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PDC钻头在定向井施工中的特点分析

发表时间：2021/4/14 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：赵林军

[导读] 定向井目前已经成为油田提高采收率的重要方式之一，PDC钻头在定向井施工中发挥着重要作用。本文分析了PDC钻头在定向井施工中影响因素，探讨了PDC钻头在定向井施工中的发展趋势。

中石化经纬有限公司胜利定向井公司赵林军

摘要：定向井目前已经成为油田提高采收率的重要方式之一，PDC钻头在定向井施工中发挥着重要作用。本文分析了PDC钻头在定向井施工中影响因素，探讨了PDC钻头在定向井施工中的发展趋势。
关键词：定向井；PDC钻头；发展趋势
        一、引言
        随着老油田勘探开发的需要，为了尽可能的提高采收率，节约开发成本，定向井、水平井等特殊工艺井持续增多。面对超薄油气藏，分块小油气藏等，定向井的技术优势就显现出来。
        PDC钻头与原来采用的牙轮钻头相比，由于破岩机理，铸造材料及设计方便的不同，在机械钻速和耐磨性上，PDC钻头有着巨大的优势，很多井队都愿意采用PDC钻头。但是油田定向井持续增多，很多井队在使用PDC钻头施工时，都会出现工具面不稳定，造斜困难等现象，机械钻速降低，严重影响着施工进度。牙轮钻头虽然造斜容易，工具面比较稳定，但是由于钻头寿命较短，施工70多个小时就要担心井下安全，不得不起钻更换钻头，也影响着施工速度。因此，目前国内外都在研究适合定向施工的PDC钻头，满足日益增多的定向井施工的需要。
        二、PDC钻头在定向井施工中影响因素分析
        PDC钻头的破岩机理是切削式，加上PDC本身设计特点，岩石的各向异性，定向井的钻进方式，钻头的振动，钻井的相关参数等的影响，都会对PDC在定向施工中的性能产生影响。
        1.PDC结构特点
        PDC是以切削齿对岩石的破坏来实现钻进的。岩石究竟以哪种形式被破坏，与切削齿的后倾角有密切的关系。PDC在定向井施工中饱受诟病的原因就是工具面的不稳定，有人提出通过增加钻头切削齿的后倾角，达到降低钻头对岩石的侵入程度，实现对工具面稳定性的控制，从而达到想要的机械钻速。
        2.岩石的各向异性。
        地层的复杂性是难以预计的，特别是一些深井超深井。当钻进从硬地层进入软地层，或者从软地层进入硬地层时，都会对PDC钻头产生一定的侧向力。原因是，当钻头在各向同性的岩层里钻进时，各切削齿破坏同样岩性的地层，这时就不会有侧向力产生；而一部分切削齿切削软地层而当一部分切削硬地层时，这时侧向力产生，导致钻头偏移。
        3.定向井的钻进方式
        钻进方式分为转盘转动的旋转钻进和依靠马达的滑动钻进。在传统的定向钻进中，也就是我们通常所说的滑动钻进中，钻柱是不旋转的，钻头连接上马达的弯接头上钻进，实现工具面的稳定。而转盘转动钻进，允许钻出直井眼。

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随着井斜角和位移的增加，钻柱上的摩擦阻力增大，钻压不能有效的全部加到钻头上，尤其是在滑动钻进时，由于磨阻的增加，时常造成脱压。因为转动转盘钻进时，钻柱运动是切线方式，磨阻产生的扭矩，用于产生钻柱的旋转。而滑动钻进，磨阻全部加在钻头上，随着磨阻的不断变化，钻头上的钻压也时大时小，由于PDC切削式的破岩方式，就容易造成钻头的剧烈震动，从而使得工具面非常难控制。
        4.钻井相关参数影响
        钻井相关参数包括钻压，排量，机械钻速，外部剖面长度等。钻压是钻井行业中最常用的词汇，在钻井中是十分重要的。钻压增加时，在一般常见地层钻进中，都会增加井斜，同时随着钻压的逐渐增加，井斜也随之增加；同时随着钻压的增大，钻头的方位力接近消失，有利于维持方位的稳定。钻进过程中，排量越大，井底的破岩速度就会增加，井底钻井液的携岩能力也会增强，井底清洁度会变好，有利于减少钻头的振动和侧向偏移。国外研究表明PDC钻头在钻进过程中容易左漂移，其中PDC钻头的外部剖面长度越长，漂移趋势越明显。
        三、定向施工中PDC钻头的发展趋势
        定向井日趋增多，而PDC钻头有着提速耐用的核心优势，但是在定向井施工中，工具面不稳影响机械钻速。未来的发展趋势就是要向在保证机械钻速的同时，通过改变钻头的结构，能够减少钻头振动和发生侧向偏移的可能，达到工具面稳定的目的。
        1.改变原有锥形设计，换成平坦冠部轮廓
        实际施工中，PDC冠部锥度越高，钻头受到的侧向力就越大，越容易发生横向偏移。可以将锥形部分设计改成平坦的轮廓，减少侧向力的出现，防止横向偏移的发生。
        2.改变刀翼形状和布置形式
        PDC的破岩机理就是切削式，切削齿普遍分布在刀翼上，这种分布虽然在一定程度上能够保持切削岩石的高效，但是容易受到侧向力的干扰，给工具面的稳定性带来不利影响。可以将刀翼设计成螺旋式，这样就减少了钻头发生回旋的可能。
         3.改变切削齿的布置方式
        采用轨径布齿，就是在钻头半径上布置数量不均的切削齿，减少同心圆环之间切削齿重叠的几率，这样可以使PDC钻头在井底形成不平滑的轮廓，减少偏移情况的发生。现在常用的PDC钻头的布齿密度较大，在较大的钻压下，井底的钻具组合容易发生扭曲变形。采用小密度的布齿，配上小钻压，一样可以达到期望的机械钻速，又有助于减少钻头振动，保持井下钻具的安全。
        综上所述，PDC钻头在定向井施工中广泛应用，取得了良好的效果。虽然在使用过程中存在工具面不稳影响施工进度的情况，但是随着PDC钻头理论的革新和技术的发展，相信PDC钻头能不断的提升定向井的施工效率。
参考文献
[1]贾维江.定向井PDC钻头钻进趋势研究[D].中国石油大学,2011.
[2]罗恒荣.定向PDC钻头的设计与应用[D].中国石油大学,2007.