大港油田深硬地层水平井 PDC 钻头研究与应用周洪林 1 李玉宁 2 刘秋明 1 宋辉 1 姚崇华 1（1 中国石油渤海钻探定向井分公司、 2 渤海钻探工程技术研究院）摘 要 推广应用 PDC 钻头是钻井提高机械钻速的重要技术手段，本文对定向钻井过程中如何正确选择与使用 PDC 钻头，以及使用中存在的问题进行了探讨，针对大港油田深层沙河街以下，因其孔隙度低、岩性致密、可钻性差及硬地层井下高温对造斜的不利影响，应用新型 PDC 钻头提高定向工具稳定性进行分析研究。关健词 PDC 钻头； 高温 ；水平井； 工具面 ； 控制1 前言快速钻井技术体现 PDC 钻头设计创新与定向井导向技术结合。在水平井作业施工中，造斜 PDC 钻头的工具面稳定性是决定轨迹控制成败的关键因素，定向造斜工具面不稳无法保持稳定的造斜率，达不到设计轨迹要求，导致定向施工的失败；钻井进尺的快慢与所选钻头型号和所钻进地层的岩性是否匹配及造斜工具外形、功率有关联。选择正确 PDC 钻头类型，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。2 PDC 钻头的发展状况90 年代前国内水平井钻井采用牙轮钻头造斜，其寿命受螺杆钻具高转速影响，使用时间达不到转盘钻井正常时间的一半。牙轮钻头受地层岩性、温度、井眼曲率等诸多因素的影响，造成定向过程中牙轮落井事故频发，其内在因素是高温作用下牙轮轴承润滑失效。马达高转速产生高温度，硬地层钻进为提高钻速需加相对大钻压，地层反作用力使马达反扭矩不断增加，当超过其额定值后会导致马达失速、泵压上升、钻具反转；同时，在旋转过程中由于弯壳体钻具与井眼轴线非同轴心，产生横向纵向的跳动，使钻头产生较大冲击动能影响了钻头的寿命，特别是高于 150井下高温，如采用马达定向，由于高温会导致钻头轴承的提前失效，大港油田在钻千米桥潜山奥陶系水平井中（高温）、采用国内定向牙轮钻头的安全使用时间只有 20 小时就是因这些不利因素所致。PDC 钻头在砂泥岩地层机械钻速高、钻头工作寿命长、耐高温能力强于牙轮钻头，更适合定向井、水平井施工。我国在如何提高 PDC 钻头性能指标，优选 PDC 钻头设计开展了工作，随着计算机技术在设计中的成功应用，低速高功率的马达应用，PDC 钻头显示出它的优势。2000 年后定向钻井技术不断的发展，造斜钻头从平底、直刀翼外型、转换成短保径（增加侧向力）、螺旋刀翼（防反转）、适合定向的 PDC 钻头不断推出。最新方向盘式定向钻头的应用，解决了在硬地层超深井眼工具面的控制问题，提高了滑动效率。通过对内、外锥的锥面高度及弧度长短，牙齿俯角、侧角度设计，切屑齿材料更新及采用计算机对切屑齿平衡排列、高效的泄流槽设计，解决了定向造斜低效率的问题。3 PDC 钻头在定向中的问题3.1 12-1/4井眼造斜工具面摆放困难大港油田千米桥古潜山水平井定向造斜点设计在 3800m 左右,地层为古生界,定向井眼为 311.1mm 井眼, 如千 18-19H 由于 PDC 钻头的选型不当问题,初始造斜困难，此井造斜第一只钻头选用 MD3641Z 六刀翼 13mm 单排布齿短保径不对称刀翼设计的定向 PDC 钻头。考虑设计造斜率 2.7/30m 较低，马达角度调为 1.15，定向施工中工具面无法控制乱转，钻至 3706m3756m 测斜数据表明造斜失败，起钻前井斜不到 1，考虑剖面符合率下入牙轮钻头钻进 20m 井斜角达 3因钻头寿命到起钻。3.2 钻头提前磨损千 16-16H 第六趟新钻头下入，此井深地层为中生界岩性红色泥岩，下入 MD3641Z 钻头新度 100%，自井深 4069m4104m，钻进进尺 55m，钻速 1.05 m/h，纯钻 9.04 小时后连续摆工具面超过 4 小时无法到位，起钻发现 PDC 磨损严重（图 1）。