ＰＤＣ钻头在定向井中的应用

【摘要】文章总结了PDC钻头在无棣、大北、桩西地区定向井中应用时存在的一些问题，针对这些问题提出了在该地区使用PDC钻头应注意的一些技术措施和现场施工方案，并介绍了典型的成功实例。

【主题词】PDC钻头；定向井；水力结构

一、对PDC钻头的分析

PDC钻头于20世纪70年代投入应用。在过去的30年中，大量的技术进步使PDC钻头在钻头市场上占有重要份额，而且其份额还在不断增长。例如2000年时PDC钻头的钻井进尺约占总进尺的26%，而到2003年PDC钻头的钻井进尺约占总进尺的50%。

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。过去，PDC钻头只限于钻软到中硬地层，不能钻研磨性地层。今天，大量的发明和技术突破使PDC钻头的钻速更快、钻井质量更好而且钻井深度更深，其应用范围也扩大到硬地层和研磨性地层。

1．聚晶金刚石复合片（PDC）钻头的材料。聚晶金刚石复合片是以金刚石粉为原料加入粘结剂在高温高压下烧结而成。由于聚晶金刚石内晶体间的取向不规则，不存在单晶金刚石所固有的解理面，所以PDC的抗磨性及强度高于天然金刚石且不易破碎。但由于多种材料的存在，热稳定性较差，同时脆性较强，不能经受冲击载荷。后来随着PDC钻头的技术进步使得聚晶金刚石薄片与碳化钨圆片接触面的几何形状有了改进，使PDC钻头的热稳定极限也由原先的7000C提高到11500C。

2．聚晶金刚石复合片（PDC）钻头的结构。与牙轮钻头不同，PDC钻头没有运动部件。按钻头体材料及切削齿结构把PDC钻头分为胎体及钢体两类。胎体钻头的钻头体用碳化钨制成，再将复合片直接焊接在本体；钢体钻头的钻头体用整块的合金钢加工而成，再将复合片焊接在碳化钨材料齿柱上制成切削齿，然后将切削齿镶嵌在钻头体上。

3．PDC钻头的水力结构。PDC钻头的结构取决于很多因素，如钻进能力（钻速）、水马力、导向能力和耐磨性等。钻头与地层作用的结构分为3部分：切削结构，主动保径和被动保径。PDC钻头的钻进能力无疑是影响钻井成本最重要的因素。PDC钻头切削件的特性、后耙角、切削件排布、切削件的数量和尺寸是影响钻头钻进能力的主要参数。通常，减小切削件的后耙角可以提高钻速，但切削件的抗冲击能力下降。要根据所钻地层和钻井条件选择切削件的数量和尺寸。PDC钻头采用水眼供给钻井液，通过切削齿的排列分配钻井液的方式保证切削齿的清洗、冷却和润滑。PDC钻头有刮刀式、单齿式和组合式三种排列及分布方式。

4．PDC钻头的工作原理。PDC钻头工作原理和刮刀钻头基本相同。

（1）PDC钻头在钻进某些硬地层时，在钻压作用下压入岩石，使与金刚石接触的岩石处于极高的应力状态而使岩石呈现塑性。

（2）在塑性（或岩石在应力作用下呈塑性)地层，金刚石吃入地层并在钻头扭矩的作用下使前方的岩石内部发生破碎或塑性流动，脱离岩石基体，形成岩屑。

（3）在脆性较大的岩石中，在钻压和扭矩作用下所产生的应力使岩石表现为脆性破碎，即属于以剪力和张力破坏岩石。这种情况下金刚石钻头的破岩速度较高，岩石破碎的体积远大于金刚石吃入后位移的体积。

（4）在坚硬岩石中，由于金刚石本身强度的限制，较大粒度金刚石上的钻压不足以使岩石内部产生塑性变形。所以一般均采用细颗粒的金刚石制成孕镶式金刚石钻头来钻进，其特点是要靠金刚石的棱角实现微切削、刻划等方式来破碎岩石。这样分离出来的岩屑基本上是粒度很细的粉末，钻头的工作效率和寿命均很低。

