侧钻开窗随钻扩眼PDC钻头个性化研发和应用

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摘 要：文章重点介绍了侧钻井造斜、稳斜随钻扩眼钻头的设计依据，结合现场使用情况，总结出了其主要性能特点及存在的问题，为今后的进一步推广应用指出了方向，同时指出了该型钻头在侧钻大斜度定向井、侧钻水平井施工过程中应有的高性能。

关键词：PDC钻头；随钻扩眼；个性化设计；开窗

中图分类号： TE245 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-182-2

0 引言

鉴于侧钻井技术在提高老油田采收率方面具有投资少、成效大、见效快的优势，为侧钻井技术的大面积推广应用创造了条件。钻头作为最关键的工具之一 ，其质量好坏直接影响到井眼质量和钻进速度。

分析已钻井位钻头技术指标，现有钻头平均单只进尺146m，平均机械钻速1.18m/h，平均钻头使用效果指数为2.80，使用效果指数[1]不佳；在可导向钻具上使用时稳定性方面较差，扩眼憋钻；其原因是反扭矩太大，另一方面是 pdc钻头扭矩对钻压变化非常敏感，再一方面井底粘滑钻具振动[2]。本文通过优化钻头剖面形状，优化布齿、力平衡计算设计、优化水力结构等技术方面得到改善[3]，取得优良使用指标。

1 随钻扩眼PDC钻头的结构和原理

1.1 钻头冠部剖面形状

我国石油钻井所遇地层大都是软硬交错的非均质地层，性质单一的大段均质地层则很少。针对地层非均质的特点，综合考虑冠部剖面形状对钻头寿命和钻进速度的影响，选择双锥型冠部剖面作为PDC钻头的基本剖面形状。研究分析表明，直线―椭圆方程可以较好地拟合这些剖面形状。这样，就可以建立一个PDC钻头冠部剖面形状的通用设计模型。

1.2 钻头布齿设计

布齿设计是PDC钻头设计的核心内容，对PDC钻头的钻进效率、稳定性和工作寿命都有着十分重要的影响。布齿设计包括切削齿尺寸选择、切削齿数量及布置方式设计、切削齿工作角设计等内容。

PDC切削齿尺寸与地层可钻性的经验系数中得知，在中硬地层可钻系数为5

1.3 钻头力平衡设计

实验室研究和现场经验表明，冲击载荷引起的切削齿的碎裂是导致PDC钻头过早失效的主要原因。

双心钻头由于其特殊的外形设计，与常规全面钻进钻头有不同的力平衡关系，其不平衡度往往比较大，通过预扩眼段等技术方案的改进与实施，其刀翼与其扩出的井眼在周向上接触范围大于180°，限制了其向对称面的移动，同时，由于预扩眼部分的存在，也减少了主扩眼段的破岩任务，保证了钻头的稳定性。钻头将不平衡力控制在1%以下，与常规PDC钻头基本相同，保证了钻头的使用寿命及井眼质量。

1.4 钻头水力设计

1.4.1 水嘴配置

安装数量不等、孔径大小不一的水嘴，避免钻头冠部泥浆低流速区域和滞留区域，以满足钻头自我清洗、冷却和岩屑返排的需求。水眼的数量按本文设计实例，5 7/8"钻头冠部设置4只14号水嘴，扩眼刀翼部分设置3只12号刀翼共计7只水眼。水嘴的当量直径为2.19cm，过流面积600mm2，射流速度21.62m/s。方位角和喷射角度 冠部4只水眼方位角间隔45°均分360°，喷射角度定义为水眼轴线与钻头中心轴线成15°～22°。扩眼部分水眼的方位角受扩眼刀翼限制，在扩眼刀翼间，喷射角度定义为水眼轴线与钻头中心轴线成25°～30°。

1.4.2 排屑槽设计

排屑槽的设计应考虑降低泥浆从喷嘴射流反射到钻头体能量，最大限度地增加钻头过流面积，降低对钻头体的冲蚀，确保岩屑运排过程中的流畅无阻。因此排屑槽应满足如下要求：

在考虑现有钻头的基础上，排屑槽剖面形状曲线拟合为G3连续；排屑槽宽度和深度应在保证刀翼强度下，最大限度的增加尺寸。（表1）

2 现场应用

鉴于目前国内钻后扩眼工具的技术水平只能扩到30°的技术现状，结合已钻井扩眼使用情况，决定在*8C井使用随钻定向扩眼钻头，选择使用本文涉及的149mm×165mm×118mm BTF336型钻头。下文为周边实钻技术指标对比表。由表2看出，改进后的 PDC钻头使用效果明显提高，平均单只进尺为171m，平均机械钻速为1.62m/h，最高单只进尺244m，最高机械钻速1.78 m/h。

3 存在的问题及改进方向

3.1 钻头材料的选择

通过现场试验，本课题研制的侧钻开窗随钻扩眼PDC钻头在造斜段、稳斜段与国产同行业产品相比，在机械钻速和进尺方面都有较大进步，与进口PDC钻头相比，在机械钻速方面相当，但进尺略低。主要原因是钻头在研制过程中严格按照本文设计思路实施，实践中对地层的攻击性和适应性也能够得到此类设计适于施工的印证，但国产的PDC复合片切屑齿材料在磨耗比和抗冲击性等指标上较国外行业还是有些差距。因此在选配切屑齿时应以注重磨耗比和抗冲击性综合指标材料的选取。

3.2 稳定性的优化

偏心钻头较常规PDC钻头在稳定性上有一定的差距，因此在设计上优先判断钻头的稳定性问题。钻头的攻击性为第二考虑重点。通常在设计过程中，稳定性和攻击性互为矛盾，这就要求设计者要考虑将本文所提的设计流程按步骤逐步优化，直至将不平衡度降为最低。

4 结论

①该钻头设计理念先进，结构设计合理。

②造斜钻头侧向切削能力强、造斜率高，能满足短半径侧钻定向井的要求。

③平均单只钻头进尺高，机械钻速快，寿命长，钻进平稳。

④经过力平衡优化设计PDC钻头的进尺及机械钻速有较大提高。

⑤虽该钻头较国产钻头优势较明显，但较国外同行业产品而言，还有部分差距，下一步的主要工作方向是材料的选取和使用。

参 考 文 献

[1] 邹德永，孟祥雨，等.基于模式识别的钻头选型新方法[J].石油钻探技术，2016，44（2）：40-45.

[2] 祝效华，等.PDC钻头粘滑振动机理分析[J].石油矿场机械，2012，41（4）：13-16.

[3] 许朝辉，高德利.侧钻开窗PDC钻头的个性化设计[J].油气田地面工程，2014，33（2）：5-6.

[4] 邹德永，曹继飞，等.硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计[J].石油钻探技术，2011，39（6）：91-94.

[5] 邹德永，蔡环.布齿参数对PDC钻头破岩效率影响的试验[J].中国石油大学学报：自然科学版，2009，33（5）：76-79.