泥岩地层PDC钻头选型及提速研究

孙凯 徐冀新 杨庆强

西部钻探井下作业公司大修侧钻项目部

【摘 要】科技的发展促进了油气开采工艺的不断更新迭代，PDC钻头能够在低钻压下取得高进尺和高钻速，具有比牙轮钻头更高的安全性，极大地提高了钻井工作效率和降低钻井成本，在大段软到中等硬度地层具有突出的优点。但是PDC钻头只适用于软到中硬地层，通过优选PDC钻头适应地层，提高钻速是值得当前深入研究的课题。

【关键字】PDC 复合片 泥包 小井眼

PDC钻头即聚晶金刚石复合片钻头，复合片外形是圆形被镶焊在圆柱的切削具上,将切削具镶装在钻头体上,成为PDC钻头。岩石的诸力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。显然采用剪切方式破碎岩石比用压碎方式要容易而有效的多。当PDC钻头在软到中等级硬度地层进时，复合片切削齿在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层并向前滑动，岩石在切削齿作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，PDC钻头的复合片切削结构正是利用了岩石这一力学特性，采用高效的剪切方式来破碎岩石，被剪切下来的岩屑，再由喷嘴射出泥浆带走至钻头与井壁间的环空运出井外。

PDC齿的缺点是热稳定性差，当温度超过700℃时，金刚石层内的粘结金属将失效而导致切削齿破坏。在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求泥浆从喷嘴流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。另外PDC钻头应避免在高硬度，高研磨性的地层中高转速钻进，以免造成局部摩擦温度过高。

泥岩段应用选型

针对目前已经钻的侧钻井施工中遇到地层统计，泥岩钻进过程中容易出现泥包问题，对此提出相应PDC钻头选型方法。

１　钻头类型和冠部形状

预防泥包钻头设计比水基钻井液化学性能更加重要，通过泥包实验发现，相同钻进条件下，具有抛物线轮廓和刮刀水力设计的PDC钻头在钻进泥页岩地层时不太容易产生泥包，而采用脊式布齿或开放表面水力设计的PDC钻头、平的或圆轮廓的PDC钻头、浅锥形轮廓PDC钻头更易产生泥包。而且，脊柱式PDC钻头性能受钻井液类型、性能影响较大，而刀翼式PDC 钻头受其影响较小。

２　水力结构

PDC钻头水力结构对于钻头泥包有重要影响，因为PDC钻头水力学效果的好坏都是通过水力结构来体现的。喷嘴形状、位置、角度和组合方式是影响井底流场的重要参数，目前主要通过实验和数值模拟的方法进行研究，但尚未与PDC钻头泥包建立直接关联。研究发现，定向喷嘴有利于减少钻头泥包，“打蛋器”式PDC钻头的设计着重于由定向喷嘴所起的削皮作用。尽管该钻头在实验室的试验中未产生泥包，但其仍未被广泛地用作抗泥包钻头。

排屑槽方面，使用较多的参数为排屑槽体积和面积，一般认为，排屑槽体积越大，发生钻头泥包的机会越小。而对钻井模拟系统实验数据进行统计分析发现，排屑槽体积和面积与PDC钻头的清洁能力没有相关关系，其不能作为预测泥包的指示参数；而排屑槽最窄点处过流截面积是影响PDC钻头泥包的一个重要参数。另外，研究发现，条带状泥页岩在钻头冠部附近产生，并沿着垂直于岩石／切削齿交界面的方向运动，最终在排屑槽某处交汇，基于此提出了一种排屑槽轮廓设计思路。

３　切削齿结构参数

与常规PDC齿相比，碳化钨基体上设有凹槽的PDC齿在相同切削深度条件下，与地层的接触面积较小。因此，在相同的载荷条件和地层可钻性条件下，即使发生轻微切削齿泥包，新型PDC齿也可以依靠较小的钻压获得较高的机械钻速。具有斜面聚晶金刚石层结构的切削齿，齿前的无遮挡空间可以使条带状岩屑“尽量”延伸而不受钻头体的阻碍，最终在井底流场的影响下超过自身强度断裂成小的碎屑片段，从而减小了碎屑片段之间及碎屑片段与钻头体之间的接触面积，达到预防泥包的目的。

