微取心PDC钻头的研制与应用*

贺 庆

(中国石化华东油气分公司石油工程技术研究院)

中石化华东油气田苏北工区属于复杂小断块油气藏，储层薄且产状多变，在钻井过程中，对储层的判断往往需要通过岩屑录井等手段实现。PDC钻头在提高钻井速度、降低钻井成本、增加经济效益的同时，受破岩方式所限(对软地层刮切，对硬地层刮切为主，剪切为辅)，在钻进时生成的岩屑颗粒较小，尤其是胶结松散的砂岩地层，岩屑颗粒以粉末为主，不能满足地质录井对岩屑颗粒粒径的要求，降低了地质录井的准确性，尤其是在探井和水平井实施过程中，为获取能够满足要求的岩屑，在钻至储层前，需提前更换牙轮钻头，一方面降低了机械钻速和钻井效率；另一方面增加了钻头消耗和钻井成本。

因此，研制一种既能满足快速钻进需要，又能满足地质录井需要的PDC钻头，对苏北工区勘探开发工作的进一步提速提效有着重要意义。

一、微取心PDC钻头的研制

苏北工区自上而下钻遇东台组、盐城组、三垛组、戴南组、阜宁组和浦口组，岩性以砂岩、泥岩为主，地层可钻性在3～6之间。苏北工区微取心PDC钻头的研制主要包括常规破岩结构设计和微心结构设计。常规破岩结构主要包含剖面轮廓设计、稳定性设计、布齿设计选择等常规PDC钻头所涉及到的内容[1-4]，其主要目的是实现微取心钻头的正常钻进，达到一定的机械钻速和使用寿命；微心结构主要包无中心钻头设计和限制器及限制方式研究等，其主要目的是实现微岩心的形成，满足地质录井需要，同时保证钻井安全，不至于形成钻头磨心。

1.常规破岩结构

1.1 剖面轮廓设计

微取心PDC钻头剖面轮廓设计采用等磨损原则，设计钻头冠部剖面轮廓采用三段制(直线-圆弧-圆弧)剖面，如图1所示。

图1 微取心PDC钻头冠部轮廓剖面图

1.2 PDC钻头稳定性设计

通过专用软件进行计算机工况仿真分析，通过调整刀翼角度，将径向不平衡力与设计钻压比降低至1%以下，有效的控制了钻头切削岩石的振动，提高了钻头的稳定性，减少了切削齿的先期损坏，进而保证了钻头的使用寿命。调整后的微取心钻头刀翼分布如图2所示。

图2 微取心钻头刀翼分布图

1.3 布齿设计

布齿设计应结合钻头的具体使用工况从切削齿尺寸优选等4个方面统筹考虑，平衡机械钻速和使用寿命。

(1)切削齿尺寸的优选。苏北工区整体可钻性在PDC钻头可钻范围内，切削齿大小选用Ø16.0 mm复合片，以寻求较高机械钻速，并兼顾使用寿命。

(2)布齿密度。采用Ø16.0 mm切削齿31个，密度等级为2，属于中～低密度布齿范围。复合片平均间距为4.3 mm，符合机加工要求。

(3)切削齿后倾角设计。切削齿后倾角设计因综合考虑寿命和钻进速度[5]，根据地层可钻性等参数确定。所研制PDC 钻头最终采用后倾角设计值为15°～20°。

(4)布齿方法。设计微取心PDC钻头切削齿布置采用等磨损原则。图3为微取心PDC钻头最终确定的布齿图。

图3 微取心钻头布齿图

2.微取心PDC微心结构方案

微取心 PDC 钻头区别于常规 PDC 钻头特征是钻头中心轴线区域没有设置切削齿[6]，即微取心PDC钻头为无中心切削齿PDC钻头。微取心PDC钻头微心结构方案主要包括无中心结构和返出流道两部分方案。

2.1 无中心结构

无中心结构即钻头的几何中心无切线齿参与切削岩石。无中心结构设计的关键是限制器尺寸和角度的设计。

研究的微取心钻头主要在苏北工区使用，考虑到苏北工区属断块油气藏，定向井偏多，主要钻井方式为采用复合钻井和滑动钻井相结合的方式，在螺杆的选用上主要采用带扶正器的单弯螺杆，所以限制器尺寸不易过大，设计最终采用16 mm复合片作为限制器。

限制器的角度即斜切面是一个能将岩块前端推离中轴线的工作面，该角度的设计主要考虑到两个方面，一方面角度过大，可能会造成所形成大块岩屑对钻头本体的冲击破坏，影响钻头的使用寿命和钻井安全；另外一方面角度过小，就达不到折断岩心的目的，所形成岩心会与复合片限制器摩擦，造成磨碎，影响岩屑大小，参考有关文献资，斜平面角度α，设计在30°≤α≤ 60°范围内，本次设计采用60°方案。

2.2 返出流道

返出流道主要是保证所形成大直径岩屑能够返出井口，返出流道的设计与常规流道设计基本类似，设计主要在以下两个方面做出了优化。一是水眼的设置，该流道水眼为此次设计钻头的最靠近几何中心水眼，且水眼尺寸最小；二是返出流道较其他流道要深，具体深度设计师根据所采用限制器的尺寸和深度决定，本次设计返出流道较其他流道深23 mm。

微取心钻头微心结构如图4所示。

图4 微取心钻头微心结构

二、现场应用情况

1.现场应用

HD516L型微取心PDC钻头研制后，在苏北工区溱潼凹陷北1井入井试验。该井设计井深1 508 m，钻头入井井深904.00 m。

试验钻具组合：Ø215.9 mm微取心PDC钻头+1.0°×Ø172 mm单弯螺杆+浮阀+Ø165 mm无磁钻铤×9 m+Ø165 mm钻铤×27 m+Ø127 mm加重钻杆×171 m+Ø127 mm钻杆。钻井参数：钻压20～60 kN，转速40～45 r/min+螺杆；排量32 L/s，泵压11 MPa。

试验钻头纯钻10.91 h，钻井井段904.00～1 107.00 m，进尺 203.00 m，平均机械钻速18.63 m/h，钻头起出新度95%，见图5。

图5 微取心钻头新旧对比图

2. 应用分析

2.1 钻速指标对比

研制微取心PDC钻头应用效果与区块钻头应用效果进行对比，结果见表1。

表1 微取心PDC钻头钻速指标对比

由表1可知，该钻头平均机械钻速18.63 m/h, 其中复合钻进23.92 m/h，滑动钻进平均机械钻速9.32 m/h。该机械钻速指标大于工区牙轮钻头的机械钻速4.71 m/h；大于工区的平均机械钻速16.32 m/h；与工区最高平均机械钻速25.41 m/h，有一定差距。

研制微取心PDC钻头应用效果与该井同地层牙轮钻头应用效果进行对比，结果见表2。

由表2可知， HD516L型微取心PDC钻头与HJ517G型牙轮钻头相比机械钻速提高13.6 m/h，提高幅度270.3%。

2.2 返出岩屑情况

能大量返出>5 mm粒径的岩屑，通过现场地质人员确认，该粒径大小已能够清晰辨别岩性，并与牙轮钻头钻进返出岩屑粒径大小基本相当。

表2 微取心PDC钻头与牙轮钻头效果对比

三、结论

(1)微取心PDC钻头的研制主要包括常规破岩结构设计和微心结构设计。

(2)现场试验说明，研制钻头能形成岩屑粒径大小能够达到地质辨别的要求，并且机械钻速高于牙轮钻头。