定向井复合钻头技术研究与现场应用

李和清 单巍

摘要：定向井复合钻头技术主要有钻头的设计和在实际钻进中遇到的问题，在现场应用中主要有地质导向和计算机软件以及现场钻进试验等。本文就浅谈定向井复合钻头技术研究与现场应用。

关键词：定向井复合钻头；技术研究；现场应用

随着油气田的逐渐开发，浅部油气藏的资源越来越少，进行深部油气藏的开发是一种必然的趋势。但是在深部油气藏的开发中，对于钻头的要求是非常高的，现阶段使用的PDC钻头和牙轮钻头都不足以应对这种情况，因此复合钻头的使用逐渐登上钻井的舞台。

一、复合钻头技术

复合钻头技术和核心就是PDC钻头，但是由于PDC钻头不能够面对质地比较坚硬的岩石夹层，因此在结构上增加了牙齿钻头的设计，两者组合在一起也就成了复合钻头。复合钻头技术已经成为常用的钻探工具，为地质钻探和石油开采技术的发展做出了巨大的贡献。PDC钻头作为常用的钻井工艺，切削齿的形状和质量一直在改进和完善，钻头能够承受的冲击力和冲蚀力都得到了大幅度的提升，尤其是牙轮钻头之间的结合，使得PDC钻头能够应对各种岩石层，而不会遭受大的损坏。并且，PDC钻头的改进，也增强了它在可定向性方面的性能，对钻头在工作中的控制更加精准。

二、复合钻头的设计

复合钻头的设计主要有三个方面，分别是牙齿设计、结构设计和水利设计。牙齿设计主要是在钻头实际的工作中，由于需要承受岩石的反冲击力，在加上切削过程的不足，使得钻头不能很好的完成工作的目标。因此在复合钻头设计的过程中，将齿的边缘进行转移，可减少齿排在冲击中破裂的可能性。除此之外还加强了金刚石的厚度和斜边的长度，这样一来，钻头就不会因为强大的冲击力而损坏。另外在齿面的设计中加强了抛光的措施，降低了岩屑对钻头的摩擦力，也减少了扭矩。结构设计主要是采取了短抛物线冠部的设计，也增加了磨损节，还采用了螺旋设计，也有的是增加了非对称刀片设计。这样的设计不仅仅加强了钻头的转速，也加强了钻头抗扭矩的能力和稳定性。水力设计主要是增加了钻头过流的体积，还有高倾斜的中央喷嘴设计，还采用了最先进的技术，设计出恰到好处的钻头口径和流线型外表，保证在液体动力学和空气动力学中的科学性。

三、PDC钻头在以往定向井中存在的问题

（1）倾斜变化

在以往定向井的施工过程中，尤其是在一些特殊的环境或者是地形中，比如说孤岛和壮西这样的环境下，如果保证相同的钻井条件，PDC钻头比其他钻头表现出更加明显的漂移现象。PDC在设计中钻压和转速有着很严格的要求，低钻压高钻速是设计的标准。在PDC钻头和牙轮钻头进行钻进实验中，PDC钻头的钻压仅仅是钻头的五分之一到五分之二之间，钻压的差异会导致在其他钻进环境和条件一致的情况下，钻进的效果有着非常大的差异，具体的表形是牙轮钻头会出现增斜的效果，PDC钻头则表现出降斜的现象。因此，通过多方数据表明，PDC钻头在进行施工作业的过程中，钻进参数的影响比较大，整体的性能不太稳定。

（2）钻头进尺

在定向井的钻进过程中，由于PDC本身的特性，会导致钻头在定向井中出现倾斜或者是钻进方位出现偏差等情况。但是PDC钻头的进尺大，比牙轮钻头的进尺效果更加明显，能够保证在施工进度内完成施工的计划。

