造斜井段PDC钻头个性化设计及应用

刘天恩（大港油田石油工程研究院，天津300000）

造斜井段PDC钻头个性化设计及应用

刘天恩（大港油田石油工程研究院，天津300000）

随着定向井理论与方法的发展，对于定向井的工具提出了更高的要求，PDC钻头以其自身的性能优势，在定向井钻井中发挥越来越重要的作用。由于PDC钻头在定向钻进过程中经常出现性能不稳定，工具面角度变化大、难以控制的现象，甚至造成井下故障，致使定向钻井周期长，机械钻速慢，钻井成本增加。因此提高PDC钻头稳定性，优化钻头设计，充分体现PDC钻头在定向钻进中的优势，对于提高定向井PDC钻头的效率和寿命，加快油气资源开发具有重要意义。

造斜井段;PDC钻头;个性化设计;

PDC钻头在定向钻进过程中经常出现性能不稳定，工具面角度变化大、难以控制的现象，使得定向钻井周期长，机械钻速慢，钻井成本增加。针对造斜井段机械钻速慢的问题，结合地层可钻性分析与钻头实际应用井段（直井段或定向井段），开展造斜段PDC钻头个性化设计，对钻头定向性能和攻击性能进行优化设计。

1 地层岩石可钻性分析

结合对应深度的声波时差数据，回归得到了利用声波时差测井资料预测岩石可钻性级值的计算模型[1-2]。利用室内实验数据获得PDC钻头的岩石可钻性模型，结合测井资料建立大港地区PDC钻头的岩石可钻性纵向剖面、横向剖面。并根据地层软硬程度与牙轮钻头可钻性级值的对应关系，对地层的软硬程度进行了划分，沙一段可钻性级值1.0-3.5，地层特性中软～中，沙二段可钻性级值2.0～5.5，地层特性软～中。

2 钻头个性化设计

2.1 定向性能优化

图1 PDC钻头个性化设计内容

优化的内容如下：

（1）优化布齿头型，缩短钻头设计长度，有利于提高钻头的可驾驭性。

（2）选择定向布齿轮廓线，保障钻头进攻性的前提下，优化切屑角度（60°），提升钻头的侧切能力，保障钻头定向工具面的稳定性。

（3）复合片高密度保径，短小的冠部结构，减少钻头扭矩波动，控制漂移趋势，提高钻头造斜效率。

（4）应用力平衡设计，常规钻头要求将径向不平衡力与钻压的比调整到2%以内,对于定向钻头严格控制在1%以内，从根本上保证钻头钻进时的平稳性。

2.2 攻击性能优化

优化的内容如下：

（1）针对沙河孔店硬质砂泥岩互层，可钻性在5-6之间，优化布齿轮廓线，调整布齿密度和角度（20°）。

（2）为强化钻头水力效果，增加了水槽深度，优化了钻头流道模型；可调式7水眼配置，满足不同工况下的水力匹配。

（3）优选高性能抗磨损的进口复合片，提升钻头的使用寿命。

图2 PDC钻头个性化设计内容

3 应用效果

通过在GD14H井对PDC个性化钻头进行应用，GD14H井造斜段机械钻速同邻井相比得到提高，关键井段提高机械钻速取得突破。GD14H井全井机械钻速7.10m/h，造斜段（3916m-4291m）机械钻速3.02m/h，是之前完钻水平井造斜段机械钻速的约3倍。

[1]窦同伟，孙景涛，陈淑芹等.新港1井地层可钻性与PDC钻头个性化设计及应用[J].中国石油和化工标准与质量.2013,23（8）：138-140.

[2]刘天恩，付友义，窦同伟等.钻头选型新思路[J].油气田地面工程.2011,30(1):87-88.

刘天恩，男，1984年7月生，工程师，现在从事钻井工程相关工作。地址：天津市大港油田团结东路石油工程研究院。