砾石地层用PDC钻头的设计与应用

长庆油田陇东洪德区块上部地层较软，在进入下部华池组弧R2半径的2倍左右，与常规设计的双圆弧冠型PDC钻头正好相后，有一长度达400 m左右的砾石层，该砾石层的特点为较软的反。该种设计的优点是PDC钻头在大钻压情况下吃入地层时，砂岩与砾岩互层，均质性差，PDC钻头钻进困难，在钻遇该层主切削齿受力较为均匀，能够有效减少前期损坏。此外，浅内位时，通常需2~3只PDC钻头才能钻穿，施工效率低下，严重制锥，中矮冠高设计能够提升PDC钻头的攻击性，防止大圆弧设约了该区块钻井提速。

计带来的机械钻速较低。

长庆区域近年来机械钻速大幅提升，特别是油井区域，普 2 新型PDC钻头的布齿设计遍实现了单只钻头一趟钻完钻。为了满足钻井公司对钻井提速 2.1 切削齿选择

的需求，该区域的钻头普遍采用了攻击性较强的钻头设计，其在硬地层中，为了提高切削齿的吃入能力，改善切削齿的特点为：①中矮冠高、浅内锥、双圆弧冠型，其中第一段圆弧受力，一般选用较小的PDC复合片。考虑到下部地层中大段不半径小，第二段圆弧半径较大，钻头旋转半径小。②选用19 mm 均质的砾石层，综合考虑选用φ16 mm切削齿作为钻头的主切削直径复合片，低密度单排布齿设计，以更大提高钻头的攻击齿。

性。

2.2 布齿设计

影响布齿密度的因素较多，该种设计在软硬交错砾石层中钻头失效的主要原因：①该有岩石强度、研磨性和地层均质种冠型设计在砾石层中稳定性差，冠型第一段圆弧的切削齿在性程度等，考虑到长庆区域油井接触砾石时极易崩坏，造成前期失机械钻速要求较高，依然在布齿效。②单排齿设计使切削齿在砂岩中上选用中低密度布齿，钻头的切充分吃入地层，但旋转过程中切削砾削齿齿数取28~31，基于等切削原石造成复合片表面崩碎。

则进行布齿设计。图1是某款PDC钻头在该层位施工利用等切削原理的布齿软件进行布齿图位置，绘制出的布

100米起出，从图中可以看出，该钻头齿图如图3所示。

由于前期PDC复合片失效，造成钻头 2.3 布齿仿真优化设计

严重磨损报废。

PDC钻头的总侧向力F 取决于各切削齿的受力和周向位置1 新型PDC钻头结构设计方案

S 角。当切削齿受力一定时，总侧向力仅与各切削齿的周向位置针对长庆区块要求在机械钻速不受影响的情况下，一趟钻角θ有关，因此，优化各刀翼的周向位置，可有效的控制总侧穿过该砾石层，本文提出了一种机械钻速快，钻头寿命长的新c 型钻头结构设计方案。该方案的向力的大小。

特点是：双圆弧第一段设计采取设钻头上有N 个切削齿，分布在M个刀翼上，记刀翼j上的c 了大圆弧，第二段采取了小圆切削齿数量为N ，该刀翼上各切削齿的周向位置角为θ，则有J ij 弧。同时依然采取攻击性较强的下式成立：

中矮冠高、浅内锥设计。

如图2所示，该设计的特点是第一段圆弧R1的半径为第二段圆

砾石地层用PDC钻头的设计与应用

①②①②①①①

陈 霖 易先中 陈伟林 何宇航 方 永 武进虎①长江大学机械工程学院 ②长庆钻井总公司

PDC钻头在软硬交错、均质性差的砾石地层中钻进时，适应性差，钻头切削齿易先期损坏。长庆陇东油气田洪德区块下部存在长约400米的软硬交错砾石层，可钻性极差。针对PDC钻头在该区块寿命短的问题，本文提出了一种新的双圆弧冠型、后排限位齿的钻头设计方案，并在现场试验中取得成功，实现了该区块首次单只PDC钻头二开一趟钻打穿砾石层，节约起下钻4次，机械钻速较传统设计PDC钻头提高了

18.85%。研究表明：首段大圆弧、次段小圆弧的冠型设计可以有效改善PDC钻头在砾

石层的适应性，后排限位齿能够保护主切削齿，延长 整个钻头的使用寿命。

图1 常规设计失效PDC钻头

图2 砾石层用PDC钻头冠型图

图3 砾石地层用PDC钻头布齿图

由上式可知，切削齿的周向位置角随刀翼的轴向位置角ψ变化，则钻头的总侧向力F 最小为目标，对其他各个刀翼的周S 向位置进行优化调整，可获得总侧向力最小的刀翼布置方案。

