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怎样改进PDC钻头结构以提高定向效率

发表时间：2021/4/16 来源：《中国科技信息》2021年5月作者：乔国萌

[导读] 随着石油钻井技术的不断发展，钻头也得到了飞速的发展，PDC钻头是一种高效的钻头，PDC钻头的钻井速度快，钻头工作时间长，具有优良的工作性能，因此得到了广泛应用，特别是在定向井、水平井钻井过程中，PDC钻头发挥着越来越重要的作用。

中石化经纬有限公司胜利定向井公司乔国萌

摘要：随着石油钻井技术的不断发展，钻头也得到了飞速的发展，PDC钻头是一种高效的钻头，PDC钻头的钻井速度快，钻头工作时间长，具有优良的工作性能，因此得到了广泛应用，特别是在定向井、水平井钻井过程中，PDC钻头发挥着越来越重要的作用。定向井钻井中 PDC 钻头的结构和参数，对定向井的钻井质量和钻井效率影响较大。文章通过分析，研究改进了定向井PDC钻头结构，通过研究对于提高定向井PDC钻头的钻进速度，提高石油定向井钻井的质量具有非常重要的作用。
关键词：定向井；PDC钻头；结构；参数；效率；钻速
        PDC 钻头在砂泥岩地层钻井过程中，相比于其他类型的钻头，具有钻井速度快，工作的时间长的特点，可以有效的节约石油钻井的成本，而且 PDC 钻头的耐高温性要比牙轮钻头好很多，因此 PDC 钻头有他独特优势。在定向井钻井过程中，井眼轨迹的定向和造斜是定向井的关键技术。由于造斜过程导致了钻头性能的不稳定，增加了钻头钻进的偏移量，钻头的钻进速度也随之降低，定向井钻井的质量和准确性也受到影响。钻头结构是定向井钻井过程中，保证钻头保持优异性能的关键，因此需要合理的设计钻头的结构。通过对 PDC 钻头各个结构和参数的分析，得到PDC 钻头的各参数对定向井钻井的影响，从而为专门的定向井PDC钻头设计提供设计依据。保证设计出的PDC钻头具有优良的性能，最大限度的发挥出PDC钻头在定向井钻井过程中优势，从而有效的提高定向井钻井的效率和质量，解决定向井钻进过程中一项关键技术，降低定向井钻井作业成本。
        一．定向井PDC钻头冠部形状设计
        在定向井PDC钻头冠部设计中，内锥设计是非常重要的，通过研究发现，当定向井PDC钻头外锥形状一定的条件下，给PDC钻头施加一定的钻井压力之后，如果定向井 PDC 钻头的内锥深度减小，那么 PDC 钻头施加到岩石的作用力将会加大。因此为了提高钻头的破岩效率，需要将PDC钻头的内锥设计为浅锥形，但是如果 PDC 钻头的内锥的深度过浅，将会加剧钻头的不稳定性，而且会加剧钻头的损坏，合理的钻头内锥深度，不但能够保证钻头的稳定性和工作寿命，同时还能够增大钻头作用到岩石上的力，从而有效的提高定向井的钻井速度。如果PDC钻头的内锥深度过大，很难形成钻头切削齿的高效切削作用。通过选择合理的钻头深度可以有效的提高钻头的稳定性。对于石油钻井经常钻遇的中软地层，可以适当的增加钻头内锥的深度，提高钻头的稳定性，保证钻头的工作质量。当石油钻井地层的可钻性变化较大时，地层的软硬交替程度较高，对这种复杂的地层，很容易造成 PDC 钻头的损坏，当定向井PDC钻头从较软的地层进入到较硬的地层后，钻头的冠部最先和硬地层相接触，钻头冠部受到的力逐渐的增大，钻头冠部的切削齿的受力要比在软地层中切削齿的受力要大。如果钻头内锥的深度适当的得到减小，将会有效的降低这种作用。而当定向井钻头要从硬地层中钻出时，只有钻头外部少数的保径齿，以及钻头上部还存在硬地层中，这样会大大的增加钻头出现事故的概率。

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由于这些接触位置的强度不高，如果受力不稳，容易造成定向井钻头的损坏。钻头受到的压力和工作扭矩，很大一部分将会由硬地层中少量的切削齿来承担，所以在这种条件下，容易造成定向井钻头切削齿的崩落，进而造成钻头的损坏，这种情况下需要尽量的减小钻头内锥的深度，使钻头的内锥的部分切削齿和保径齿，也能够承担钻井压力，从而保证钻头的安全性。
        二．定向井PDC钻头切削齿设计
        在定向井钻井过程中，随着钻头受到扭矩和压力的不断增大，钻头的切削齿存在损坏和崩落的概率越来越大。钻头受到的扭矩和压力的增大，而钻头切削齿是承担钻头受力的主要部件，因此钻头切削齿所受到的压力和扭矩就会不断的增大，随着切削齿工作时间的不断增长，切削齿和岩石之间摩擦时间越来越长，产生的热量就越来越多，从而大大的增加了 PDC 钻头切削齿的工作温度，当切削齿的工作温度上升后，切削齿的工作寿命将会得到大大的减小。而且钻头受到的轴向力增加时，钻头工作过程中受到的纵向载荷将会随之增大。钻头旋转过程中受到的摩擦力也会不断增大，很容易造成定向井钻井扭矩的突变，影响到钻头的稳定性，进而加速了定向井钻头的磨损。依据定向井钻井的实际条件，在保证钻井速度和钻井质量的前提下，设计的定向井PDC钻头切削齿采用较小的切削角度。定向井PDC钻头切削齿的设计中，如果采用变后倾角的设计，可以有效的降低钻头内锥的受力，改善钻头的受力状况。在利用变后倾角钻头进行切削岩石时，钻头的最下部已经将井眼的内岩石基本清除完毕，冠部内部的岩石不会再受到地层围压的影响，因此该条件下的岩石更利于切削。如果采用剪切破岩的方式，可以有效的提高该处岩石的破碎效率。变后倾角度设计，钻头的冠部最顶端受到的力为最大值。因此在钻头冠部的最顶端应当适当的增加切削齿的数量。变后倾角的设计，会大大提高钻头的导向能力，通过采用该类型的结构设计，既可以提高定向井钻头的切削速度，同时还能够保证钻头具有较高的定向和造斜功能。钻头主要的保径齿的高度通常要高于切削齿的后倾角高度，避免当钻头发生较大的横向振动时，钻头的切削齿不会受到破坏。
        总结
        随着石油资源的不断减少，定向井在增加油气资源储量，提高油气产量方面发挥着越来越重要的作用。定向井钻井钻头的结构和参数对于定性井钻井速度和钻井质量影响较大。因此需要不断的加强定向井钻头的结构研究。PDC 钻头的内锥深度过大，很难形成钻头切削齿的高效切削。通过选择合理的钻头内锥深度，可以有效的提高钻头的稳定性。石油钻井经常钻遇的中软地层，可以适当的增加钻头内锥的深度。采用变后倾角的设计，可以有效的降低钻头内锥的受力，改善钻头的受力状况。在钻头冠部的最顶端应当适当的增加切削齿的数量。变后倾角的设计，会大大提高钻头的导向能力。通过研究对于改善定向井钻头的工作状况，提高定向井钻井的效率和质量具有重要的意义。
参考文献：
[1] 邹德永.刀翼式 PDC 钻头结构及布齿优化设计研究[D].东营:中国石油大学(华东)，2004.
[2] 罗恒荣,唐玉响.新型定向井 PDC 钻头的研制与应用[J].石油钻探技术,2007.