单牙轮钻头在定向侧钻井中的推广应用

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一、前言

钻头是影响定向侧钻机械钻速的重要因素之一，现在侧钻井常用的小尺寸钻头主要有三牙轮钻头、PDC钻头和单牙轮钻头，其中，三牙轮钻头最明显的缺点是轴承尺寸小，它主要靠冲击、压碎和小距离刮挤方式破岩，钻头接触井底的牙齿数变化大，牙齿受力不均匀，轴承使用寿命短；PDC钻头由于受结构和工作原理的限制，不仅工作时扭矩较大，牙齿的冲洗和冷却困难，而且它对地层岩性的敏感性较强，不适合钻进砾石地层和软硬交错的地层；目前胜利油田定向侧钻使用最多的就是江汉钻头厂生产的单牙轮钻头，它比三牙轮钻头更适用于强度和塑性同时都大的地层，同时又能适用于PDC钻头难于对付的硬夹层和其他复杂地层，且结构简单，轴承空间大，使用安全可靠，钻头尺寸容易小型化，现场使用效果良好。

二、单牙轮钻头的改进及特点

（一）问题的发现及改进

1999年，井下作业公司开始引进江汉钻头厂生产的YA系列单牙轮钻头，之前用的最多的是PDC钻头，平均机械钻速仅有1.0m/h左右，在单牙轮使用初期，也仅用于稳斜段，在增斜段使用时测斜仪的指示波动大，操作困难，后来经过对增斜钻具组合合理调整，钻进中测斜仪器显示良好，这才发挥出了单牙轮钻头钻速快的优势，并且可使用于全部裸眼井段。但1999-2001年期间使用的单牙轮钻头发展还不成熟，存在巴掌易刺坏、牙轮牙齿磨损快、牙轮流道易冲蚀、使用寿命短、机械钻速低等问题， 根据施工中出现的各种问题，我们提出了改进措施，并结合江汉钻头厂共同研究，将单牙轮钻头的轴承、牙齿、牙轮掌背及流道进行了强化处理和改进，改进后的单牙轮钻头在小井眼钻井的应用中获得了极大成功，克服了以前单牙轮钻头的各种缺陷，它消除了单牙轮钻头牙齿易掉落、掌背易刺穿、过多的起下钻以及钻井成本较高等问题，在现场应用效果良好。

改进后的YA系列单牙轮钻头在阶梯牙轮的永久接触区镶装耐磨性好的锥球齿、轮换接触区镶装耐磨性好的楔形齿、牙轮顶平面镶装小直径硬质合金齿防止牙轮基体磨损，钻头体镶装锥球齿加强保径，加强了钻头底部铣齿的研磨性；并对牙掌轴颈表面强化处理，牙掌轴承副表面堆焊硬金属层，牙轮内孔镶焊减磨合金，提高了轴承工作能力；优化设计钻头体主水孔流道直径、位置、和倾斜角度，增加掌背厚度，降低主水孔流道内流速，有效防止流道冲蚀；

（二）YA系列单牙轮钻头的结构特点

1.轴承尺寸大，常用的￠118mm单牙轮钻头轴承尺寸和强度可以达到￠215mm以上三牙轮钻头的轴承尺寸规格，在小井眼中使用安全可靠。

2.YA系列单牙轮钻头是一种减速钻头，即牙轮的自转转速要比钻头的公转转速低，其旋转速度仅相当于同尺寸三牙轮钻头的一半左右。

3.单牙轮钻头水力系统采用主、副两水眼式结构，使用扩散型喷嘴的上井眼彻底彻底清洗牙轮，使用射流型喷嘴的下水眼提高射流冲刺力，有效的清除岩屑和辅助破岩。

4.单牙轮钻头牙齿采用交错布齿，牙轮形状、齿排数、齿数、露高等都通过计算机软件进行模拟优选，使切削结构在井底形成的网状切削模式更均匀，以及井底覆盖更好。

5.该钻头采用牙轮和钻头体两极保径，钻头体上镶装主动切削保径和被动抗磨保径齿，使钻头具有较好的保径作用和倒划眼功能，在单牙轮永久接触区镶装耐磨性好的锥球齿，增强牙齿的耐磨性。

三、现场应用效果

胜利油田井下作业公司从1992年开始进行老井侧钻，但因小尺寸钻头机械钻速低，侧钻工期长、成本高、工艺不成熟，一直没有真正形成规模。自1999年以来，胜利油田通过一系列技术攻关，技术水平发生了“质”的飞跃。特别是单牙轮钻头的改进和推广应用解决了多年来制约小井眼钻井的“瓶颈”问题,解决了小井眼侧钻井钻头使用寿命短、机械钻速低等诸多难题。

表3－1改进后的单牙轮钻头在胜利油田所施工的部分侧钻井的应用情况统计表。从单牙轮钻头在现场的使用效果来看，单牙轮钻头具有以下特点：

（一）单牙轮钻头的主要优点是提高了侧钻井机械钻速，缩短了钻井周期，降低了钻井成本。

（二）钻进平稳。单牙轮钻头在牙齿吃入并刮削地层时，有较多的牙齿与井底保持接触。它不同于三牙轮钻头的滚动冲击和刮削地层，也有别于PDC钻头的剪切地层。

（三）单牙轮钻头克服了PDC钻头软地层易泥包、硬地层进尺慢等缺点，据统计，因小井眼PDC钻头泥包问题，每口井平均需起下钻4次左右，使用单牙轮钻头可减少了起下钻次数，缩短了施工周期。

（四）单牙轮钻头平均使用寿命60多小时，小尺寸三牙轮钻头平均纯钻进时间20小时左右，是三牙轮钻头的3倍。

（五）单牙轮钻头所需扭矩比固定切削齿钻头所需扭矩小，配合井下动力钻具能满足高转速的需要。

（六）单牙轮钻头对钻压的影响要比对转速的影响更为敏感，它主要以刮削方式破碎岩石，施加合理的钻压能够获得较快的机械钻速。适用于高转速高钻压下的老井开窗侧钻、老井加深等小井眼钻井作业。

四、结论

改进后的单牙轮钻头经过多次实践，使用效果较好，能够提高侧钻井机械钻速，缩短钻井周期，从而降低钻井成本，即可应用于增斜钻进，更适合稳斜钻进，更适用于小井眼钻井，因单牙轮钻头在套管内定向侧钻中有广泛的应用前景。