针对大牛地气田定向段PDC钻头选型的实践

芦秀茹

(中石化华北分公司,河南郑州450006)

针对大牛地气田定向段PDC钻头选型的实践

芦秀茹*

(中石化华北分公司,河南郑州450006)

对大牛地气田定向井在定向过程中由于PDC钻头结构和使用方面的原因造成的托压及工具面不稳定的现象进行了分析，对PDC钻头的保径结构、冠部轮廓形状的设计提出了自己的见解。

PDC钻头；单弯螺杆；工具面；托压

1 概述

西部公司鄂北项目部自2013年率先使用PDC钻头与配合使用1.5°单弯、单扶螺杆定向技术在大牛地工区完成定向段施工，并取得了良好的应用效果及经济效益，针对施工中遇到的托压现象及工具面不稳定现象进行分析：

PDC钻头在定向钻进过程中扭矩受钻压、泵排量、地层岩性变化影响比较大，当钻压、排量不变的情况下，如果钻遇夹层，扭矩没有牙轮钻头那样的缓冲余地，所以容易造成工具面不稳定及托压现象。大牛地气田定向段地层具有岩性杂、软硬交错、夹层多等特点，如果PDC钻头选型不当，很容易产生托压、工具面不稳定现象，严重影响定向钻进机械钻速和造斜率。

2 PDC钻头影响工具面不稳定的因素

实例一：

武汉亿斯达工具有限公司所生产的8-3/4″EDM1615SE型PDC钻头在大牛地工区DPT-57井定向段的应用：该钻头尺寸8-3/4″、五刀翼、16mm齿、螺旋保径，从设计上看该型号钻头配合螺杆使用具有较高的稳定性，鼻部切削齿攻击性强定向钻进、复合钻进机械钻速快。浅内锥设计，使它具有良好的抗地质导向能力和较高的造斜率。但实际应用中出现钻遇夹层工具面不稳定，摆工具面作业较频繁，同时托压现象也比较严重（这一点从钻井参数钻压不变、泵压下降，工具面稳定上可以观察出来，在对钻井液采取混入润滑剂等措施后没有明显好转）。虽1只钻头完成了水平段在太2组的造斜施工，整体机械钻速也较快，但定向钻进摆工具面、稳工具面可操作性不理想。

针对上述实例工具面不稳定现象进行分析：PDC钻头定向钻进过程中形成的反扭矩是冠部破岩钻进过程中来自地层的反作用力和保径部与井壁之间的摩擦力之和，这个摩擦阻力所占反扭矩比例越大，钻头在钻遇夹层时来自冠部的影响就越小，钻头工作就越稳定，工具面也就越稳定。较宽、较长的保径部可以与地层有较大的接触面积，从而产生较大的摩擦阻力，来提高钻头及工具面的稳定性。

实例二：

武汉亿斯达工具有限公司所生产的8-3/4″EDM1625SE型钻头在大牛地工区DPS-72井定向段的应用：8-3/4″EDM1625SE型PDC钻头尺寸8-3/4″、五刀翼、16mm齿、螺旋保径，该钻头是在8-3/4″EDM1615SE型PDC钻头基础上改进而来，主要是改进了保径部，使其加宽0.5cm，加长2cm。在DPS-72井定向段钻遇夹层时摆工具面、稳工具面可操作性明显好转，钻压也可成倍放大，造斜率较8-3/4″EDM1615SE型钻头也有显著提高，缩短了定向径段提高了复合井段。

由实例二进一步验证了我们对大牛地工区定向过程中工具面不稳定现象的分析，对我们以后的定向钻头选型具有较强的参考意义。但我们也要看到保径部越宽、越长，螺杆负荷也越重，螺杆寿命也相应的缩短，在钻遇复杂情况时也较难处理，如何改进保径部使钻头更经济、实用地配合单弯螺杆进行定向钻进，有待我们进一步摸索。

3 PDC钻头在托压现象产生中的因素

针对实例一托压现象进行分析：我认为造成PDC钻头定向过程中产生托压现象是PDC钻头工作原理和采用单弯螺杆滑动钻进的定向井工艺决定的，我们平时说的托压是托压现象加剧后的一种叫法，这种现象主要由井壁规则度、井眼轨迹狗腿度、地层岩性、钻头选型、钻具钢性、扶正器与井壁接触面积及泥浆性能决定。在定向钻进过程中不管多大井斜完全避免托压在原理上是行不通的，也是定向钻进和复合钻进在钻时上相差较大的主要原因，我们只能不断地改善和减小托压现象。

