复杂地层定向井聚晶金刚石复合片钻头设计

王晓彦，樊思成，田东彬，周学超

（中石油渤海石油装备中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

随着海内外超深井、页岩气井等大幅发展，定向井在其中的应用也愈加广泛。伊拉克艾哈代布区块，厄瓜多尔帕鲁瓦库区块，塔里木油田哈拉哈唐地区这些油气矿区地层软硬悬殊，砂泥岩、页岩交互剧烈，硬夹层多，这种复杂地层在使用常规PDC（Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金刚石复合片钻头）钻头定向钻进时频繁出现钻头缩径，工具面飘忽，扭矩变化大，托压严重，增斜效果不佳，井壁不规则等工况，导致钻进效率低，井斜轨迹控制困难，难以满足钻井要求。

面对这些问题，根据PDC钻头的破岩机理，分析定向过程中的核心因素，考虑钻头心部尺寸，锥部弧面和整体结构的决定性作用。基于软件模拟和电脑辅助设计系统，提出一种增斜效果明显，工具面稳定，有效缓解托压，扭矩稳定，大幅降低钻头在井底涡动及复杂运动的新型PDC钻头.通过现场实验，获得良好效果。

1 新型PDC钻头设计

地层软硬悬殊，交互剧烈，硬夹层多，在这种复杂地层实现快速定向造斜不稳定，则无法保持稳定的增斜效果，导致设计轨迹要求不达标（脱靶），定向施工失败。所以在该类井段实现快速定向的关键因素是工具面的稳定性。

1.1 工具面稳定性

（1）内锥轮廓的设定。在PDC钻头定向施工中，随着钻头内锥角的减小，钻头的稳定性愈高，稳斜能力加强，但其可控性和攻击性都显著下降。反之，钻头的攻击性、可控性提高，但稳定性降低。在此类地层施工中，PDC钻头选用如图1所示的浅锥结构。

（2）锥部弧面的设定。定向施工中由于地层软硬交互剧烈，PDC切削齿吃入地层不均，锥部部弧长过段会致使钻头与地层产生较幅度的不均反扭（某一刀翼过深切入地层），形成动载，而其他刀翼吃入交浅而发生打滑，使工具面不稳。故在复杂地层中PDC钻头采用较大的锥部圆弧如图2所示，可增大布齿数量，锥部与地层接触面积增多，规避工具面不问的同时，亦可避免切削齿受冲击过大而过早受损的不良现象。

图1 浅锥轮廓

1.2 扭矩控制

PDC钻头中心部位的切削齿承受的轴向力最大，可造成较大的扭矩波动，在复杂地层施工中，切削齿吃入深度不断发生变化，扭矩波动增大并进一步改变钻头动态响应，使得钻头容易发生破坏性的振动，且降低切削效率。针对这一特性，研发团队采用刀翼联合，降低心部载荷面积等手段。有效控制扭矩波动，缓解钻头无序涡动，提高了钻头在软地层的机速的同时在硬地层钻进中亦能保持高稳定状态。

图2 锥部弧面

1.3 缓解托压

新型钻头对托压问题采用2个办法解决：①选用短保径并有一定的螺旋角，保证保径部不影响切削齿切入地层，而多角度更多的接触地层减少对钻头的摩擦及冲击，提高钻头动态稳定。②更宽的排屑槽，并有一定的引导指向，解决岩屑上返不及时，造成钻头反复破碎导致的托压现象。

1.4 布齿排列

选用小型切削齿和较小的吃入角20°，以防止切入地层过深，缓解钻头承受的冲击力。同时布齿排列采用由低到高的方式保持钻头的攻击性，实现快速钻进。

1.5 独特的后排齿设定

在内锥复合片后加装深度控制垫提高钻头的造斜能力，外锥部加装后排齿，可有效释放作用在钻头上的钻井能量于对岩石的切削中，降低钻进中的反扭波动，提高钻头的动态稳定。

2 新型PDC钻头实验和分析

根据上述设计理念，设计的新型钻头在伊拉克艾哈代布区块使用。

（1）新型PDC钻头钻进技术指标统计（表1）。

（2）邻井同井段以往PDC钻头钻进数据（表2）。

表1 新型PDC钻头钻进技术指标

表2 邻井同井段以往PDC钻头钻进数据

新型PDC钻头应用取得了良好效果，定向施工中工具面稳定、反扭波动小、增斜效果佳、有效缓解托压、无缩径现象。机械钻速比其他同类厂家均提高20%以上，缩短了钻井液浸泡地层的时间，创造了良好的经济效益和社会效益，为复杂地层优、快定向钻进提供了重要技术保障。

3 认识与结论

（1）综合分析PDC钻头心部受力特征，锥面弧长，保径部螺旋布齿排列及吃入角等核心因素对钻头工作的响应，设计了新型定向钻头。现场实验表明，较常规钻头各方面性能都有显著提高。解决了以往钻头工具面飘忽、扭矩变化大、托压严重、增斜效果不佳、井壁不规则等问题。

图3 出井后钻头照片

（2）随着定向技术的发展，PDC钻头的技术革新将不断拓展其应用广度，优快钻进和钻头寿命的延长使钻井成本不断降低，形成理想的循环。针对复杂地层的不同特性和工况，可调整复合钻进中的钻具组合，使之发挥更优的性能。