新型定向井PDC钻头的研制与应用.pdf

第35卷第5期石油钻探技术
2007年9月PETROIEUMDRIIIINGTECHNIQUES

．一工具与设备

新型定向井PDC钻头的研制与应用

罗恒荣唐玉响徐玉超沈建文曹汉原。

(1．中国石油大学(华东)石油工程学院，山东东营25706l；2．巾国石化石油工程西南公司临盘钻井公司，山东临邑251500)

摘要：针对常规PI)C钻头在胜利油田临盘区块定向井钻井施工q-，工具面不稳定、难以控制、滑动钻进时钻
压较，J、、钻速低的问题，研制出了一种新型定向井PDC钻头。该PI)C钻头采用短剖面形状，特殊双重切削布齿结
构，又对钻头进行了力平衡设计，把钻头的侧向力减到最小，增加了钻头工作时的稳定性。在临盘区块多口定向井
的现场应用表明，新型定向井PDC钻头滑动钻进时钻压变化的敏感度小，工具面可控性好，复合钻进机械钻速和
定向井机械钻速较常规PDC钻头都有较大幅度提高，且提高了钻井和下套管效率及井身质量。
关键词：PDC钻头；定向钻井；机械钻速；胜利油田
中图分类号：TE921。。．1文献标识码：B文章编号：1001-0890(2007)0,5-008604

胜利油田临盘区块定向井段主要在馆陶组、东触面积，从而减小了钻头与井壁之间的摩擦力。而
营组和沙河街组地层lJj，地层岩性以灰色、灰绿色、且短平式外锥对侧向位移不很敏感，外形较短而呈
深灰色泥岩及一些砂岩为主，而且每一组地层都有浅锥式的圆形设计也提高了钻头定向反应灵敏度，
夹层，沙河街组各段，特别沙2段至沙4段多为砂因而更适合于定向钻井。
岩、泥岩不等厚互层。该区块定向井钻井中使用常
规PDC钻头时表现出如下缺陷：1)钻头在定向钻井
中工具面不稳定，需要频繁调整，大大延长了钻井时
间；2)钻头复合片出现断裂、崩齿和脱层等，导致钻
头过早失效；3)钻头不能有效钻进，机械钻速太低；
4)钻头保径部分过度磨损导致井眼缩径，造成钻头
提前报废。由于PDC钻头是以剪切方式破碎岩石
的，对不同地层应采用不同的冠部剖面和布齿方式，
因此必须对在该区块定向井中使用的PDC钻头进
图1新型定向井PDC钻头冠部轮廓
行重新设计制造。
2．2切削齿选择及切削结构设计
1定向井PDC钻头设计钻头切削结构设计包括切削齿的大小尺寸、切
削角度、布齿密度和布齿方法等。。考虑到常规
2．1冠部轮廓设计
PDC钻头损坏的主要特征是掉片、崩片、剥蚀脱层
针对胜利油田临盘区块地层多夹层的特点，采
和过度磨损等，因而设计了旨在防止PDC复合片早
用等磨损和等切削原则相结合的方法进行冠部轮廓
期损坏且可以提高钻头稳定性和寿命的复合切削结
设计_2J3l，在拟合三种基本轮廓理论曲线方程的基础
构(如图2所示)。
上，类比使用钻头，再结合钻头设计经验，确定出钻该结构是利用直径16mm、长度13mm的
头冠部轮廓形状：中等深度内锥、双圆弧冠部轮廓和
较短的外锥长度，如图1所示。这种双圆弧形轮廓
收稿日期：2007—05一u；改回日期：2007—07—26
剖面能使钻头表面尽可能有效地布置切削齿，而且
作者简介：罗恒荣(1970一)，男，云南云县人，】993年毕业于
钻头从鼻部切削齿到保径切削齿能够圆滑地过渡。石油大学(华东)钻井工程专业，在读工程硕士研究生，工程大队

中等深度内锥可以较好地保证钻头的稳定性，减小大队长，高级工程师。
钻头的横向振动，短外锥可以减小钻头与井壁的接联系电话：[phone]

第35卷第5期罗恒荣等：新型定向井PI)C钻头的研制与应用

小了钻头螺旋状刀翼与井壁问的接触应力，因而减
少了钻头发生回旋运动的次数。螺旋式刀翼能使切
削齿自然呈现一定的侧转角，有助于钻井液携带岩
屑，清洗井底岩屑。此外，螺旋式保径块也可增大与
井壁的接触面，提高钻头钻进时的稳定性。
利用钻头力学分析软件对钻头力平衡进行优化
设计，横向不平衡力一般控制在钻压的5以内。
力平衡设计可显著降低南钻头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。定向井PDC钻头设计沿用了力平衡设
图2新型定向井PDC钻头切削结构计原则，利用钻头力学分析软件对钻头力平衡进行
PDC复合片作为主切削元件，齿面高度抛光，降低
了优化设计，设计的横向不平衡力经过优化设计后
了引起岩屑粘附到切削齿表面的摩擦力，改善了岩
只有钻的2．1。
屑的运移状况，减少了扭矩，降低了钻头泥包的可能
2．5水力设计
性。选择直径13mm、长度8mm的抛光PDC复合
在满足冷却PDC钻头、清洗井底和携带岩屑的
片为辅助切削元件，利用布齿工艺，使得两者形成双
基础上，适当调整喷嘴的方位角使喷嘴的射流尽量
重切削结构，利于钻头在夹层中稳定钻进。辅助切
避开钻头刀翼，指向较大的排屑槽，可减少水力能量
削齿的作