针对大牛地工区主要原因是PDC钻头保径部及肩部修整井壁速度过快，地层总体较软且夹层多、软硬交错，滑动钻进过程中井壁不规则，无法给予钻头一个稳定的、很大的向上托的力，使得定向钻具钻头部位被迅速地打空，钻压迅速转移至螺杆扶正器上，加剧了托压现象（这一点可以从定向过程中钻压不变，螺杆压降降低直至与空转泵压相同，工具面变化小或不变等参数上判断出来）。在托压现象加剧后由于螺杆扶正器修复井壁速度较慢，继续加压出现工具面很稳定，但钻压越大机械钻速越慢，甚至无进尺（原因分析：原本螺杆在循环过程中会产生强烈的震动，小钻压接触井底震动会更剧烈，这一点可以用来修整井壁，但出现托压后钻压转移到扶正器上，造成钻压加的越大，螺杆扶正器在井壁上压的就越死，螺杆震动就越小，修整井壁能力就越弱，但这个钻压一般有个极限，如果压过去就可以继续钻进，压不过去就托死了，没有进尺）。选用较宽、较长的保径部可以获得来自地层更多的托升力，也不容易吃入地层，可以有效改善这种托压现象。

另一个思路：定向钻进过程中灵活地选用合理的钻井参数、及时地跟压和选择正确的刹把操作方法也是改善托压现象提高机械钻速的好办法。PDC钻头配合单弯螺杆的定向工艺较牙轮钻头配合单弯螺杆使用要复杂得多，但它更灵活。大牛地工区定向段岩性杂、软硬交错、夹层多等特点决定了在定向过程中不可能选用一个钻井参数完成定向钻进，这是刹把操作者对井下动力钻具的了解、定向工艺、不同钻压下反扭矩大小的掌握、对不同钻压和下放速度下螺杆姿态变化的摸索和掌握、在钻遇夹层及不同岩性地层时螺杆姿态的提前调整、泵压微小变化时对螺杆姿态的判断和提前调整等一系列问题的综合判断能力的一种考验。合理的钻井参数、及时地跟压和选择正确的刹把操作方法可以打出比较圆滑的井壁和井眼轨迹，可在一定程度上改善托压现象，提高滑动钻进顺畅度。

4 适应于大牛地气田定向段地层的PDC钻头轮廓设计分析

从PDC钻头冠部轮廓设计上分析：大牛地气田定向段地层适合浅内锥、双圆弧冠部轮廓的短抛物线设计。

以全增斜为例，在PDC钻头鼻部钻遇夹层时浅内锥设计有利于内锥部切削齿及时地跟进，保持PDC钻头力矩的稳定，从而提高工具面的稳定性。浅内锥可以减少来自地层的导向力，分担一部分鼻部扭矩，有利于发挥螺杆的导向性，进一步提高造斜率。

短抛物线设计鼻部居中，鼻部到钻头中心的距离较短，相对长抛物线设计力矩较小，有利于保持PDC钻头钻遇夹层时扭矩的稳定。目前大牛地工区普遍采用1.5°单弯螺杆进行定向钻进，PDC钻头中心线与螺杆本体有个1.5°夹角，这就使得PDC钻头鼻部附近切削齿的攻击性决定了定向钻进的机械钻速，外锥部对井眼高边攻击性较弱，但影响低边较大，如果外锥部攻击性较强在钻遇夹层时采用大钻压容易将井眼低边打空形成托压现象。所以应减弱外锥部接近保径部切削齿的攻击性。

5 结论

（1）较宽、较长的保径部可以与地层有较大的接触面积，从而产生较大的摩擦阻力，来提高钻头及工具面的稳定性。

（2）PDC钻头保径部及肩部修整井壁速度过快，地层无法给予钻头一个很大的向上托的力，使得定向钻具钻头部位被迅速地打空，钻压迅速转移至螺杆扶正器上，形成托压现象。

（3）大牛地气田定向段地层适合浅内锥、双圆弧冠部轮廓的短抛物线设计，同时应减弱外锥部接近保径部切削齿的攻击性。

[1]张永弘.PDC钻头动力学[J].国外石油机械，1996，7（4）：60-69.

[2]李树盛，马德坤，侯季康.PDC钻头运动学研究[J].石油矿场机械，1996（25）：26-29.

[3]王镇全,周悦辉.PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究[J].煤矿机械，2009（8）：55-57.

TE921

B

1004-5716(2015)03-0111-02

2014-03-26

2014-03-28

芦秀茹（1978-），女（汉族），河南邓州人，助理工程师，现从事生产技术管理相关工作。