1、新型三翼 PDC 钻头在永 89斜 2 侧平 1 井中的应用一、背景介绍 永 89-斜 2 侧平 1 井是一口与广利油田永 89-斜 2 同井口，构造位置位于济阳坳陷东营凹陷中央断裂背斜构造带永 89 区块的开窗侧钻水平井。原井永 89-斜 2 井是在广利油田施工的一口生产井，设计井身结构为直-增-稳的定向井，造斜深度为 2169.00m，设计井深 3421.14m，钻探目的是向东北扩大永 89-斜 1 区块沙四段含有面积，钻探永 89 地区沙四段永89-斜 1 井砂体含油气情况。永 89-斜 2 侧平 1 井设计井深 3691.64m，垂深 2839m，井底位移 1124.62m，水平段长
2、153.56m，井底井斜 91.93方位 59.63。锻铣井段为 2235m-2258m（上下窗口） ，侧钻点位 2236.5m。钻头尺寸 152.4mm。 通过对老井井史钻时情况的分析，当钻进 2345-3300m（241mm 井眼尺寸）时的机械钻速为 2-3.5m/h，3300m-3425m（152.4mm 井眼尺寸）的机械钻速为 0.35-0.66m/h。其中 152.4mm 井眼尺寸的井段牙轮钻头的机械钻速为 0.35m/h，PDC 的机械钻速为 0.66m/h。地质资料显示，本井裸眼段将面临几乎全井段的泥岩。通过对老井相应层位相同钻头尺寸和钻头类型机械钻速的分析，预示着本井全井机械钻
3、速也将面临很大的困难。永 89-斜 2 侧平 1 面临着井全井段泥岩、小井眼小环空、超长斜井段等难题，取得较好的机械钻速、缩短钻井周期、降低井下复杂情况发生的几率，是小井眼侧钻水平井的常规钻井技术瓶颈。 二、施工过程 本井锻铣施工后在 2236.5m 处开始侧钻，侧钻由于控时钻进，机械钻速较低，但确定侧钻效果良好后决定开始定向钻进，先后使用的 4、5翼 PDC 钻头均没有取得良好的机械钻速，后调整为牙轮钻头，虽然取得了比较好的机械钻速，但每只牙轮钻头只能使用不到 20 个小时，单只钻头所取得的进尺有限。这样不仅需要反复起下钻，还增加了更高的钻井成本。这样又尝试通过多次调整 4 翼、5 翼 PD
4、C 钻头切削齿的尺寸、切削角度、水眼的喷射角度以及钻进参数等都没有取得良好的机械钻速，定向钻进和复合钻进均遇到了很大的困难。 三、探索研究 通过对老井资料的分析，同尺寸钻头和同钻进地层层位，已经发现本区块底层的可钻性并不高，为了满足本井锻铣套管和水平井井壁稳定的特殊要求，本井的泥浆性能属于高粘切，并且因为老井采油作业射穿了高压盐水层，侧钻后泥浆性能设计密度为 1.20-1.60g/cm3（永 89-斜2 侧平 1 井完钻泥浆密度 1.69g/cm3） ，使得承受高压差的泥岩的可钻性进一步降低。在进入井斜较大的井段后，由于施加钻压的管柱都贴在了下井壁，增大了摩阻，使得钻头加压变得困难。 综合牙轮
5、钻头和 PDC 钻头的机械钻速，相比两者机械钻速相差悬殊，并且对于托压并没有影响牙轮钻头的破岩效率，经过分析讨论发现，在较高井底压差和围岩压力的双重作用下，泥岩的塑性有了较明显的增强，以至于使得切削为主的 PDC 无法有效破碎岩石，而以冲击破碎和滑动剪切相结合的牙轮钻头却十分的适应这段地层，但又不得不面对牙轮钻头的高成本，这无疑成为了本井无法取得较高机械钻速这一核心问题的突出矛盾。 怎样把二者的优势结合在一起，有效破碎有较强塑性的泥岩，成为了改善本井低机械钻速的重要突破口。为了验证得出的这个结论，经过与钻头厂家沟通研究，试途尝试改变 PDC 钻头的切削齿形状，首先想到的是如何在托压显示比较明显