（3）钻机负荷

PDC钻机的原理是通过高强度的金刚石材料制成的钻头来对演示进行切削，针对岩石层的抗剪性能差的情况进行切削震碎，达到钻进的效果。但是尽管现在钻头增加了磨损节的设计，却因为钻头是一个统一的整体，没有其他可以进行活动的部件，造成钻机在工作的过程中负荷比较严重。在钻机工作的过程中，一些井斜角大的位置会造成钻机更严重的负荷量，严重的会导致钻具扭断的情况。

四、定向井复合钻头技术在现场施工应用

（1）地质导向

地质导向钻进技术，顾名思义就是能够在进行钻进的过程中还能够通过地质以及方向的测量来进行钻进轨迹的测量，并进行相应的方向导航。事实证明，地质导向能够进行多种地质和工程方面的测量，并进行分析和评价，然后根据分析的结果对定向井井眼的轨迹进行控制和调整，保证钻进能够达到预定的钻进效果。由于钻具在工作的过程中，因为各种各样的外在因素，包括岩石、摩擦、冲击还有机械等问题，导致并不能精准的按照设定的轨迹进行钻进作业，而地质导向钻进技术可以有效的解决这方面的问题。

（2）计算机软件技术

现阶段油田开发的企业除了使用自己的设计的或者是现场应用的软件之外，还有着非常多的工艺井软件和钻井软件，能够完成在钻井或城中的轨道测量和扭矩分析、防碰监测和计算参数以及控制调节等多方面的应用，保证定向井的准确性。

（3）定向井完井工艺技术

定向井在完工工艺中主要有三部分组成，分别是套管射孔完井、筛管完井、复合完井三种，一下进行详细说明：

1）套管射孔完井

套管射孔完井主要是针对复杂油层的区域，尤其是气顶和薄油层、底油与盐井及油水之间错综复杂的关系，导致出砂不是特别严重，在这样的区域中由于后期需要进行酸化技术或者是压力技术，因此要适用套管射孔完井的技术，来保证出油量。

2）筛管完结技术

筛管完结技术也是定向井中常用的技术，通常采用的是管外封在机上筛管的方式，通过钻头的钻进，直接在定向井的隔油层进行隔离，从而避免砂浆或者是其他的施工液体对油气层污染，并且还能够扩充泄油的面积，增加开采量。筛管完结技术主要用在砂岩稠油的油气藏中。

3）复合完井

复合完井工艺主要是通过了上述两种完井技术的有机结合，上半段为套管，下半段为筛管，实现了对尤其藏的封端开采。复合完井的第一步就是通过裸眼水平段进行开采作业，如果开采效果不理想就采用复合钻进的方式进行开采。

（4）现场应用实例

大北12一斜30井是胜利油田大北区块一口定向井，定向点2460m，位于东营组底部，完钻斜深3435m，斜井段长975m，设计最大井斜57.51度，从定向开始钻具组合如下：

PDC钻头（型号P355M）+弯动力钻具（1.25度）+回压阀+定向直接头+无磁钻慨+加重钻杆（五柱）+普通钻杆（ɸ127.00mm）

定向结束后继续使用该钻具组合复合钻钻进钻压3～4t，转盘转速50r/min，复合钻钻时平均在4～5min/m左右，而在该地区使用常規钻具钻进一般钻时都在12～15min/m左右，这不仅加快了钻井速度，而且还减少了起下钻的次数。

通过在胜利油田大北区块的大8-12-斜9井、大北12一斜28井、大北15-斜29井和大373一斜9井都使用上述钻具组合并进行复合钻试验，效果都很好。因此，复合钻头的实际应用效果是非常明显的。

结束语：随着定向井复合钻头理论和技术的不断发展，复合钻头的使用会不断的提升定向井钻井的准确性和钻井效率。由于地层各向异性的存在，导致了定向井钻井中，容易产生井下钻头偏离预定轨迹的现象。因此，我们需要不断的更新技术，以便更好的开展钻井作业。

参考文献：

[1]张宇；吴义发；况雨春；朱志镨；单弯螺杆复合钻进力学行为数值模拟研究[J]；石油地质与工程；2013年04期

[2]杨瑶；定向井复合钻头技术研究与现场应用[D]；西南石油大学；2016年