计，采用φ16mmZC-Ⅵ型主切削复合片，φ13mm副切削齿结构，能够精准控制复合片吃入地层深度，提高滑动效率。设计了中短抛物线平缓头型，综合力平衡设计和三维受力分析，提高钻头稳定性，适应配合螺杆钻具进行高转速钻进；针对小井眼井段段环空小，泥浆排量小的特点，采用中低密度布齿，减小复合片角度增强钻头攻击性，提高钻头切削效率；加密聚晶与倒划眼设计，预防缩径，保证井眼轨迹。

5刀翼钻头设计：钢体设计，采用φ16mmZC-Ⅵ型主切削复合片，采用短抛物线平缓头型，缩短了钻头冠部有效高度，提高钻头稳定性，增强钻头导向性；中等布齿密度设计，减小复合片脊高高度，提高钻头稳定性；优化复合片角度增加复合片出露量从而增强钻头攻击性，提高机械钻速；加长保径设计，提高钻头稳定性，提高钻头导向性，加密聚晶与倒划眼设计，预防缩径，保证井眼轨迹；深宽水槽、高配比水力优化设计，增强钻头清洗、冷却和排屑效果，避免井底重复切削现象的发生。

图1 小井眼4刀翼PDC钻头设计模型

表1

图2 小井眼5刀翼PDC钻头设计模型

4 现场应用情况

SN0180-03井是苏南区块一口二开四段制定向井，完钻井深4008m，层位为安定组-马家沟组，最大位移1464.17m，根据设计参数，选定采用4刀翼小井眼钻头。通过优化钻井参数，充分发挥单只钻头最优性能，提高机械钻速和钻头使用时间，完成二开施工单只小井眼PDC钻头一趟钻，解决了刘家沟及下部地层钻速低问题，实现单只152.4mmPDC钻头一趟钻最高进尺3292m，机械钻速21.66m/h，纯钻152h，创钻头使用时间最长记录。SN117-04井为二开四段定向井，完钻井深4107m，选用5刀翼小井眼钻头，二开优化井眼轨迹，配合激进式钻进参数，保持长稳斜段效果，实现单只小井眼钻头二开“一趟钻”施工，机械钻速30.88m/h，钻井周期10.17d，刷新同区块钻井周期新纪录。

表2

5 结语

（1）针对苏南区块小井眼钻井施工难点，设计研发了152.4mm小井眼PDC钻头，解决了钻头泥包、机械钻速低问题；（2）设计的5刀翼小井眼PDC钻头采用短抛物线平缓头型、中低密度布齿，减小复合片角度增强钻头攻击性，提高钻头切削效率；（3）设计的4刀翼小井眼PDC钻头采用短抛物线平缓头型，缩短了钻头冠部有效高度，提高钻头稳定性，增强钻头导向性；中等布齿密度设计，减小复合片脊高高度，提高钻头稳定性；（4）小井眼PDC钻头在苏南地区应用多口井，钻头使用时间长、机械钻速高，现场应用效果显著。