5．PDC钻头的使用。今天，专用PDC钻头的设计主要取决于要钻岩层的特性。因此，利用邻井的测井资料研究钻遇岩层的类型是至关重要的。地层的机械和物理性能（抗压强度、研磨性和孔隙压力）是影响选择钻头的主要因素。综合PDC钻头以上特点，我们在使用PDC钻头时要注意以下问题:

（1）PDC钻头的材料决定了其热稳定性较差，所以在选择PDC钻头时要尽量选择少翼多喷嘴类，以确保钻头能够及时被冷却，而且不易造成钻头泥包，从而提高钻头机械钻速和延长钻头使用寿命。

（2） 在适合PDC钻头钻进的相应地层使用，即在中硬或呈脆性硬岩层中才更能体现出PDC钻头的优越性。

（3）PDC钻头的工作原理和刮刀钻头基本相同，所以钻压不能过大，要严格按照PDC钻头使用说明执行。

二、PDC钻头在以往定向井中存在的问题

1．方位和井斜变化。在无棣、桩西、孤岛等地区以往的定向井施工中，在同样的地层条件和使用相同的钻具组合时，PDC钻头表现出比使用牙轮钻头方位更容易漂移的现象。

PDC钻头一般要求使用较低的钻压，较高的转速。在现场使用时，PDC钻头使用的钻压一般为同尺寸牙轮钻头的20%～40%。以Ф216mm钻头为例，三牙轮钻头使用的钻压范围为120～200KN；而PDC钻头使用的钻压范围为20～80KN。由于钻压的差异，同一钻具结构，采用牙轮钻头钻进与采用PDC钻头钻进时的使用效果大相径庭。使用同样的钻具组合，在使用牙轮钻头时，表现为增斜效果，但在使用PDC钻头时，却往往表现出降斜效果。施工经验表明：采用PDC钻头钻进时，性能不稳定，对钻进参数比较敏感，常出现大幅降斜的情况。

2．钻头进尺。由于PDC钻头本身的一些特性，造成在定向井中井斜、方位控制方面的问题，所以在现场定向井多使用牙轮钻头。而牙轮钻头寿命不够长，进尺少，增加了起下钻次数，影响了整个施工进度，尤其是在东营组至沙河街组比较适合PDC钻头钻进的井段。而且频繁的起下钻延长泥浆对油气层的浸泡时间，对油气层损害比较严重，影响对油气的开采。

3．钻机负荷问题。PDC钻头是利用岩石抗剪强度较低的特点，采用高强度的聚晶金刚石复合片为切削元件，以切削方式来破碎岩石的。由于整只钻头无活动件，钻进中钻机负荷较重。特别是在井较深或井斜角较大时，这种情况会更严重，可能导致钻具扭断、胀扣、倒扣等事故发生。

三、定向井中采用PDC钻头相应的改进技术

1．下部钻具组合。随着钻井技术的发展，动力钻具和无线随钻技术相继投入到钻井生产中，这给定向井的施工带来很大的方便。现场现在多使用的定向钻具组合为：钻头+动力钻具+回压阀+定向接头+无磁钻铤+加重钻杆+普通钻杆。这样我们就可以随时掌握井眼的井斜和方位情况，从而及时调整钻进参数，保证井眼轨迹。也解决了PDC钻头在定向井中应用的一大难题。

2．PDC钻头的应用解决了牙轮钻头进尺少的问题。由于馆陶组下部为厚层状底砾岩，东营组至沙河街组多为砂岩和泥页岩，所以根据地层情况，在使用牙轮钻头钻穿馆陶组进入东营组之后，开始下入PDC钻头，直至完钻，这样可以大大节省钻进时间，提高机械钻速。

3．利用动力钻具复合钻，可以减轻钻机负荷问题。

【参考文献】

[1]张云连． 胜利油田优快钻井技术实践与认识[J]．石油钻探技术，2001，29（3）．

【作者简介】纪传军（1977-），男，山东滨州人，胜利油田渤海钻井一公司基层队长，学士，研究方向：钻井生产的现场管理。

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