大港油田深硬地层水平井PDC钻头研究应用.doc

大港油田深硬地层水平井PDC钻头研究与应用 周洪林1 李玉宁2 刘秋明1 宋辉1 姚崇华1 （1中国石油渤海钻探定向井分公司、2渤海钻探工程技术研究院） 摘 要 推广应用PDC钻头是钻井提高机械钻速的重要技术手段，本文对定向钻井过程中如何正确选择与使用PDC钻头，以及使用中存在的问题进行了探讨，针对大港油田深层沙河街以下，因其孔隙度低、岩性致密、可钻性差及硬地层井下高温对造斜的不利影响，应用新型PDC钻头提高定向工具稳定性进行分析研究。 关健词 PDC钻头； 高温 ；水平井； 工具面 ； 控制 1 前言 快速钻井技术体现PDC钻头设计创新与定向井导向技术结合。在水平井作业施工中，造斜PDC钻头的工具面稳定性是决定轨迹控制成败的关键因素，定向造斜工具面不稳无法保持稳定的造斜率，达不到设计轨迹要求，导致定向施工的失败；钻井进尺的快慢与所选钻头型号和所钻进地层的岩性是否匹配及造斜工具外形、功率有关联。选择正确PDC钻头类型，不仅可以明显提高钻井的机械钻速，同时也可以减小井下事故的发生，达到高速、低成本、安全钻井的目的。 2 PDC钻头的发展状况 90年代前国内水平井钻井采用牙轮钻头造斜，其寿命受螺杆钻具高转速影响，使用时间达不到转盘钻井正常时间的一半。牙轮钻头受地层岩性、温度、井眼曲率等诸多因素的影响，造成定向过程中牙轮落井事故频发，其内在因素是高温作用下牙轮轴承润滑失效。马达高转速产生高温度，硬地层钻进为提高钻速需加相对大钻压，地层反作用力使马达反扭矩不断增加，当超过其额定值后会导致马达失速、泵压上升、钻具反转；同时，在旋转过程中由于弯壳体钻具与井眼轴线非同轴心，产生横向纵向的跳动，使钻头产生较大冲击动能影响了钻头的寿命，特别是高于150°井下高温，如采用马达定向，由于高温会导致钻头轴承的提前失效，大港油田在钻千米桥潜山奥陶系水平井中（高温）、采用国内定向牙轮钻头的安全使用时间只有20小时就是因这些不利因素所致。 PDC钻头在砂泥岩地层机械钻速高、钻头工作寿命长、耐高温能力强于牙轮钻头，更适合定向井、水平井施工。我国在如何提高PDC钻头性能指标，优选PDC钻头设计开展了工作，随着计算机技术在设计中的成功应用，低速高功率的马达应用，PDC钻头显示出它的优势。 2000年后定向钻井技术不断的发展，造斜钻头从平底、直刀翼外型、转换成短保径（增加侧向力）、螺旋刀翼（防反转）、适合定向的PDC钻头不断推出。必威体育精装版方向盘式定向钻头的应用，解决了在硬地层超深井眼工具面的控制问题，提高了滑动效率。通过对内、外锥的锥面高度及弧度长短，牙齿俯角、侧角度设计，切屑齿材料更新及采用计算机对切屑齿平衡排列、高效的泄流槽设计，解决了定向造斜低效率的问题。 3 PDC钻头在定向中的问题 3.1 12-1/4″井眼造斜工具面摆放困难 大港油田千米桥古潜山水平井定向造斜点设计在3800m左右,地层为古生界,定向井眼为311.1mm井眼, 如千18-19H由于PDC钻头的选型不当问题,初始造斜困难，此井造斜第一只钻头选用MD3641Z六刀翼13mm单排布齿短保径不对称刀翼设计的定向PDC钻头。考虑设计造斜率2.7°/30m较低，马达角度调为1.15°，定向施工中工具面无法控制乱转，钻至3706m～3756m测斜数据表明造斜失败，起钻前井斜不到1°，考虑剖面符合率下入牙轮钻头钻进20m井斜角达3°因钻头寿命到起钻。 3.2 钻头提前磨损 千16-16H第六趟新钻头下入，此井深地层为中生界岩性红色泥岩，下入MD3641Z钻头新度100%，自井深4069m～4104m，钻进进尺55m，钻速1.05 m/h，纯钻9.04小时后连续摆工具面超过4小时无法到位，起钻发现PDC磨损严重（图1）。 3.3 堵水眼造成钻头失效 图1千16-16 PDC磨损 　　　　　图2千18-19钻头水眼堵 千18-19 H下入FM3643Z钻头由4875m钻到4936m时，由于奥陶系地层高温（井下静止温度超过175℃）导致马达脱胶，振动筛返出大块胶皮，继续钻井至4945m，钻时快速下降无进尺,起出后发现两个12.7mm水眼填满胶皮钻头报废，本趟钻纯钻时间为14.02h（图2）。 4 12-1/4″井眼钻进问题分析 4.1 PDC钻头选型不适合定向造斜 （1）钻头剖面选型不合适、造成定向加压时钻头发生回旋。针对不同的钻井需要、应采用不同的钻头型号，直井段用钻垂直井眼的钻头，如选用长保径钻头对稳斜有利。对于初使造斜的PDC钻头，剖面的选择首要解决工具面的稳定性，而浅内锥短外锥的钻头能够解决这一问题（图3）。合理的内锥、鼻部、侧面、屑部决定初使定向造斜成功率。 （2）牙齿尺寸及分布没有与地层匹配合理。内锥非混合布齿，牙齿的俯斜角较小。控制好牙齿的俯角