PDC钻头新进展（上）

1.错排齿PDC钻头

在定向井钻井过程中，由BHA侧向力引起的过度振动容易引起钻头的切削齿损坏，进而降低ROP、定向控制能力和整个钻井效率，增加钻井作业成本。为了应对钻柱振动引起的钻头失效，Ulterra 钻井技术公司开发了CounterForce PDC钻头，采用切削齿成对错排的布齿方式，每对切削齿采用相反的侧向角度排列，这种排列方式能使钻头形成反作用力，减少钻头反扭矩、抑制振动、提高机械能利用效率和破岩效率。

在阿曼，作业者采用牙轮钻头钻121/4in的表层井段时，BHA水平振动严重，机械钻速较低。传统PDC钻头在该井中也进行了多次试验，由于产生的扭矩较大，根本无法控制。最后采用钻头参数为钢制胎体、五刀翼、16mm切削齿的CounterForce PDC钻头——Ulterra U516S，机械钻速达到57m/h，相比牙轮钻头机械钻速30m/h来说，提高了90%。CounterForce PDC 钻头克服了钻机条件的限制，使得PDC钻头能用在以往只能使用牙轮钻头的地层。

 2.第二代微芯PDC钻头

几年前，Tercel公司开发了第一代微芯PDC钻头，其目的是在钻井的同时取出小尺寸岩芯，用于地质评价。几年后，Tercel公司发现微芯PDC钻头的布齿结构能够显著提高机械钻速。最近，研发人员通过重新设计钻头结构、PDC切削齿和水力参数，同时优化了岩心腔的直径和深度，研发了第二代微芯PDC钻头，其目的是提高机械钻速。

第二代微芯PDC钻头减少了钻头中心部分的切削齿数量，增加了钻头面外围的切削齿，位于取芯腔后部的切削齿剪断获取的地层岩芯，岩芯脱离钻头后，随钻井液从环空返回地面。

传统PDC钻头大部分能量消耗在钻头中心部位，相比于钻头面外围而言，钻头中心部位的岩屑排除速度慢，第二代微芯PDC钻头的设计优化了能量分布，提高了岩屑从钻头底部的排出速度。

2014年，在Eagle Ford页岩气区的一口水平井中使用第二代微芯PDC钻头一趟钻完成造斜段和水平段，该井总测深4950m，造斜点深度2550m，造斜率10～14°/30m，水平段2100m，平均机械钻速27.6m/h，邻井造斜段和水平段的机械钻速21.6m/h。

3.第二代复合钻头Kymera FSR

贝克休斯研发了第二代复合钻头Kymera FSR，结合了牙轮钻头和PDC钻头设计方面的优势。相比2011年研发的主要应用于硬地层和软硬交错地层的第一代牙轮PDC复合钻头来说，第二代复合钻头针对软地层和碳酸盐岩地层设计，在碳酸盐岩地层能提高性能50%～100%。

通过优化牙轮和PDC的切削结构，能满足低钻压的同时达到比第一代复合钻头更高的机械钻速。牙轮钻头的碳化钨镶齿能够切削更加坚硬的岩石，PDC钻头清楚残余的岩石，并高效清洗井眼。两种切削结构的结合能够更好地控制工具面，并保护刀翼，实现扭矩控制。钻井过程中，钻压分布合理，工具效率更高，可以减轻定向井工程师在井眼轨迹调整方面的工作量。

Eagle Ford页岩气区，采用常规PDC钻头钻井，扭矩波动较大，使得BHA偏离了钻井轨道，导致至少需要2只钻头钻曲线段。同时，高扭矩波动时，作业者使用低钻压，大大降低了机械钻速。通过在三口井中采用第二代复合PDC钻头钻曲线段，三口井的平均深度为3780m，曲线段平均236m，第一口井钻时22h，平均机械钻速10.8m/h；第二口井钻时17小时，平均机械钻速13.8m/h；第三口井的平均机械钻速12.3m/h，复合钻头起出后，基本没有磨损。而邻井采用3只常规PDC钻头钻曲线段，钻时35h，平均机械钻速7.11m/h；另一口采用常规PDC钻头钻曲线段用2只PDC钻头，钻时27.5h，平均机械钻速9.66m/h。用第二代复合钻头单位进尺成本至少减少36%。

4.两步切削结构钻头

针对硬地层、研磨性地层或软硬交错地层，哈里伯顿研发的Geo Tech 两步切削结构PDC钻头，采用两步切削齿结构设计，如图1所示，与传统PDC钻头相比，在钻头侧面设计了钻头切削齿，以破碎更多岩石。部分刀翼上切削齿相对较少，而另外部分刀翼切削齿相对较多。钻头采用先进的切削齿材料，包括新的基质材料、粘合剂和更加耐磨的金刚石复合片，提高了钻头的热力学性质。哈里伯顿公司同时推出了IBitS 3D 设计软件新版本，对模型和运算法则进行了优化，与哈里伯顿的岩石破碎模型相结合，这些工具能更加真实地模拟地层和钻头的相互作用。

在北海海上一口井中，Geo Tech钻头钻121/4in井眼段，钻遇7种不同的地层。GeoTech GTD65D钻头钻进2476m，平均机械钻速27.9m/h，相比邻近三口井的平均机械钻速22.2m/h，节省了至少11h时间，钻头起出后，磨损较小。

文章来源于中国石化石油工程技术研究院战略规划研究所，版权归原作者所有。

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