吉林油田伊通地区PDC 钻头个性化设计与应用

何 军，王 宽，李隆承，高 磊

（1.中国石油吉林油田分公司钻井工艺研究院，吉林松原 138001；2.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

伊通地区油藏埋深3100～3300 m，上部奢岭组地层稳定性差，前期钻井采用三开井身结构，2019 年通过攻关强抑制强封堵钻井液等技术，保障井壁稳定，伊22-15-15 井实现了二开完井，但钻井工期长达55 d，无法满足快速效益建产需求。为此，攻关伊通地区二开水平井个性化PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头设计，进一步提高该地区水平井钻井速度，提高油藏开发经济效益。

1 伊通地区岩石特性分析

伊通地区地层属于松辽盆地南部中央坳陷区，目的层为双阳组，全井钻遇地层为岔路河组、齐家组、万昌组、永吉组、奢岭组、双阳组。其中双阳组三段及三段以上主要为泥岩，双阳组二段地层岩性上部为大段灰黑色泥岩，顶部发育一层灰白色粉砂岩。中下部为深灰色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩组成不等厚互层、储层为含砾粉砂岩。水平段所钻（储层）双阳组二段主要岩性以中砂、粗砂岩为主，岩石成分主要为石英、长石、岩屑，其中部分样品变质程度高，多见高岭石化、方解石化以及长石溶蚀现象。岩石中的石英含量一般为25%～75%，长石含量为11%～30%；胶结物主要为泥质和灰质，部分为高岭石，泥质含量一般为2%～16%，灰质含量为1%～25%；胶结类型以孔隙式为主。

2 伊通地区前期PDC 钻头使用情况

前期直井段主要使用5 刀翼PDC 钻头，造斜段和水平段钻头使用5 刀翼或6 刀翼钻头。从使用情况可知，直井段PDC 钻头损坏特征基本为正常磨损失效，主要表现为复合片边缘磨平，主要原因为直井段含砾石层，研磨性较强，导致复合片边缘磨损，且地层相对偏软，钻头振动较少，未出现复合片崩齿现象。造斜段、水平段PDC 钻头损坏特征基本为非常规磨损主要变现为复合片崩齿脱层，主要原因为下部地层较硬、泥砂互层多，导致钻头振动过大，复合片发生泵齿，同时地层石英含量较高，研磨性强，导致了复合片崩齿后迅速被磨损。

3 个性化钻头设计思路

个性化钻头设计理念：直井段提高钻头抗研磨性为主，造斜段提高钻头稳定性、抗冲击性为主，水平段提高钻头抗研磨性和抗冲击性为主。设计主要包括布齿设计、冠部形状设计、排屑槽设计、保径部位设计及复合片选择等方面。

3.1 布齿设计

PDC 切削齿的工作角度：切削齿的工作角度是指2 个与切削状态相关的切削角度，也就是齿前角和侧转角。齿前角决定切削齿作用于地层力的方向，侧转角决定齿前切屑的排屑力的方向。侧转角选择合理对于清洗钻头非常有利，搬移岩屑，避免出现钻头泥包问题。对于齿前角和侧转角大小的确定通常依据是所钻地层的岩性和硬度，如果硬度越来越高，则切削齿的齿前角也越来越大，但是通常控制在10°～30°；切削齿侧转角也越来越大，一般控制在5°～15°。

3.2 冠部形状设计

冠部内锥深度或内锥直线的斜率影响钻头的稳定性、清洗效率和载荷分布：内锥深度越小，钻头越不稳定，但载荷分布越均匀；内锥深度越大，钻头越稳定，但载荷分布越不均匀。外锥曲线有抛物线、圆弧、锥形、平底等曲线组合：对于软地层来说，钻头外锥曲线为抛物线的稳定性最好；而硬地层则不同，适合应用外锥曲线为圆弧的钻头，且工作面积小且水力清洗效果好；而钻头外锥曲线为锥形则容易吃入地层，稳定性强。