3.3 堵水眼造成钻头失效千 18-19 H 下入 FM3643Z 钻头由 4875m 钻到 4936m 时，由于奥陶系地层高温（井下静止温度超过 175）导致马达脱胶，振动筛返出大块胶皮，继续钻井至 4945m，钻时快速下降无进尺,起出后发现两个 12.7mm 水眼填满胶皮钻头报废，本趟钻纯钻时间为 14.02h（图2）。4 12-1/4井眼钻进问题分析4.1 PDC 钻头选型不适合定向造斜（1）钻头剖面选型不合适、造成定向加压时钻头发生回旋。针对不同的钻井需要、应采用不同的钻头型号，直井段用钻垂直井眼的钻头，如选用长保径钻头对稳斜有利。对于初使造斜的 PDC 钻头，剖面的选择首要解决工具面的稳定性，而浅内锥短外锥的钻头能够解决这一问题（图 3）。合理的内锥、鼻部、侧面、屑部决定初使定向造斜成功率。（2）牙齿尺寸及分布没有与地层匹配合理。内锥非混合布齿，牙齿的俯斜角较小。控制好牙齿的俯角需根据不同的地层软、硬强度确定合理的角度，正常软地层角度小一些，硬及研磨性强的地层设计大一些的俯角，控制其吃入地层的深度，防止马达失速。（3）钻头流道设计不适合定向钻井。高效泄流槽设计是加快钻进速度的重要因素，只有在钻进过程中高速的清理井下的岩屑，才可能减少其堆积造成的所谓的托压，泥包。合理的水眼数量及位置设计，及流道水力学设计是最好的解决方案。（4）钻头刀翼的数量与地层匹配。多刀翼可增加钻头的稳定性，所以此类钻头是硬地层定向造斜首选，但是更多的刀翼由于相对泄流面积较小，泥包的风险相对大，所以对于易泥包地层可钻性好地层，在满足定向需要前提下可减少刀翼。（5）钻头冠部齿数量不足，切屑齿数量少，无法平衡地层反扭矩。造成钻头回旋无法摆住工具面（图 4）。（6）灰岩、钙质泥岩、火成岩无减震齿设计，专业的减震设计可以平衡在井底产生的径向震动载荷，使钻头在井下工作更加平稳，防止钻头出现 PDC 齿先期破坏，同时防止钻头修边齿与保径齿吃入地层，引起钻头发生回旋，图 6 为有减震齿的 PDC 钻头。图 1 千 16-16 PDC 磨损 图 2 千 18-19 钻头水眼堵4.2 工具面摆放困难分析（1）PDC 切屑齿无法均匀吃入地层。PDC 钻头冠部剖面对地层冲击力太大造成反扭力，加之刀翼螺旋保径导角不合理也易造成反扭力。常规做法是硬地层的角度要大一些，也就是说增加鼻部与外锥面积与地层更多的接触，否则由于接触面积小，将造成某一个爬坡刀翼过深切入地层，而产生瞬时间上的滞动，钻头产生动载，而其它刀翼还没完全切入，钻头在井下打滑，使工具面不稳定。（2）PDC 切屑齿直径大。如硬地层采用 19mm 牙齿造成吃入岩性太深地层反扭矩大，另一方面外锥剖面角度不应太急否则钻头冲击力大，造成过载，工具面乱动，理想的 PDC在外锥上应多布齿，由于钻头磨损主要在外锥上，应选中弧度的剖面其与地层接触适中，减少钻头冲击力。（3）PDC 钻头没选用浅内锥、螺旋刀翼、螺旋保径 PDC 钻头。因为此剖面增加了牙齿切入地层接触面积，螺旋刀翼设计技术可以避免与井壁和直接碰撞接触。采用螺旋刀翼与螺旋保径设计的钻头以更加平稳的方式切削地层，钻头保径段与井壁的接触也更加平缓。（4）泥浆性能差，固相含量高于 7%井眼润滑性能差摩阻高，不能支持定向钻具在小钻压下工作和实钻中出现摆不上工具面等情况。（5）保持合理的刚性防止钻具弯曲，使钻头无法接触井底而无进尺。如马达本体稳定器尺寸过足影响钻头有效的进尺，井斜超过 70时钻具躺在下井壁，稳定器过小的环空间隙影响井筒岩屑的上返，产生较大的摩擦阻力。（6）选择高扭矩、高钻速的马达。如 8-1/2井眼摆工具面相对容易,一方面是接触面积小，地层产生的扭矩小；另一方面是相对小尺寸的马达(6-3/4)马达钻速达180rpm200rpm 以上,高钻速小钻压更适合 PDC 钻头。