水平井 PDC钻头研制及应用探讨

水平井 PDC钻头研制及应用探讨

卢波

中石化江钻石油机械有限公司 湖北 武汉 430223

摘要：本文分析了在水平井钻井施工中定向斜井段和水平井段使用的PDC钻头特点，介绍了水平井PDC钻头设计过程中对钻头轮廓、切削结构、水力结构、保径等特殊结构的设计方法，并且在长庆油田苏里格气田多口水平井进行了应用试验，试验结果表明钻头进尺和机械钻速较邻井钻头有很大幅度的提高，达到了预期目的，验证了水平井钻头设计方案的可行性。

关键词：水平井钻头 PDC钻头设计 PDC钻头使用。

前言：近几年，PDC钻头由于设计、材料技术的进步，特别是相对于牙轮钻头具有机械钻速高、寿命长、安全的优点，在油气井钻井施工中倍受青睐。

目前，PDC钻头不但用于常规直井钻井，而且在水平井钻井中得到了广泛的应用。但是在水平井钻井施工中常规PDC钻头使用经常遇到的难点是定向造斜段和水平段，定向造斜段PDC钻头在定向钻井施工过程中导向能力差，工具面不稳定，方位难以控制需要频繁调整工具面，无法正常钻进，大大延误了钻井时间；在水平井段钻头稳定性差，机械钻速低，寿命短，增加了起下钻时间。因此选择正确PDC钻头，不仅可以明显提高钻井的机械钻速，同时也可以减小井下事故的发生，达到高速、低成本、安全钻井的目的。

1 水平井PDC钻头设计技术

水平井PDC钻头设计需要重点考虑以下几点因素：

1、定向段滑动定向、扭方位难：一是侧切削能力弱，增斜困难；二是反扭矩不稳定，工具面不好掌握，施工效率低；

2、在水平井常规PDC钻头保径性能差，易过度磨损造成井眼缩径，影响了钻头寿命；

3、由于定向段和水平段钻进时岩屑的排出比较困难，经常会出现岩屑重复破碎的问题，这既会降低钻头的机械钻速也会减少钻头的进尺；

4、水平段钻头在钻进过程中的稳定性，降低漂移程度；

5、由于水平段钻进时钻具受到的摩阻很大，所以施加在钻头上的有效钻压较小，因此尽管地层的可钻性比较好，但机械钻速也并不很快。

以上问题的解决主要取决于PDC钻头的冠部轮廓设计,切削结构设计,力平衡设计和保径设计。

1.1 钻头轮廓设计

PDC钻头冠部轮廓直接影响切削齿具体位置差异，从而影响各切削齿的受力状态和切削体积，导致破岩能力不同，合理的冠部形状会增加钻头稳定性，有利于井底的清洗和减少切削齿的磨损。

水平井定向段钻头，由于在钻井过程中，需要调整方位造斜，因此要求钻头井眼轨迹控制要稳定，钻头侧切能力强，具有较强的保径能力。根据这个要求，选用浅内锥，双圆弧冠部，短冠部高度，外锥长度较短。这种双圆弧形轮廓剖面具有的特点使得钻头表面尽可能有效地布置切削齿，而且使钻头从鼻部切削齿到保径切削齿能够圆滑地过渡；浅内锥可以在保持钻头的导向性能,减小钻头的横向震动,短外锥可以减小钻头与井壁的接触面积,从而减小了钻头与井壁之间的摩擦力,可以较好的防止因为与井壁摩擦导致钻头的涡动。

水平井水平段钻头，由于也需要稳定的轨迹控制，因此在轮廓的选择上类似于定向段钻头，选用典型的直线-双圆弧组合的轮廓，肩部外形连续过渡消除了集中点载荷，增加保径部分切削齿的投影密度，有利于保护切削齿并加强保径能力；同时采用较深内锥，保证钻头稳定性。