3.3 排屑槽设计

井底液体的流速及冲击力直接受排屑槽的深度和宽度影响，对于软地层，排屑槽越大，岩屑携带越有利；反之，如果排屑槽越小则在中硬地层中的切削齿清洗和排屑具有明显优势。

3.4 保径部位设计

具有长且宽的保径面是直井钻头或者稳斜钻井钻头的基本特点，因此为了确保钻进过程中尽可能地降低与井壁的摩擦或者用于保径目的，可以应用不出露、低出露或者镶嵌式的硬质合金块。如果是研磨性地层，要确保保径高效则可以应用PDC 切削齿、增加露齿高度或者用天然金刚石的措施来应对。而对于定向PDC 钻头，由于其短而窄的保径面正好与直井钻井的措施相反，并且为了进一步增加侧向力，可以在保径面上应用全尺寸PDC 切削齿。

3.5 复合片的选择

衡量复合片质量好坏的主要指标是抗冲击韧性和耐磨性，在复合片的使用前，对复合片进行旋转冲击功检测和耐磨性能检测。依据目前国内外复合片的性能检测指标得出，上部地层可以采用混装齿（部分国产齿和部分进口齿），造斜段和水平段采取纯进口齿，以提高钻头的机械钻速和使用寿命，如图1 所示。

图1 各种类复合片抗冲击抗研磨检测数据

4 个性化钻头设计

根据地层岩石特性、前期钻头使用PDC 钻头损坏特征以及PDC 钻头设计思路，设计完成直井段、造斜段、水平段个性化钻头设计。

4.1 直井段个性化钻头设计

伊通区块直井段地层倾角大，一般在8°～12°，直井施工中一般通过轻压吊打来控制井斜，无法有效释放钻压，严重影响钻井速度和施工进程，需要开展直井段防斜钻头个性化设计，直井段下部地层多夹层，需要考虑钻头抗磨抗冲击性能。根据项目设计理念、该区块可钻性分析、前期钻头使用情况以及设计思路，设计直井段个性化钻头，钻头设计特点为主切削齿采用16 mm 复合片、中布齿密度、5 刀翼结构、小角度后倾角、中深内锥、深宽流道以及长保径。直井段钻头采用5 刀翼16 mm 切削齿、双排齿、中等布齿密度，主切削齿齿前角16°～18°、侧倾角0°～10°、中等深度内锥、抛物线外锥、深宽排屑槽和长保径面设计、复合片选用混装齿（部分国产齿F 和部分进口齿C）。直井段个性化设计钻头三维模型，如图2 所示。

图2 直井段钻头模型

4.2 造斜段个性化钻头设计

造斜段钻头采用5 刀翼或6 刀翼16 mm 切削齿、双排齿、高布齿密度，主切削齿齿前角14°～16°、侧倾角0°～5°、浅内锥、抛物线外锥、中等深度宽度排屑槽和短保径设计，复合片选用纯进口齿（进口齿A）。造斜段个性化设计钻头三维模型，如图3、图4 所示。

图3 造斜钻头模型1

图4 造斜钻头模型2

4.3 水平段个性化钻头设计

水平段钻头采用5 刀翼16 mm 切削齿、双排齿、高布齿密度，主切削齿齿前角12°～14°、侧倾角0°～5°、浅内锥、抛物线外锥、中等深度宽度排屑槽和长保径设计、复合片选用纯进口齿（进口齿A）。水平段个性化设计钻头三维模型，如图5 所示。

图5 水平段钻头模型

5 个性化PDC 钻头使用

个性化钻头在伊22-9-9井、伊22-8-1 井2 井次试验，试验效果良好。直井段机械钻速为14.04 m/h 和12.11 m/h，造斜段机械钻速为4.33 m/h和4.12 m/h，机械钻速分别超出邻井伊22-15-15 井81%和72%。水平段改进定型后，在伊22-8-1 井水平段第2 趟钻试验提速钻头，机械钻速达到了7.59 m/h，使伊22-8-1 井整体平均机速达到6.68 m/h，超出指标值11%。