PDC钻头在中深井中的应用

贾敏松

摘要：长期以来，胜利油田区域钻井都是以牙轮钻头为主。牙轮钻头钻井中存在很多不利因素：牙轮钻头需要利用较高的泥浆泵功率来提高钻井速度，能耗高，循环体系承压高；牙轮钻头使用中易发生掉牙轮事故；牙轮钻头寿命短。特别是由于牙轮钻头的破岩机理[1]所致，在目前情况下机械钻速提高受到制约，影响钻井速度的突破，对于中深井合理选用PDC钻头可以大大缩短钻井周期且节省钻头成本。

关键词：优选 PDC钻头 机械钻速

前言

中深井[1]主要是指井深在1500米-3500米之间，其技术难点主要有：1、直井段难以控制井斜，直井段井斜超标，加大斜井段难度；2、稳斜段长，井身轨迹难以控制，易出现井下复杂情况及后期施工困难；3、使用牙轮钻头其寿命短，起下钻次数多，难以缩短钻井周期，且起下钻次数多易造成井下复杂情况。因此选择适合地层的钻头及钻具组合以增加纯钻进时间，减少起下钻时间，从而缩短钻井周期。

一、 PDC钻头的性能机理

1.PDC钻头的材料

与牙轮钻头的不同之处是PDC钻头没有运动部件。PDC钻头的胎体可用钢和碳化钨两种材料来制造。钢体PDC钻头[2]的主要缺点是抗冲蚀性能不如混合体钻头，钢体钻头一般用于钻软到中等研磨性地层和钻大井眼。

PDC钻头的技术进步：首先是采用了抗研磨性和抗冲击性更好的人造金刚石材料；其次是聚晶金刚石薄片与碳化钨圆片接触面的几何形状也有了改进；PDC钻头的热稳定极限也由原先的700℃提高到1150℃。

2.切削机理

PDC钻头的破岩机理是剪切。钻头的剪切作用在破岩时起主要作用，而牙轮钻头的破岩机理为冲击压碎，岩石的抗压强度约是抗剪强度的3倍，因此剪切破坏比压碎容易。

3.稳定性

PDC钻头的稳定性对钻井效率来说是极其重要的因素。抗涡旋和降摩擦保径块等技术的应用使PDC钻头更加稳定。PDC钻头水马力、切削件和动态稳定性的改进导致PDC钻头的机械钻速和寿命大幅度增长。

二、 优选钻头及钻具组合提高机械钻速

中深井井深一般在1500米-3500米，完钻层位一般在沙河街组，岩性较单一，复杂地层较少。下面以济阳坳陷东营凹陷滨南-利津断裂带区块所钻的几口井为例论述分析。

一开钻具组合：ф346.1牙轮钻头+177.8mm钻铤（3柱）+127mm钻杆，表层井深在200-250米之间。

二开钻具组合为：ф215.9PDC钻头（四翼） +177.8mm无磁DC（1根）+177.8mmDC（6根）+ 127mm加重钻杆DP+127mm普通钻杆或采用PDC钻头+直螺杆钻井模式，二开快速钻进采用二档车，钻压3-4吨，机房转速1250转/分钟，进入东营组之前改为小循环及时处理钻井液，一般钻进至造斜点或东营底进入沙一段起钻换钻头。

定向段钻具组合：如果造斜点在东营组或东营组之上可以先用HJ517牙轮钻头定向，钻具组合为：ф215.9牙轮钻头（HJ517）+172mm动力钻具 （1根）+回压凡尔+定向接头+158mm无磁DC （1根）+127mm加重钻杆（5-6柱）+127mmDP。进入沙一段或井斜达到设计井斜起钻换钻具结构为：ф215.9PDC（五翼）+172mm动力钻具 （1根）+208mm欠尺寸扶正器+回压凡尔+定向接头+158mm无磁DC （1根）+127mm加重钻杆（5-6柱 ）+127mmDP。

三、 应用实例分析

施工的滨64-斜55、滨64-斜56、利33-斜82井都位于济阳坳陷东营凹陷滨南-利津断裂带区块。

由以上三口井可以看出，PDC钻头的纯钻进时间长，在滨64-斜55井单只PDC钻头纯钻进时间81小时，节省了起下钻时间，从而大大提高机械钻速，缩短钻井周期。滨64-斜56井和利33-斜82井，在沙二段定向钻进机械钻速均达到15米/小时以上。滨64-斜55井完钻井深2465米，水平位移313.62米，钻井周期仅用8天4小时。

利33-斜82井稳斜段下入PDC钻头+动力钻具+欠尺寸扶正器稳斜稳斜钻具组合，钻压4-6吨复合钻进，1751-2202米井斜数据如下表：

从表中全角变化率可以看出这套稳斜钻具很好的控制了井斜方位。

四、 结论

1、选择合适的井段使用PDC钻头，能够有效的提高机械钻速，降低钻井成本，提高经济效益。

2 、PDC钻头在深井应用，能大大的减少起下钻次数，安全系数大，没有掉牙轮风险，事故发生率小。

3、在东营、沙河街组易斜井段下入PDC钻头，采用小钻压高转速钻穿该井段，能有效的控制井斜。

4、选择适合地层的钻头可以提高机械钻速，减少起下钻次数，缩短建井周期，节约钻井成本。

参考文献：

[1]黄国志.钻井司钻.石油工业出版社 2008.2

[2]陳庭根 管志川.钻井工程理论与技术 中国石油大学出版社 2006.3