国产旋导钻头在涪陵页岩气超长水平井的应用

1、引言

随着油气资源勘探开发向更深、更复杂地层推进，长水平段钻井技术成为提高油气采收率的重要手段。钻头作为钻井作业的关键工具，其性能直接影响钻井效率、成本和作业安全性。聚焦国内长水平段钻头，一直由进口厂家占据主导地层，钻井成本高居不下，随着油气勘探开发向低成本转移，彻底摆脱旋导钻头依耐进口钻头的现状，国产PDC 钻头需进一步展开攻关研究。

涪陵页岩气焦石坝区块构造位于四川盆地川东高陡褶皱带万县复向斜焦石坝背斜带焦石坝断背斜，三开井段钻遇龙马溪组，该地层岩性以泥岩、页岩为主，地层可钻性中等。三开水平段地层倾角变化大，裸眼段长，井眼清洁难、摩阻、扭矩大，轨迹控制难度高，调整频繁，常规三开（ 215.9mm ）井眼钻头在应用过程中，频繁穿夹层会导致复合片早期崩齿失效，如下图所示。因此，需要对钻头轮廓线型、布齿、保径等进行合理优化，在保证稳定性的情况下，提升钻头进尺能力及机械钻速。

图 1-1 215.9mm 井眼 PDC 钻头出井后复合片崩损严重

2、 存在问题分析

机械钻速受限：在水平段龙马溪及五峰组硬地层和复杂夹层地层中，现有的切削齿布局和切削角度无法有效破碎岩石，导致破岩效率低下，机械钻速难以提高。

钻头寿命较短：保径结构设计不合理，在钻进过程中保径部位磨损严重，影响钻头的稳定性和使用寿命；同时，切削齿在高应力和复杂工况下易发生磨损和崩齿，进一步缩短了钻头寿命。

轨迹控制难度大：长水平段钻井对轨迹控制要求极高，而现有的钻头结构在面对地层变化时，工具面稳定性不足，难以精确控制井眼轨迹，增加了钻井风险和成本。

井底震动大：常规PDC 钻头匹配旋转导向工具，井底震动大，仪器信号不 稳定，钻井参数无法释放

3、旋导钻头设计

3.1 结构优化设计

钻头采用五刀直翼非对称结构，相邻刀翼间夹角为65° -75^∘ ，清洗效果好，切削齿能及时得到冷却，在软到中等硬度的地层中机械钻速较高；同时该结构分散井壁切削力，提高钻头稳定性。

刀翼形状优化：通过流体力学分析和岩石破碎力学研究，采用螺旋刀翼结构，增加刀翼的切削面积，使切削齿在破岩过程中能够更好地分散应力，减少切削齿的磨损和崩齿风险；

保径结构改进：优化保径结构，增加主动保径齿的数量和强度，并增加被动保径齿，提高保径部位的耐磨性和抗冲蚀能力，螺旋保径，阶梯保径设计，增加保径面接触面积，提高钻头工具面翁定性。

3.2 材料性能提升

切削齿材料改进：研发新型的PDC 切削齿材料，提高其硬度、耐磨性和抗冲击韧性。开展超深脱钴技术研究，提高复合片的综合性能。

钻头体表面敷焊材料优化：选用高强度、高韧性的合金钢作为钻头体材料，并对其进行特殊的热处理工艺，提高钻头体的强度和抗疲劳性能。钻头体表面使用高耐磨的敷焊材料进行敷焊，强化表面硬度，提高钻头体的耐冲蚀能力及抗高温能力，能更好的适应复杂钻井工况。

3.3 布齿设计优化

布齿设计包括切削齿密度设计、布置方式类型、切削角度及齿型选择等，是 PDC 钻头关键设计，影响钻头各方面性能。根据地层特点及前期失效形式，主切削齿采用 16mm 复合片，优化切削齿的侧倾角与后倾角，侧倾角设计为2-10^∘ ，以加强钻头的清洗和排屑的移运，避免切削齿与井底的干涉现象，提高钻进效率；后倾角设计为 15-25^∘ °，确保钻头有较好的攻击性和使用寿命

4、应用情况

4.1 应用实例

针 对 焦 石 坝 区 块 超 长 水 平 段 设 计 的 匹 配 旋 导 的 PDC 钻 头（81/2KSR1652AGR），在焦页 44-Z5 井应用，水平段实现 2 趟钻完成，第一趟钻进尺 3748m ，机械钻速 22.06m/h ，水平段累计进尺 5714m ，平均机械钻速 20.81m/h ，较设计目标机械钻速 20m/h 提升 4.05% ，助力焦页 44-Z5 井刷新亚洲最深页岩气水平井纪录（ 8517m ），创亚洲陆上水平井水平段最长纪录（5442m）。

① 短一体式高导向结构、强化侧切力：大幅提高钻头侧向切削能力 40% ，缩短 37% 的钻头有效长度，实现11.5° /30m 的理论造斜率，提高钻头导向性；② 专利异形复合片：相比常规平面齿破岩效率提高 34.5% ，冷却效率提高11.5% ，耐磨性达到 160 圈重载湿磨轴向磨损最大高度 1.75mm ，提高复合片的耐磨性能，更好的适应长水平段快速高效钻进；

4.2 应用效果分析

③ 优化水力结构：提高钻头综合性能，更好的适应强化参数工况，降低环空及井底压力，提高井底返砂能力，从而降低钻进扭矩，助力旋导设备动力输出，提高机械钻速；

图 2-1 焦页 44-Z5HF 井水平段出井钻头

5、 结语

针对涪陵页岩气焦石坝区块三开的地层特点以及常规井眼钻头失效形式，针对性设计研发 8 1/2KSR1652AGR 金刚石钻头，匹配旋导工具施工，使用效果良好，进尺能力及机械钻速均满足现场施工需求，提速效果明显，成为超长水平段钻井提速利器，达到提速降本的目的。

参考文献

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