苏里格气田水平井PDC钻头优选与应用

高金仓

渤海钻探工程有限公司第一钻井公司

苏里格气田水平井PDC钻头优选与应用

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苏里格气田地理位置位于内蒙古鄂尔多斯市境内的苏里格庙地区，构造上处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部中带苏里格气田中北部。苏里格气田气藏一般的埋藏深度为3200-3350米，开发井平均完钻井深3450米。针对苏里格气田天然气储层呈现出典型的“低孔、低渗、低压、低产”等特征，长城钻探率先实施水平井整体开发，水平井技术可以有效的提高单井产量与开发效果；随着苏里格气田苏53区块天然气水平井的大规模开发，对PDC钻头优选并应用成为提高天然气水平井机械钻速、井眼稳定性和缩短钻井周期的关键技术。

苏里格气田；水平井；PDC钻头；应用

1 影响水平井PDC钻头使用效果的原因分析

1.1 不同的钻进方式对水平井PDC钻头的影响

当PDC钻头开始钻进时，产生一种使井里钻柱发生扭曲抗扭矩。井里钻柱实际上是很长的扭转缆索，因此，在PDC钻头的反扭矩的作用下会引起定向工具面方位的变化，使得工具面极不稳定。如果PDC钻头的反扭矩超过螺杆马达的转矩上限，螺杆马达将会减速直至停止工作。此时，PDC钻头将会离开井底，工具面的变化极其敏感，整个过程必须重复进行定向。

1.2 切削齿工作角度对水平井钻头使用效果的影响

在水平井钻井过程中，切削齿与岩石作用存在接触压力，通过减少PDC钻头吃入量来增强工具面控制。为了加快造斜速度，增加切削齿的侵入性，一般是减少切削齿的保径长度，用以提高这种侧向切削的能力。但是，导向涡轮大量的前期经验证明了，长保径的钻头，则至少能以8度/100英尺的造斜率进行造斜，于是为了解决这种矛盾的存在，必须进行细致研究保径长度、侧切削侵入性及钻头的导向性能之间的匹配关系。

2 苏里格气田水平井PDC钻头设计

2.1 造斜段钻头设计依据

1)采用较平坦的钻头冠部轮廓，钻头冠部轮廓锥度愈大，钻头旋转中心越容易发生横向偏移。2)混合切削结构，混合切削结构的特点是在含有硬夹层的地层中钻进时，有利于保持切削齿的连续吃入地层，即保持机械钻速的连续不变性。

2.2 设计出的造斜段钻头

设计出的钻头具有浅内锥，短外锥的钻头冠部轮廓结构；采用6刀翼混合切削结构设计，主切削齿直径为16mm，副切削齿直径13mm；采用加长直保径结构，采用加长保径结构可以增大钻头与井壁接触面积，保证滑动钻进时工具面的稳定。

2.3 造斜段钻头泥包问题

①钻头设计方面：调整喷嘴的位置和喷射角度，使喷嘴的射流尽量避开钻头刀翼，指向较大的排肩槽。靠近钻头工作面鼻部的内置喷嘴可为钻头中心区域提供有效的清洗。②钻头使用方面：PDC钻头钻遇泥岩井段不能一味的求“快”，要适当采取控时钻进等防泥包措施；同时除泥器要配合使用。另外要求具有足够的排量，避免钻屑重复切削形成淤泥而泥包钻头。③钻井液处理方面：维持大分子包被剂、无机盐、有机盐等强抑制剂的含量，提高钻井液的抑制性，抑制泥岩地层造架和分散。

2.4 水平段钻头设计

1)水平段钻头设计思路。水平段钻头我们采用直径为16mm的PDC复合片作为主切削元件(主切削齿)，选择直径为13mmPDC复合片为辅助切削元件(备用切削齿)，利用布齿工艺，使得两者形成双重保护切削结构，辅助切削元件的作用旨在当主切削元件磨损较大或者受到破坏时，代替其进行切削岩层，以增加钻头的使用寿命。同时辅助切削元件的存在有利于钻头的动态稳定性、减少钻头回旋并因此减少PDC齿的冲击损坏。2)水平段钻头设计。由于苏里格气田区块较广，水平段目的层岩性不均，研磨性不等，针对这一情况，在钻头设计方面，我们根据地质情况设计布齿密度及切削齿切削角度不同的钻头。地层岩性胶结疏松、研磨性不强时采用布齿密度低、切削齿切削角度小的设计，这样能提高机械钻速；当地层岩性胶结致密且研磨性强时，采用布齿密度高、角度相对大的设计，以提高单只钻头进尺。

3 PDC钻头现场应用情况

根据水平井PDC钻头的研究阶段成果和水平井施工需要，开展了造斜段和水平段PDC钻头的研制，先后分别试制了215.9mm和152.4mm两种规格四种型号的PDC钻头，先后在现场推广应用。

3.1 造斜段PDC钻头现场使用情况分析

某区块二开215mm井眼，第一只基本打到刘家沟组左右，二开第二只开始进入造斜段。由于今年现场使用数量较少，且下井的层位差别很大，用于二开造斜第一只2两只，其余的用于造斜段最后一只收尾，所以下边按照不同使用井段分别进行对比分析。二开造斜第一只：该井段造斜PDC钻头共用了两只，从井深2700-2800m左右入井，平均进尺614.5m，平均机械钻速5.99m/h。二开第二只用量较多的有迪普、川石和深远。通过数据对比，造斜215钻头平均进尺和机械钻速同比其他厂家钻头平均使用指标高55.6%和2.6%。该井段自制PDC钻头共用了三只，从井深3400m左右入井，平均进尺156.3m，平均机械钻速4.5m/h。通过相关数据对比，自制造斜段最后一只215.9mm钻头平均进尺和机械钻速同比其他厂家钻头平均使用指标高58.7%和45.2%。

3.2 水平段PDC钻头现场使用情况分析

现场试验期间，该水平段井队基本都使用哈里伯顿的进口钻头，新设计的152.4G516-FK1钻头一直没有找到井位下井使用。在该井段总进尺697米，总钻时75.5小时，机械钻速13.58m/h。该PDC钻头进尺多，机械钻速快，现场反应特别好。

结语

结合某区块的岩性特点和岩石可钻性，开展了PDC钻头个性化设计优选，开发出的水平井用PDC钻头，对该区块的岩性和水平井作业的特殊需求具有良好的适用性，水平段平均进尺和机械钻速同比提高33.14%和90.46%。

[1]张金权，双建平，蒙启腾.苏里格气田水平井斜井段PDC钻头应用难点与对策[J].内蒙古石油化工，2011，15：29-30.