6、的情况下，低钻压钻头切削齿对地层的吃入效果。 针对这一情况，大胆采用 3 刀翼设计，将尖锐的异型切削齿布置在经过精确计算的特殊位置上，使异型切削齿不仅能够像犁一样撕裂塑性强的泥页岩地层，还能在砂岩夹层获得较好的保护，延长使用寿命。 四、新型 PDC 钻头设计和结构参数 1.冠面设计 钻头轮廓设计是根据地层的特点进行的，由于该段是泥页岩地层，具有一定的塑性，因此，钻头轮廓设计按照地层特点进行。 2.切削齿的选择 为了加大切削齿切削量，提高钻井速度，选择优质 16mmPDC 切削齿作为切削元件，定制了异形的切削齿。 3.切削齿的排布 3.1 布齿密度 PDC 钻头的布齿密度是根据所钻地层的硬度和研
7、磨性而决定，在地层的硬度和研磨性一定时，布齿密度越高，钻头寿命越长；布齿密度越低，钻头寿命越短。过高密度的布齿会导致分配到每个齿的破碎功变小，因而影响机械钻速，过低密度的布齿又会影响钻头寿命，经权衡地层与切削齿情况，选择低密度布齿，以达到理想的使用效果。 3.2 布齿方法 切削齿布置包括径向布置和周向布置。径向布置是在钻头半径平面内沿轮廓外形布置切削齿，得到的结果是径向布齿图，反映了切削齿在钻头径向上的布置或者在井底半径方向的覆盖情况。根据等切削原则推导出径向布齿公式： 式中： 、 -第 、 个切削齿中心在钻头上的半径 -冠顶半径 -切削齿半径 -布齿密度系数 -切削齿数量 -冠部轮廓弧长 利
8、用上述公式就可以确定出各个切削齿的径向位置，保证井底切削覆盖良好。 周向布置是在垂直于钻头轴线的平面内按一定方式布置切削齿，得到的结果是周向布置图，反映了切削齿在钻头平面上布置方位情况。根据极坐标方程推导出周向布齿公式： 式中： -第 m 条螺旋线上第 i 齿的周向位置角 -规径齿和中心齿处的极角差 -第 m 条螺旋线的起点极角 、 、 -别为中心齿、第 i 齿、规径齿在钻头上的半径 N、M-分别为钻头上切削齿数、布齿螺旋线数 利用上述公式就可以确定出各个切削齿的周向位置角，保证切削齿在钻头面上分布合理，结合径向布齿容易得到周向布齿图。 4.钻头水力结构设计 钻头水力结构设计是该 PDC 钻头
9、设计的重要环节之一。由于研制的PDC 钻头主要使用于中上部地层，在钻头具有较高钻井速度时，破碎地层产生的岩屑较多，必须通过有效的水力结构布置才能快速将产生的大量岩屑带离井底，因此采用深、大水槽设计；同时，由于该地层对 PDC 切削齿的清洗要求高，所以加大水眼过流面积，提供更大的水力覆盖面以充分冷却切削齿，清洗井底。 5.力平衡设计 按“力平衡原则”设计钻头显著降低由钻头的切削作用而产生的井下振动，增加钻头工作时的稳定性，从而提高钻头的使用寿命。 五、应用效果分析对比与总结 1.下面是永 89-斜 2 侧平 1 井钻头时效分析和对比（表 1）： 2.永 89-斜 2 侧平 1 井实钻井眼轨迹图（图 1）： 复杂井高难度井缩短钻井周期一直以来是一个很难解决的问题，缩短长泥岩裸眼段的钻井液侵泡时间，是避免侧钻水平井井下复杂情况的重要条件。如何取得较好的机械钻速，又是我们小井眼侧钻水平井最重要的课题。 通过永 89-斜 2 侧平 1 井全井钻头的探索与应用，我们不难从实效分析上看出新型三翼 PDC 钻头的强劲破岩效率，在越加困难的钻进条件下，其远远超出了其他钻头所取得的机械钻速，更深层次的意义在于，新型三翼 PDC 钻头的成功研制与应用，突破了小井眼侧钻水平井低机械钻速的技术瓶颈，创造性地解决了这一工艺性难题，更为我们今后的钻井工程钻头选型与研发提出了一个重要的启示！ 表 1