1.2 布齿设计

钻头的布齿密度是根据所钻地层的硬度和研磨性而决定，并且偏重于按照较硬夹层的布齿密度。此外，钻头在软硬地层交界面上工作时容易产生各种振动，造成钻头鼻部和圆弧过渡带处切削齿的崩片和剥蚀脱层而先期损坏。因此，在这些部位布置减震齿和双排切削齿来提高该部位的布齿密度，加强PDC切削齿的抗冲击性，增加钻头的使用寿命。同时双排齿能限制前排齿的吃入深度，减小钻头扭矩波动，钻头受力更加均匀，有效缓解了定向扭方位反扭角取值不稳定问题，定向施工效率高。为了适应水平井经常短起下和划眼修整井壁的施工情况，增加倒划眼齿。

PDC钻头切削齿的后倾角变化决定了钻头的切削能力，导向能力。钻头的导向能力随着切削齿后倾角增加而增加，但是考虑到所钻地层的软硬程度和岩性特点以及PDC复合片的破岩特点，随着地层硬度的由低到高，切削齿的后削角度逐渐由小到大，但一般控制在10°～30°之间.而切削齿的侧倾角度则随着钻头切削刀翼的不同而不同.切削刀翼上切削齿的侧倾角一般取5°～15°。

应用专有力学分析软件对钻头切削齿进行了力平衡分析和功率图分析，如图2.4所示，调整钻头上每颗齿的受力，使每颗复合片磨损均匀，使钻头切削结构产生出不平衡的合力，有目的的导向使钻头始终与井壁接触，创造出稳定的旋转条件。

1.3 钻头水力设计

水平井岩屑上返困难，容易在井底形成岩屑床，造成钻头摩阻大以及重复切削岩石，这就要求在水力设计时，不仅考虑钻头的清洗效果，还要重点考虑钻头岩屑上返能力。一个好的PDC钻头井底流场应具备以下几个特点：

(1)较高的井底压降(井底范围内最高压力与最低压力的压差)这将保证高的流速，以使岩屑被液流带离井底；既让井底有尽量高的由中心向外的水平流速分布。

(2)刀翼上流速的分布原则是尽量让高流速区分布在各刀翼的主切削齿，避免在主切削齿附近出现低流速区进而发生泥包现象。

(3)减小旋涡并尽量减少漩涡的数量，这将减轻岩屑被返回井底的几率。

(4)流道流量分配的合理性，因为在设计阶段可以估算出各刀翼切削量的多少．可以通过水力结构的调整让各流道与其对应刀翼的切削量合理匹配，达到水力能力平衡分配的原则。

采用流体分析软件对所设计钻头实体的三维流场进行数值模拟，分析流体对钻头切削过程中产生岩屑的翻转、运移、举升过程及对钻头清洗和对切削齿冷却情况，如图2.6所示。通过了解PDC钻头的流场分布情况，从而优化该PDC钻头的水力结构设计。

2.结论

1、通过钻头轮廓、布齿技术、水力结构、力平衡等系列研究和优化设计，水平井PDC钻头无论是机械钻速还是进尺都得到了提高。可见，采用个性化进行设计的方式为不同井型不同地层PDC钻头的研究取得成功奠定了基础。

2、水平井PDC钻头的研制成功对于扩大PDC钻头的应用范围具有深远意义，也为提高钻井速度，缩短钻井周期，降低钻井成本做出了贡献。

3.参考文献：

[1]周广陈，徐玉超.定向井PDC钻头的研制及应用[C].第七届石油钻井院长会议论文集，2007，493-498

[2]郭世侯，王平，张德军，何秀琼. 定向用新型PDC钻头研制及现场试验[J].钻采工艺，2005，28（4）：102-103.

[3] 翟应虎.PDC钻头设计理论与设计方法的研究[D].1990.

作者简介：卢波（1979.1-），2002年毕业于江汉石油学院机械制造及其自动化专业，现为江钻股份公司技术中心产品开发所产品工程师，从事金刚石钻头设计开发与服务工作。