PDC钻头在水平井中应用

周洪林

 

 

1.        前言

快速钻井技术体现PDC钻头创新与定向井技术结合。在水平井作业施工中，造斜PDC的工具面稳定性是决定造斜成败的关键因素，不稳定向造斜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及功率有很大的关系。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。

作者简介:  1970年生，1989年毕业于大港石油学校，长期从事定向井技术工作。

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，其寿命受螺杆钻具转速影响，使用时间达不到正常时间的一半。牙轮钻头受诸多复杂因素的影响如地层岩性、温度、井眼曲率，造成牙轮落井事故频发，事故主要内在因素是温度，高温作用下牙轮轴承润滑失效。马达高转速产生高温度，硬地层钻进需要相对大钻压，地层反作用力使马达反扭矩不断加大，超过其额定值后马达失速，泵压上升钻具反转，在旋转过程中由于弯壳体钻具与井眼轴线非同轴心，马达在井眼中不断跳动，钻头动能转换成热量影响了钻头的正常使用，对于高大于150°井下高温采用马达定向由于温度使轴承提前失效HJ系列的寿命，由其是奥陶系高井温水平井国内定向牙轮钻头安全使用时间只有20小时。

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。随着机算机技术在设计中的成功应用，低速高功率的马达应用，PDC钻头显示出它的的优势。

定向井技术的发展，造斜钻头从平底、直刀冀外型、转换成短保径（增加侧向力）、螺旋刀冀（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，牙齿俯角及侧角度设计，及切屑齿材料更新及计算机力平衡排列、高效的泄流槽设计，彻底解决了定向造斜低效率的问题。

2.1影响PDC钻头进尺因素

（1）由于井眼曲率过高或地层岩性原因使PDC上下跳动加之刀冀齿设计防震不足；原因马达高转180－220转/分，钻进至高研磨、及火成岩硬脆的地层时，由于岩性的原因造成钻具的憋跳，加之造斜工具及钻具轴线上不同心产生震动，加压钻进时不均下放载荷使钻具轴线上冲击载荷使钻头发生高频震动。

 

（2）井底钻头剖面不合理造成井下钻头发生回旋；对于不同的井型应对应不同的钻头型号，直井段用打直井的钻，比如说钻头保径相对长的钻头对稳斜应相对有利，对于初使造斜的PDC钻头，剖面的选择首要解决的工具面的稳定性，而浅内锥短外锥的高度的钻头能够解决这一问题。

 

（3）马达事故造成水眼堵塞，泥浆无法冷却PDC钻头齿在短时间损害钻头切屑齿，直接造成钻头无进尺现象的发生；马达脱胶，不规则的定子橡胶在高温高压下的脱落堵水眼，发生泵压上升要及时发现问题。防止局部的水力循环短路，造成在钻进中产生高温损环钻头。

 

（4）钻头剖面设计不合理无法定向钻进；冠剖的设计是整体设计关键，合理的内锥，及鼻部、侧面、屑部，及径将决定，初使定向造斜是否成功。

 

（5）切悄齿分布及大小于地层匹配合理；混合布齿，合理牙齿的侧斜角是控制吃入地层的有效手段。控制好牙齿的俯角根据不同的地层确定合理的角度，正常地层角度小一些，对于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。

 

（6）钻具钻具刚性不合理；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。对于目前的马达由其311mm井眼的244mm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295mm与井眼没有什么空间对与在硬地层施工的水平井十分危险，这种结构的马达只适合上部软地层及常规定向井，它造成了马达前部刚性较大，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。

 

（7）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解决方案。

（8）钻头刀冀的数量与地层匹配；多刀冀可增加钻头的稳定性，所以此类钻头是较硬地层定向造斜首选，但是更多的刀冀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机械钻速高地层，在满足定向需要前题下可减少刀冀。

（9）定向钻具刚性及稳定器数量；马达稳定器本体几何形状是影响钻头造斜重要因素之一，稳定器倒角的大小，及泄流面积的大小，及稳定块棱边的几何形状，影响机械钻速及增降斜效率。而目前稳定器导角一般在25-35°之间，理想的角度在在15-20°间，这将降低稳定器挂井壁现象的发生这也是水平井钻杆为什么接头设计成18°原因之一。

为什么这种现象发生在70°以后，主要是此角度下部钻具完全受压，而不在受拉，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，上时如导向大于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。

 

