混合型PDC 切削齿钻头在吉林油田深井中的应用

李艳波，于连杰，王 辉，宋春格

（1.中国石油吉林油田分公司钻井工艺研究院，吉林松原 138000；2.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

1 地层岩石性质介绍

吉林油田深井主要包括德惠、长深、梨深和伊通等区块，这些区块深井二开所钻地层依次为四方台、嫩江组、姚家组、青山口组、泉头组、登娄库组、营城组和沙河子组。青山口组和泉头组存在紫红色泥岩，地层塑性强、易憋跳，造成钻头肩部不规则磨损；营城组存在火山岩、火山角砾岩，岩性多变，可钻性差，造成钻头前期受损；沙河子组岩性相对均质，但地层温度和压实强度高、研磨性极强，加速钻头磨损，减少钻头使用寿命。根据区块内某口井的测井数据，利用地层可钻性分析软件，分析地层的可钻性等级、地层抗压强度和研磨性指数，具体数据见表1。

表1 地层可钻性分析

2 吉林油田深井前期PDC 钻头损坏特征

前期青山口组、泉头组钻头因塑性强、易憋跳，造成肩部磨损严重，形成复合片不规则磨损而失效。营城组钻头因火山岩、火山角砾岩，岩性多变、可钻性差，形成钻头崩齿受损失效（非常规磨损）。沙河子组使用钻头因地层岩性相对均质，但地层压实强度和温度高、研磨性极强，造成钻头磨损速度加快，形成钻头常规磨损失效。

3 混合型PDC 切削齿钻头设计思路

根据可钻性分析及前期PDC 钻头损坏特征，在吉林油田深井可以采用混合型PDC 切削齿钻头，提高机械钻速和钻头使用寿命，设计思路如下。

3.1 斧式齿PDC 钻头设计

（1）碎岩机理。斧式齿PDC 钻头端面镶有新型斧式脊状聚晶金刚石PDC 切削齿，形似斧刃或山脊状（图1）。这种奇异的斧式PDC 切削具，在井底首先以斧刃下端接触岩石，以强力点载荷侵入岩石，综合常规PDC 钻头的剪切、牙轮钻头的挤压以及锥形齿的点载荷压裂等碎岩机理，可以降低约30%的切削力需求。

图1 斧式齿PDC 钻头

（2）优点。该新型钻头能够在多种地层中提高钻进效率，特别有助于钻头在吉林大庆深井营城组火山角砾岩中钻进，有效提高机械钻速和钻头使用寿命。

3.2 犀牛齿PDC 钻头设计

（1）碎岩机理。犀牛齿PDC钻头端面镶有新型犀牛角状聚晶金刚石PDC 切削齿，形似犀牛角（图2）。由于钻头形状奇异，在井底首先以切削齿的尖角接触岩石，形似刀尖切入地层，切入时接触面积小，切入地层能力强。

图2 犀牛齿PDC 钻头

（2）优点。切入地层能力强，在同等钻压情况下，吃入地层深度提高20%。有助于提高钻头在吉林大庆深井青山口组、泉头组强塑性地层吃入能力，有效提高机械钻速。

3.3 保径奔驰齿PDC 钻头设计

（1）碎岩机理。保径奔驰齿PDC 钻头是常规PDC 钻头在近保径及保径部位使用奔驰齿，是一种组合式PDC 钻头（图3）。奔驰齿在井底首先以三角楞接触岩石，以楞角点载荷侵入岩石，形成犁式破岩机理，提高保径部位的破岩效率，并加强近保径和保径部位的抗冲击能力。

图3 保径奔驰齿PDC 钻头

（2）优点。钻头近保径、保径部位线速度最大，易造成钻头保径齿和近保径齿崩齿、脱层，从而降低钻头侧面周边的切削能力，影响整体机械钻速。采用保径奔驰齿PDC 钻头提高保径部位的破岩效率，加强近保径和保径部位的抗冲击能力，有效提高使用寿命。

3.4 后排平面齿PDC 钻头设计

（1）碎岩机理。后排平面齿PDC 钻头是将常规PDC 平齿作为辅助切削齿同轨布置在PDC 齿后排进行联合破岩（图4）。即在钻头工作初期，以完好锋锐的PDC 齿接触地层岩石，充分发挥其剪切破岩效率高的优势。此时，低于前排PDC 齿布置的后排齿不参与破岩，主要起到控制吃入深度和分担轴向冲击力的作用，以保护前排PDC 齿，避免因瞬时吃入深度过大而受冲击损坏，同时提高钻头稳定性。当前排PDC 齿磨损到一定程度，难以有效吃入岩石时，后排齿开始接触岩石并承担主要破岩任务，以提高整体破岩效率和使用寿命。

图4 后排平面齿PDC 钻头

（2）优点。控制钻头吃入深度，提高钻头稳定性。钻头在使用后期，后排齿接替前排齿起到切削作用，从而解决营城组、沙河子组高研磨性硬地层中常规PDC 钻头钻速慢、寿命短等问题。

3.5 后排锥形齿PDC 钻头

（1）碎岩机理。后排锥形齿PDC 钻头是将常规PDC 平齿放置于刀翼前排，后排配置锥形PDC 齿（图5）。辅助的锥形切削齿同轨布置在PDC 齿后排进行联合破岩。这两种PDC 切削齿碎岩机理不同，常规平面PDC齿以切削方式破岩，而具有超厚聚晶金刚石表层的锥形切削齿以点载荷破岩。这两种碎岩机理通过综合作用后，碎岩效果明显提升，不仅钻头在硬地层中的钻进效率大大提高，PDC 钻头耐用性也明显增加。

图5 后排锥形齿PDC 钻头

（2）优点。控制钻头吃入深度，提高钻头稳定性，前排齿以切削方式破岩，后排齿以犁式破岩。两种碎岩机理综合作用，提高钻进效率和钻头耐用性。

4 现场应用成果

升平库平1 井位于松辽盆地东南断陷区，该井为二开水平井，混合型PDC 切削齿使用在水平段第三只，主要在营城组内钻进，岩性以火山流纹岩为主。水平段第一、二只钻头采用复合钻头，第一只钻头进尺114 m，机械钻速3.0 m/h；水平段第二只钻头进尺108 m，机械钻速2.56 m/h；混合型PDC 切削齿215.9 mmJKP-6 钻头在水平段第三只应用，进尺229 m，机械钻速3.13 m/h。该钻头进尺较前两只钻头进尺（平均进尺111 m）提高了106%，为水平段节省了一趟钻；该钻头机械钻速创该井水平段最高指标，较前两只钻头平均机械钻速2.77 m/h 提高了13%。

5 结论

（1）斧式齿PDC 钻头能够提高强研磨性地层钻进时的机械钻速，以及强冲击性地层钻进时的使用寿命。

（2）犀牛齿PDC 钻头能够提高钻头在强塑性地层中吃入能力，提高钻头在该类地层中钻进时的机械钻速。

（3）保径奔驰齿PDC 钻头，加强近保径和保径部位的抗高线速度对切削齿的强冲击力，提高钻头使用寿命。

（4）后排平面齿PDC 钻头，在前排齿受到一定磨损后，后排齿配合前排齿切削地层，有效提高钻头使用寿命。

（5）后排锥形齿PDC 钻头，控制钻头吃入深度，提高钻头稳定性，前排齿以切削方式破岩，后排齿以犁式破岩。2 种碎岩机理综合作用，提高机械钻速和钻头使用寿命。