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摘要：渤海油田油藏具有埋深浅、地层软的特点，旋转导向工具在钻井工程中钻遇软地层且设计为高造斜率的井段时出现了无法满足造斜率要求的困境；针对此情况对钻软地层PDC钻头几何结构和切削结构进行了分析研究，设计提出了特殊保径PDC钻头配合使用旋转导向工具的方案。现场试验结果证明，特殊保径PDC钻头提高了旋转导向工具在软地层造斜率能力，保证了工具稳定性，从而达到较好的定向轨迹控制，在软地层钻进中取得了较好的应用效果，为此类地层钻井时钻头选型提供切实可行的技术思路。
关键词：软地层；特殊保径；PDC钻头；造斜率；应用效果
一、软地层PDC钻头改进背景
渤海油田开发具有油藏埋深浅，造斜率设计要求高的特点，同时油田地层疏松且抗压强度较低。为了能够满足软地层指向式旋转导向工具高造斜率要求，通过对钻软地层PDC钻头几何结构和切削结构进行研究，分析在侧向力和转角作用下的导向机理、钻头的性质及旋转导向的原理。
二、软地层PDC钻头改进理论分析
1、指向式旋转导向工具工作原理
指向式旋转导向工具是靠不旋转外筒与旋转心轴之间的一套偏置机构使旋转心轴弯曲，从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。其偏置机构是一套由两个可控制的偏心圆环组合形成的偏心机构，可始终将钻头指向预定方向实现导向。
2、指向式旋转导向工具与PDC钻头配合度分析
指向式旋转导向工具通过偏心结构使钻头产生倾角，引导钻压按钻头指向钻进从而实现导向钻进的目标，钻头倾角和钻头的结构是主要因素。PDC钻头的导向性能是钻头的造斜能力和方位漂移能力的综合反映，是由钻头剖面、保径齿和保径块共同决定的。
井眼轨迹的控制最终要靠头的切削完成，仅有侧向力或者钻头转角是不够的，因此需要研究钻压、侧向力、钻头转角以及钻头结构等因素对于导向钻进的影响。指向式工具依靠钻头的指向来实施导向控制，影响导向控制的因素主要有钻头转角和钻头侧切能力，钻头转角越大，导向控制能力越强，长保径钻头具有较低的侧向切削能力，比较适合指向式旋转导向钻进。
三、软地层PDC钻头改进设计方案
1、专利切削齿设计
19mm系列专利切削齿，提高钻遇硬夹层的能力，且高度抛光的切削齿减少岩屑与切削齿的粘附力，明显改善岩屑的运移状况，提高钻速和钻进效率。与刀翼布局相结合，采用五喷嘴设计，喷嘴直径9mm。喷嘴均布置在刀翼与刀翼之间，三个喷嘴在外侧，射流方向与轴向形成45°夹角，这样做的目的是为了充分清洗和冷却钻头周围的岩屑，能够充分发挥外齿的保径和井眼合理扩大效果；另外两个喷嘴在钻头底部，射流方向为轴向；对井底岩屑进行破坏、清洗和冷却钻头。这样的非等称射流方向布局更利于进行定向钻进。
2、特种布齿设计
力平衡布齿和横向减振块相结合，提高钻头工作稳定性及抗冲击能力；大小齿配合及不同后倾角组合提高了钻头的机械钻速。
3、水力学设计
改进调整喷嘴的方位角使喷嘴的射流尽量避开钻头刀翼，指向较大的排屑槽，可减少水力能量对切削齿和刀翼体的冲蚀；同时增加钻头排屑槽深度的同时也增加了喷嘴至井底的距离，这样一方面可使喷嘴射流反射到钻头体的能量大大降低，另一方面也使钻头表面的过流面积增大，使喷嘴射流在冲击井底后向周围漫流的阻力明显降低，减轻了射流对钻头基体的冲蚀，增加钻头使用寿命。
大排屑槽的全平衡水力系统设计，增加钻头在快速钻进条件下防泥包能力。
四、特殊保径PDC钻头高造斜率及稳定性理论软件模拟
（1）PDC钻头对比选择
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常规3"保径PDC 倒角4"长保径PDC
（2）地层选择
模拟钻进软地层以及软硬夹层时，不同PDC钻头与两种钻具组合的表现：
软地层：UCS（5-10Kpsi）
软硬夹层：UCS（15-20Kpsi）
3）钻井模式
选择三种不同模式下的钻井参数
第一种模式：钻压4-6t，转速90r/min，100%增斜以及100%降斜；
第二种模式：钻压4-6t，转速110r/min，100%增斜以及100%降斜；
第三种模式：钻压4-6t，转速120r/min，100%增斜以及100%降斜。
（3）稳定性软件模拟结果：
1）钻进软地层及软硬夹层的情况，两种PDC钻头对旋转导向扭矩输出没有太大影响。
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常规3"保径PDC 倒角4"长保径PDC
2）钻进软地层及软硬夹层的情况，两种PDC钻头在轴向震动、侧向震动以及Stick&Slip的影响对比结果为 倒角4英寸长保径 PDC钻头旋转导向中具有较好的稳定性。
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常规3"保径PDC 倒角4"长保径PDC
综上通过软件计算分析，倒角4"保径PDC钻头与指向式旋转导向无论在单增还是单降剖面上都具有较强的造斜率，工具完全能满足曹妃甸油田软地层高造斜率的要求，并且对于稳定性上表现出明显优势。
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2、软地层改进型PDC钻头现场应用
CFD11-6 D44H井为目的层为馆陶组地层的一口水平井，设计井深2779m（垂深1499.5m），二开12-1/4"井眼马达钻进至1715m时，更换钻具组合为指向式旋转导向组合配合倒角长保径PDC钻头（TS1951RS），钻进至中完着陆井深2487m（平均机械钻速52.3m）。
正常钻进中，钻遇地层为明化镇（1715m～1861m）、馆陶组（1861m～2487m），多为砂泥岩互层，可钻性好。
在不调整转速、排量情况下（转速110r/min，排量3875L/min），70%导向情况下，单增造斜率达到4.5°/30m以上）。
在钻遇中间砂岩层（低伽马）段时，发现高的Stick Slip（超过100%），其它层段都显示低Stick Slip（低于50%）减缓井下震动，保证了工具稳定性。
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3、结论及建议
1、配合指向式旋转导向工具的特殊保径PDC钻头提高了导向钻具在软地层的造斜能力，同时具有减缓井下震动，充分保证旋转导向工具和其它井下工具稳定性，减缓井下仪器由于井下震动导致的失效，为此类地层钻井时钻头选型提供了切实可行的技术思路。
2、通过对PDC钻头改进设计、软件模拟计算、现场跟踪等手段，从理论分析到现场应用评价，说明该钻头的特殊保径设计有助于提高旋转导向工具的造斜能力和工具的稳定性；另一方面，这也启发我们在进行PDC钻头的选型设计时要敢于创新，对不同的钻遇地层、钻井工具、轨迹要求等量体裁衣进行设计。
作者简介：孙广亮（1985.12），性别：男，民族：汉，籍贯：天津，职称：工程师，学历；硕士，单位：中海油安全技术服务有限公司，研究方向：钻完井工程，单位所在省市邮编：：天津市300450