（10）地层变化使用PDC钻头减震齿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。

 (11) 不合理的划眼方式破坏钻头齿。PDC钻头划眼必需开泵，保证足够的排量冷却井眼，降低钻头表面的温度，大幅的上下滑动井眼，由于弯马达的轴线上偏移对于常规171mm马达2°的弯壳体将有22mm偏移量，钻头外锥齿吃入地层，上下的快速的运动产生大量的热量，如此时轴线上大钻压使马达产生进一步的弯曲，齿入地层更深，大负荷下地层产生的高热量，PDC牙齿有关数据表明当温度超过350°时其将加速损坏，由于侧向牙齿吃入地层深泥浆不能有效进入，冷却，钻头齿达到邻界温度牙齿提前损坏。这也是大段划眼，没有及时开泵，钻头磨秃的主要原因之一。

（12）马达角度过大，井眼曲率超标；大的导向马达角度将在相同的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，对上部钻具产生偏磨，在滑动过程中侧向力加大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，钻具在旋转中就会产生某一时间的滞动，带来转盘扭矩的大幅变动，产生下部的工个的剧烈震动，不稳定动载影响了钻头的寿命。

 

（13）不合理的摆放工具面对钻头的损害。大钻压摆放憋钻具硬摆工具面，造成PDC钻头频繁反转，马达憋泵，高速的回旋使PDC钻头磨秃，这也是长时间摆不上工具面起钻后钻头失效的原因之一。

（14）长时间不循环泥浆或小排量钻进，大排量循环泥浆是降温的有效手段，实贱证明，合理的排量在深井中可以降低温度30°左右，只有在较为低的温度下PDC钻头才可以发辉应有的寿命。

（15）钻头冠部齿数量不足，点接触切屑齿形状只布无法平衡地层反扭矩。造成钻头回旋无法摆住工具面。增加齿的截面积，采用锥形齿合理分布力矩，线，面接触增加钻头稳定性。

3           PDC钻头水平井中应用出现的问题

非常规井眼定向失效，正常井眼初使造斜困难

对于大井眼PDC，定向过程中PDC钻头剪切齿在一定钻压下，由于井眼面积大，钻具刚性相对较柔下传载荷过程中将产生变化、震动，钻具产生抖动，造成钻头齿吃入地层的深度不一，造成PDC每一个转动过程中无法保持平衡，也就是过载，造成了钻压变化，地层给钻具不均的反扭距，这一运动会使钻具会产生反转，反转的快慢与钻压大小成正比，这造成工具面的大幅度的充变化。

另一方面弯马达，马达输出功率低，不足以克服地层给钻头的反扭矩。造斜的过程实际上是一个向上的爬坡的过程，PDC钻头的侧向齿的部齿，及牙齿分部数量，外椎部齿角度大小及齿直径是也是影响是否能成功定向的关键。

3．1为什么摆不住工具面：

原因是PDC切屑齿无法均匀吃入地层，PDC钻头剖面与地层剪切冲击力太大造成反扭力，加之刀冀导角不合理造成。常规做法硬地层的角度要大一些，也就是说增大椎顶与外椎面积与地层更多的接触，否则由于面积小，顶部冲击力大，将造成某一个爬坡刀翼过深切入地层，而产生某一时间上的滞动，产生动载，而其它刀翼还没完全深入，产生打滑，使工具面不稳定。

 PDC切屑齿尺寸较大，造成吃入岩性太深，另一方面外锥剖面角度不应太小太急最好在20°左右，否则钻头冲击力大，造成过载，工具面乱动，另一方面，在外锥上多布齿，因为钻头磨损主要在外锥上，选中弧度的剖面，和地层接触适中，减少钻头冲击力。

如何合理选择PDC钻头其主要方向，应使用浅内锥PDC钻头，在刀冀选择上应螺旋刀翼与螺旋保径设计技术可以避免和保径段与井壁和井底直接碰撞接触。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。

调整好泥浆润滑，支持钻具在小钻压下工作，也是克服摆不上工具面的好的方法。小钻压对应小的马达输出扭矩。M=C1（PDC钻头可钻系数0.1-0.3）*钻压（N）*井眼直径（m）,牙轮钻头可钻系数为（0.03-0.05）

保持刚性，调整好钻具结构，钻井过程中防止钻具由弯曲而造成的变形，使钻头无法接触井底而无进尺的发生。马达本体稳定器尺寸过足将影响钻头有效的进尺，由其有大井斜时由于钻具受压，过小的环空间隙影响井岩屑的上返，其下部有部分沉积，加大了滑动钻进时的机械效率，产生较的摩擦阻力。而过小的间隙将影响钻具的增斜能力。