利用该种思路设计的力平衡软件对PDC钻头切削齿进行了优图8 刀翼附近流迹线图

从刀翼附近的流迹线图可以得出，井底流体从水眼流出化设计，经过数学仿真后，钻头后，刀翼附近的流线密集，且直接流过刀翼的流迹线较稀疏，横向力水平近似3%，符合优化要证明水眼设计合理。钻井液对钻头齿的冲刷作用设置合理，保求。

证了钻头的冷却，减少钻头泥包产生的可能性，同时减少了钻2.4 后排齿选择

目前常用的后排齿有三种：常规圆柱形平面齿、球面齿、头冲蚀磨损的可能性。

以及锥形齿。

3 新型PDC钻头制造与现场试验3.1 钻头制造与现场试验

用较小直径的平面齿作为后排齿，主要作用是在前排主齿如右图为根据上述方案设计的砾失效的情况下，能够代替主齿进行切削破岩。同时，具备一定石层用PDC钻头。

的限位作用。

3.2 现场试验

用球面齿作为后排齿，在钻头吃入地层过程中，能够有效虎17-4井位于甘肃省环县洪德乡限制钻头的吃入深度，同时球面的受力特性，能够减少钻头吃大户塬村属虎25区块的一口常规定向入地层过程中的冲击载荷。

井，设计井深2392米。该区块华池组用锥形齿作为后排齿，主要是为了改变钻头的破岩方式为存在大段砾石层，砾石层井深犁削破岩，有利于提高硬地层和超硬地层的破岩效果。

700~970米，厚度约270米左右，前期

综上所述，我们采用了球面齿作为后排齿。在该区块施工井通常二开第一趟钻钻至900米钻头后起出的钻头2.5 后排齿设计

基本报废。设计了新型钢体钻头CZS1665B-215.9钻头，自井深陇东区域机械钻速要求高，289米入井钻至1450米，进尺1161米，同比提高了70.48%，机械若一味加大布齿密度，增加后排钻速35.18米/小时，同比提高了18.85%。该钻头起出后正常磨齿数量，会影响机械钻速，降低损，本体完好可修复继续使用。

钻头使用效果。

该井段使用过CZS1661，CZS19523，CZS1665B三种型号的在后排齿的设计上，采取了钻头。三种钻头使用情况对比如下所示。

只在内锥到冠顶位置布置后排齿的方式。如图所示，该种布齿方式可以在增加钻头抗冲击性的基础上，不影响钻头的机械钻速。

2.6 流场仿真分析利用真软件comsol的流场分析模块分析钻头周围的流场情

况如下所示。

改进前钻头 改进后钻头

4 结论

（1）该钻头通过优化冠形、布齿密度及倾角，在关键部位 图6 井底速度云图 图7 井底压力云图

采用高品质切削齿及限位布齿等手段，抗研磨、抗冲击性能优分析井底压力云图和流速云图可以发现，在水眼区域，井越。应用实践表明可以快速、高效的钻穿环县洪德区块华池组底的流速和压力梯度均较高，这证明井底流体对岩屑的冲刷和组砾岩地层

运移能力较强，井底流体能及时将产生的岩屑从井底移除，减（2）特殊设计的基体结构提高了钻头复合钻进时的效率，少岩屑二次切削和研磨的情况。

同时保证了滑动钻进时工具面的稳定，有利于提高钻头整体机PDC钻头在钻井的过程中会产生大量的热量，且切削产生械钻速。

的岩石碎屑容易附着在钻头表面，若钻井液对钻头的冷却作用（3）目前洪德区域具有较大潜力的开发区域，华池组的砾不足，容易造成钻头热磨损，若钻井液对钻头冲刷清洗能力不石一直是钻井工程的主要钻进难点，应用PDC优化技术对于油足，会造成钻头泥包影响钻井效率及钻头寿命。相应的，若大田的进一步高效开发具有较好的意义。

量钻井液直接冲刷钻头齿，含有一定泥沙的钻井液则会对钻头造成冲蚀磨损。因此，需要合理的设计水眼，合理利用水力能量，提高钻井效率的同时减少钻头磨损。

θc 【参考文献】

（下转68页）

图4 布齿仿真优化结果

图5 钻头设计图