4 其他方面

切削齿抛光处理。PDC抛光切削齿较标准PDC切削齿具有更好的锋利度，与ＲＯＰ增速剂结合使用能减少钻头泥包，显著提高机械钻速。

PDC钻头氮化处理。氮化处理后钻头的钢材表面，相对于钻井液体系呈电负性，钻井液中的电负性离子被钻头表面排斥，水分子迁移到带电金属表面，形成润滑层，达到防止钻屑吸附，产生抗泥包的效果。

钻头提速影响因素

影响钻进速度的主要因素有很多，要想把所有的影响因素反应到一个统一的钻速模式中是很困难的。但其中影响较大、变化规律较明显的因素有钻压、转速、牙齿磨损、水力参数、压差、钻井液性能等，而其中与井底流动直接发生关系的有转速、水力参数、压差、钻井液性能等。 

1. 转速对钻速的影响 

从机械破岩的原理来看，随着转速的增加，钻速也相应增加。得出典型转速与钻进速度呈指数关系，且指数小于1。这反映出钻头破碎岩石的时间效应问题。

2. 水力参数对钻速的影响  

水力参数引起的井底净化程度对钻速有较大的影响。井底净化是靠射流水力功率来完成的，如果水力功率不够，净化不充分，使岩屑留在井底而造成重复切削，导致实际钻速的下降。同时，射流水功率在一定程度上还有水力破岩的作用。一定的钻速就意味着单位时间内钻出的岩屑总量，而清除这些岩屑就需要相应的水力功率。如果实际水力功率小于清岩所需的水力功率,井底就会积存岩屑，影响钻速的提高。由于水力破岩的作用已经受钻压的限制，净化程度只是从保证机械破岩效果方面影响转速，也就是说在排除水力破岩的作用条件下，如果破岩效率一定，在井底净化达到充分后无论如何提高水力功率也不可能提高转速。

3. 压差对钻速的影响

压差是指井底压力与地层压力之差值。井底压差将使岩石强度增加并对岩屑产生压持效应，从而影响了钻头的破岩效率，使得机械钻速降低。

Vm/v0=e^0.001714Δp

式中：Vm----实际速度，m/h；

V0----零时差时的钻速，m/h；

e----自然对数的底数；

Δp-----压差，kPa.

4.钻井液性能对钻速的影响 

钻井液性能对钻进的影响是复杂的，因为钻井液各种性能之间关系密切，改变钻井液一种性能常会引起其它性能的相应变化，因此要单独评价某一种钻井液性能对钻速的影响相当困难。 

①钻井液密度对钻速的影响 

提高钻井液密度将增加井底压差，使钻速相应下降。降低钻井液密度虽能提高钻速，但受地质条件的限制，不能任意降低。

②钻井液粘度对钻速的影响 

钻井液粘度并不直接影响钻速，它是通过对循环系统压耗和井底净化等作用的影响而间接影响钻速。在地面功率一定的条件下，降低钻井液粘度可以降低循环系统的压耗，提高钻头压力降，从而使钻速相应提高。

③钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响 

钻井液固相含量对钻速影响较大，因此必须严格控制固相含量。 钻井液中不仅固相含量对转速有影响，固体颗粒的分散度对钻速有影响。钻井液内小于1 m的固相颗粒越多，对钻速的影响越大。固相含量相同时，分散性钻井液比不分散钻井液的钻速低，固相含量越小，两者差别约大。为了提高转速，应尽量采用低固相不分散钻井液。

  此外，钻井液失水等对钻速都有一定影响。但这些性能与钻井液粘度、固相含量及分散性等因素有关，增加钻井液失水常会钻井液粘度，因此难于测定他们对钻速的独立影响。钻井实践证明，钻井液性能是影响钻速的极重要因素。但钻井液性能常受井下工作条件的影响，难于严格控制。