 

减少拖压应要选择PDC钻头有短的保径并且有一定螺旋角度，与整个刀翼错开一定角度，保证保径部位不影响钻头齿切入地层，不能与其成为一条线的部局，从多角度更多接触地层减少对地层的磨摩，及冲击。

选择高功率的马达，高钻速的马达。为什么在215.9mm井眼摆工具面相对容易,一方面接触面积小地层产生的扭距小,加一方面主要是相对小尺寸的马达(172mm)马达钻速较高一般达180转/分- 200转/分以上,高钻速小钻压更适合PDC钻头,而大井眼311mm在我油田硬地层不易摆工具的原因,就是因为我们使用的马达244mm钻速只有80-110转/分之间,没有产生高钻速,高流速，形成的井眼高部位的高速流区携带岩屑不足，井眼清洁较差在相对钻压下,由于钻速低,司钻为加快钻进只有增加钻压,则地层反扭距增大，如果大于马达产生的扭距，而使马达反转，工具面乱跑。

钻速方程R=Lp* nb* N

(LP 每个单元有效吃入   nb 有效的翼数     N转速)

钻头侧面的流道槽要进可能更大的截流面积，并且有一定的引导槽道，让破碎岩石由引导槽道，按一定方向引导而不影响钻头破碎更多的岩石，如果没有好引导槽道，被第一次破碎的岩屑，上返不及时，会在钻头下部沉积，钻头将重复破碎，造成所谓托压。而好的钻头引导槽道就如一个传送带。

4．我油田如何在大井眼采用PDC造斜

对于东部地区东营、沙河街地层由于大段泥岩造斜井眼直径为311mm的水平井及定向井，过去采用定向PDC钻头由于没考虑地层及马达刚性及功率等情况，基本无法摆上工具面，都是因为工具面滑动造斜时工具面360°转圈的变化无法稳定，虽然控制钻时，无效而起钻换牙轮钻头。造成事故频出，机械钻速缓慢。

  近年来通过技术的近步，由其对PDC钻头从切屑齿硬度及内外锥剖面，刀冀数据量及角度的优选，我们发现硬地层造斜首选小齿多刀冀螺旋短保径的钻头就能在造斜初期快速定向得至一个稳定的工具面。

   通过实践我们发现，马达稳定器刚性及其外形也决定了PDC钻头是否能成功初使造斜成功，对于粗的可换套稳定器（例311mm井眼使用244mm马达其最大套体直径达295mm与环空间隙可想而知对于水平井施工同岩屑是很难顺利返出，造成托压）。

如稳定器外形螺旋形的马达，由于与地层接触为点线，稳定器起不到稳定工具面作用，在硬地层造斜效率低下，机械钻速慢。影响主要因素是托压，无法保证稳定的工具面。

   快速的通过稳定器的截面积的岩屑越多，将保证下部PDC钻头更有效的进尺，减少由于岩屑而产生的托压，造成不断的增加钻压不断的改变马达的工作状态，造成反扭矩的变化，工具面不稳。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

井号	钻头	地层深度(m)	进尺(m)	井眼尺寸	纯钻 时间(h)	机械钻速(m/h)	刀翼 数据	剖面类型	造斜效果	牙齿 尺寸	温度
中7-72h	FM3643z	沙河街	937	311.1	195	4.8	6	3	好	13	70-80
港72-5h	FM3643z	56.5	56.5	311.1	35	1.61	6	3	好	PDC	70-80
千16-16	FMH3743R	317	158.5	215.9	209	1.37	7	3	好	PDC	160-170
千18-19	FM3643z	54	18	215.9	74	0.89	6	3	好	牙轮	170-180

 

 

5.总结

不断革新的PDC钻头，将更适应造斜及其它钻井需要，选择不同类型的定向钻头，是成功控制井眼轨迹的关键，不同的地层不同井眼通过正确的对钻头剖面，牙齿，刀翼设计，水眼流道的优化。就能达至快速钻井需要。

PDC钻头能适合目前的水平井各个阶段的井眼控制要求，通过对将施工井地层、井眼参数，轨迹要求、及造斜马达功率及钻速、及合理钻具组合刚性，进行综合配套，选择好钻头的牙齿，刀翼数据，及定向钻头的剖面类型，保证成功造斜、稳斜、降斜作业。