而 12-1/4井眼在大港油田硬地层不易摆工具的原因,不考虑稳定器外形产摩阻，是因为使用的马达（9-5/8）转速只有80rpm110rpm 之间，没有产生高转速，马达转动形成的井眼高部位的高速流区携带岩屑能力不如高转速马达，造成此井眼清洁较差、机械钻速低,司钻为加快钻进只有增加钻压,则地层反扭矩增大，当大于马达产生的额定扭矩时，马达反转工具面乱跑。图 3 不适合定向 PDC 钻头（12-1/4） 图 4 方向盘式定向 PDC 钻头（12-1/4） （7）钻头泄流槽截流面积小，无引导槽道，破碎岩屑不能按一定方向引导快速脱离钻头第一时间破碎的岩屑，上返不及时会在钻头及马达稳定器低边沉积，钻头、钻具重复碾压，造成泥包影响钻头切屑能力。4.3 定向钻具对 PDC 钻头的影响（1）马达脱胶造成水眼堵。泥浆无法冷却 PDC 钻头齿在短时间造成局部高温，当井下温度超过 350时，PDC 碳化钨快速磨损失效，造成 PDC 晶片损坏，直接造成钻头无进尺；同时，不规则的定子橡胶在高温高压下脱落堵水眼，泵压上升要及时处理。防止局部的水力循环短路，造成高温损坏钻头。（2）钻具刚性不合理。造斜钻具尽可以减少刚度，防止稳定器及刚性结构挂井壁及托压的发生。对于目前的马达尤其 12-1/4井眼的 9-5/8马达为重复使用，所以马达前端多为可换套滑套其最大外径达至 293mm 与井眼间隙只有 9mm，对在硬地层施工的水平井十分不利，这种结构的马达只适合上部软地层及常规定向井。由于了马达弯壳前刚性较大，相对泄流面积较小，相对返速较高，与上部环空形成一个涡流，影响前部岩屑的快速带出，造成沉积，影响钻进速度，而进一步造成 PDC 钻头对这些岩屑的重复破碎，易造成钻头与稳定器泥包。（3）定向钻具刚性及稳定器数量影响。马达稳定器本体几何形状是影响钻头造斜因素之一，稳定器倒角，及泄流面积的大小，稳定块棱边的几何形状，影响机械钻速及增降斜效率。井眼井斜超过 70以后，下部刚性钻具轴向上受压，不在受拉，向下传送的钻压在此井段，而被分解成平行的较小的推力，大部分的力分解在下井壁之间，如导角大于 30，稳定器的台肩相对陡，此稳定器在马达弯曲力作用下，吃入一部分下井壁形成一个死角楔形，要想克服它只有加大钻压，当超过临界摩阻力后，快速释放的钻压对于螺杆钻具将产生制动。（4）马达弯角大，实钻井眼曲率超标。高的导向马达角度将在井段中产生很大的狗腿角，连续的曲率将使井眼侧向力增大，对下部钻具产生偏磨，在滑动过程中侧向力加剧了外锥牙齿的偏磨；在旋转钻井中，大角度马达弯壳体产生刹车带作用，钻具在旋转中会产生某一时间的滞动，带来转盘扭矩的大幅变动，并产生剧烈震动，不稳定动载影响了钻头的寿命。图 5 实钻井眼钻头转盘钻速为 80rpm 井时钻头动载，由于井眼狗腿控制差造成纵向最高跳动为 50mm，横向跳动 15mm，图 6 为设计平滑剖面的纵、横移动情况纵向最高值只为 6mm，横向移动为 7mm。图 5 千 18-19 实钻轨迹的钻头跳动 图 6 千 18-19 设计轨迹的钻头跳动4.4 定向施工不合理操作对 PDC 影响（1）不合理摆放工具面方法对钻头的损害。大钻压憋钻具硬摆工具面，造成 PDC 钻头频繁反转，马达蹩泵，高速的回旋使 PDC 钻头磨秃，是长时间摆不上工具面原因之一。（2）长时间小排量钻进，增加井下高温造成钻头无法有效的冷却。实践证明，合理的排量在深井中可以降低温度 30左右，而小井眼 6施工中 10 l/s12 l/s 排量只能降温710有，因此保证足够的排量 PDC 钻头才可以确保达到或接近设计寿命。（3）不合理的划眼方式损坏钻头牙齿。PDC 钻头划眼必需开泵，保证足够的排量冷却钻头，并能降低钻头表面的温度，而大幅的上下滑动井眼，由于弯马达的轴线上偏移如常规 172mm 马达 1.5的弯壳体将有 22mm 偏移量，此时钻头外锥齿吃入地层，上下快速的运动产生大量的热量，如此时加压将使马达产生弯曲，PDC 齿吃入地层更深，硬地层与 PDC齿间产生高热，PDC 牙齿有关数据表明当温度超过