復雜地層定向井聚晶金剛石復合片鉆頭設計

王曉彥，樊思成，田東彬，周學超

（中石油渤海石油裝備中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著海內外超深井、頁巖氣井等大幅發展，定向井在其中的應用也愈加廣泛。伊拉克艾哈代布區塊，厄瓜多爾帕魯瓦庫區塊，塔里木油田哈拉哈唐地區這些油氣礦區地層軟硬懸殊，砂泥巖、頁巖交互劇烈，硬夾層多，這種復雜地層在使用常規PDC（Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金剛石復合片鉆頭）鉆頭定向鉆進時頻繁出現鉆頭縮徑，工具面飄忽，扭矩變化大，托壓嚴重，增斜效果不佳，井壁不規則等工況，導致鉆進效率低，井斜軌跡控制困難，難以滿足鉆井要求。

面對這些問題，根據PDC鉆頭的破巖機理，分析定向過程中的核心因素，考慮鉆頭心部尺寸，錐部弧面和整體結構的決定性作用。基于軟件模擬和電腦輔助設計系統，提出一種增斜效果明顯，工具面穩定，有效緩解托壓，扭矩穩定，大幅降低鉆頭在井底渦動及復雜運動的新型PDC鉆頭.通過現場實驗，獲得良好效果。

1 新型PDC鉆頭設計

地層軟硬懸殊，交互劇烈，硬夾層多，在這種復雜地層實現快速定向造斜不穩定，則無法保持穩定的增斜效果，導致設計軌跡要求不達標（脫靶），定向施工失敗。所以在該類井段實現快速定向的關鍵因素是工具面的穩定性。

1.1 工具面穩定性

（1）內錐輪廓的設定。在PDC鉆頭定向施工中，隨著鉆頭內錐角的減小，鉆頭的穩定性愈高，穩斜能力加強，但其可控性和攻擊性都顯著下降。反之，鉆頭的攻擊性、可控性提高，但穩定性降低。在此類地層施工中，PDC鉆頭選用如圖1所示的淺錐結構。

（2）錐部弧面的設定。定向施工中由于地層軟硬交互劇烈，PDC切削齒吃入地層不均，錐部部弧長過段會致使鉆頭與地層產生較幅度的不均反扭（某一刀翼過深切入地層），形成動載，而其他刀翼吃入交淺而發生打滑，使工具面不穩。故在復雜地層中PDC鉆頭采用較大的錐部圓弧如圖2所示，可增大布齒數量，錐部與地層接觸面積增多，規避工具面不問的同時，亦可避免切削齒受沖擊過大而過早受損的不良現象。

圖1 淺錐輪廓

1.2 扭矩控制

PDC鉆頭中心部位的切削齒承受的軸向力最大，可造成較大的扭矩波動，在復雜地層施工中，切削齒吃入深度不斷發生變化，扭矩波動增大并進一步改變鉆頭動態響應，使得鉆頭容易發生破壞性的振動，且降低切削效率。針對這一特性，研發團隊采用刀翼聯合，降低心部載荷面積等手段。有效控制扭矩波動，緩解鉆頭無序渦動，提高了鉆頭在軟地層的機速的同時在硬地層鉆進中亦能保持高穩定狀態。

圖2 錐部弧面

1.3 緩解托壓

新型鉆頭對托壓問題采用2個辦法解決：①選用短保徑并有一定的螺旋角，保證保徑部不影響切削齒切入地層，而多角度更多的接觸地層減少對鉆頭的摩擦及沖擊，提高鉆頭動態穩定。②更寬的排屑槽，并有一定的引導指向，解決巖屑上返不及時，造成鉆頭反復破碎導致的托壓現象。

1.4 布齒排列

選用小型切削齒和較小的吃入角20°，以防止切入地層過深，緩解鉆頭承受的沖擊力。同時布齒排列采用由低到高的方式保持鉆頭的攻擊性，實現快速鉆進。

1.5 獨特的后排齒設定

在內錐復合片后加裝深度控制墊提高鉆頭的造斜能力，外錐部加裝后排齒，可有效釋放作用在鉆頭上的鉆井能量于對巖石的切削中，降低鉆進中的反扭波動，提高鉆頭的動態穩定。

2 新型PDC鉆頭實驗和分析

根據上述設計理念，設計的新型鉆頭在伊拉克艾哈代布區塊使用。

（1）新型PDC鉆頭鉆進技術指標統計（表1）。

（2）鄰井同井段以往PDC鉆頭鉆進數據（表2）。

表1 新型PDC鉆頭鉆進技術指標

表2 鄰井同井段以往PDC鉆頭鉆進數據

新型PDC鉆頭應用取得了良好效果，定向施工中工具面穩定、反扭波動小、增斜效果佳、有效緩解托壓、無縮徑現象。機械鉆速比其他同類廠家均提高20%以上，縮短了鉆井液浸泡地層的時間，創造了良好的經濟效益和社會效益，為復雜地層優、快定向鉆進提供了重要技術保障。

3 認識與結論

（1）綜合分析PDC鉆頭心部受力特征，錐面弧長，保徑部螺旋布齒排列及吃入角等核心因素對鉆頭工作的響應，設計了新型定向鉆頭。現場實驗表明，較常規鉆頭各方面性能都有顯著提高。解決了以往鉆頭工具面飄忽、扭矩變化大、托壓嚴重、增斜效果不佳、井壁不規則等問題。

圖3 出井后鉆頭照片

（2）隨著定向技術的發展，PDC鉆頭的技術革新將不斷拓展其應用廣度，優快鉆進和鉆頭壽命的延長使鉆井成本不斷降低，形成理想的循環。針對復雜地層的不同特性和工況，可調整復合鉆進中的鉆具組合，使之發揮更優的性能。