钻头优化设计与选型技01

高，钻头在获得的有限的机械能量条件下其自身的攻击性更强的钻头型号，如MS1952SS、M1954SG。

（2）、轮南62区域井深2200~5000米左右地层岩性变化频繁，压实性好，可钻性较差使用更具有针对性的钢体式F S2565N钻头，钻速有了大幅的提高。 塔中区域（含哈德）： 1、塔中区域地层特点：

我们针对的塔中区域主要集中在16井区、10井区、11井区、45井区以及塔东构造和哈德构造，不同构造间地层可钻性差异大，钻头选择借鉴性不强。 （1）、勘探形势较好的16井区相对于除塔东区域以外的其他区域钻井难度较大，主要表现在三叠系以前的地层易水化膨胀形成缩径造成卡钻事故；其次三叠系及石炭系的砾石夹层对PDC钻头的使用造成致命影响；第三是志留系的高研磨性细砂岩对PDC钻头的钻速和寿命都有较大的影响。

（2）、10井区、11井区、45井等区域的钻井难度相对较小，主要是上部软泥岩的缩径和深部志留系地层的研磨性。

（3）、塔东区域是一个较为特殊的区域，其地层特点主要表现在上部地层倾角大，钻井过程中井斜难以得到有效控制，往往为了控制井斜采用小钻压从而牺牲了钻井速度。其次是中上奥陶地层硬度极高，该井段以灰、深灰色为基调的泥岩和凝灰岩为主，岩性极硬，硅泥质胶结，可钻性极差，研磨性较强，普通PDC钻头难以吃入地层，必需采用特殊设计的钻头型号才能取得一定的效果，同时，局部钻遇的砾石层对钻头的损坏极大；第三是如何有效提高中下奥陶地层的钻速。 （4）、哈德区域范围较小，石炭系以上地层钻头型号相对固定，主要难点在深部志留系及以下地层的钻速和钻头的寿命。 2、钻头优化设计时需要解决的问题

（1）、上部地层在钻头攻击性足够强时如何作到防斜打直。

（2）、针对中上奥陶系高硬度地层，钻头的吃入地层的能力和工作寿命必须兼顾。 （3）、哈德区域深部志留系地层的钻头攻击性和耐磨性综合考虑。 3、塔中区域钻头优化设计思路

（1）、除塔东区域之外，在石炭系以上地层推出大螺旋刀翼，深排屑槽，多水眼、高出刃特点的防泥包设计的钢体式钻头，如12-1/4”MS1952SS，在包括16井区、

10井区、45井区等区域的软泥岩井段获得了极高的速度。

（2）、除塔东区域之外，在石炭系特别是志留系地层推出小螺旋刀翼、新型耐磨齿、新颖的布齿，具有强攻击性特点设计的胎体式钻头，如8-1/2”M1955SS，在包括16井区、10井区、45井区等区域的深部井段获得了极高的速度和较长的寿命。

（3）、塔东区域的地层比较复杂，上部地层倾角大，井斜控制要求严格，我们特别设计了可以在低钻压下攻击性强的钢体式钻头，如8-1/2”MS1952SS；下部特别是奥陶系地层的可钻性差，具有很强的研磨性，针对硬地层的吃入能力，我们设计了双排布齿及采用新型超强GX齿的钻头，如8-1/2”M1365R、M1385R，由于其不同于常规设计的，在对付硬地层时获得了一些的效果。

（4）、哈德区域的探井目的层主要集中在深部志留系地层，钻头设计时攻击性和抗磨性必需同时考虑，使用攻击性强的钢体式钻头获得了好的效果，如8-1/2”MS1952SS。 塔西南区域（山前）：

塔西南区域主要指英吉沙构造、群苦恰克构造、肖尔布拉克构造等，根据以往的钻井历史，以上几个构造均是钻井难度和风险极大的山前构造，以我们目前的技术水平，仍然具有巨大的挑战。 1、塔西南区域地层特点及钻井难点 （1）、英吉沙构造

该地区先后钻探了四口井，由于地质因素复杂，含有多层高压盐水层和高压气层，钻井难度大，三口井均未钻至设计井深而事故完井；九十年代总公司在该区块上钻了科学探索井--英科1井，完钻井深6406 m。从以上几口井的资料表明，该井地层倾角大，可钻性差，从上第三系到白垩系存在多套不同压力系数高压盐水层（含气），上第三系、下第三系都存在大套膏泥岩。因此，该井在钻进中将遭遇多种井下复杂情况。

地层倾角大，井斜控制困难；井壁稳定性差，地层坍塌严重；高压盐水层发育；地层可钻性差，机械钻速低；套管磨损严重；高温高压；大段石膏、膏泥岩、上白垩可能有盐层；高密度钻井液使用时间长；井底压力高，井口控压能力有限，井控问题突出；小间歇固井困难、固井质量难以保证。

（2）、群苦恰克构造

上部软泥岩地层易造浆、缩径，可能导致严重阻卡甚至卡钻；存在多套异常高压盐水层，可能导致溢流甚至井喷；地层含有大段石膏，并夹软泥岩，易发生缩径卡钻；存在异常超高压油气层，易发生溢流、井涌甚至井喷失控；高密度条件下可能发生井漏；地层可钻性差，可能导致周期长，成本高。 （3）、肖尔布拉克构造

上部地层倾角大，为40-60度；中下部地层地层含有大段石膏，并夹软泥岩，易发生缩径卡钻；中深部地层砂岩含砾，属中硬，有一定研磨性。 2、钻头优化设计时需要解决的问题

（1）、上部地层在加强钻头攻击性时如何作到防斜打直。

（2）、16”以上大尺寸钻头钻遇硬地层时如何防止因跳钻损伤钻头。 （3）、16”以上大尺寸钻头钻遇硬地层时如何提高钻速。 （4）、大尺寸钻头应具备穿越硬夹层的能力。 （5）、深部地层钻头的攻击性和耐磨性必须兼顾考虑。 （6）、多刀翼钻头的攻击性的提高。 （7）、与动力钻具配合使用时的钻头寿命。 3、塔西南区域钻头优化设计思路

（1）、针对16”以上大尺寸钻头，在以前钻头的基础上，重新调整了冠型，增大了刀翼和保径部分的螺旋弧度，加大了刀翼深度，减短了保径长度，同时调整了切削齿的布齿密度和出刃高度，形成了新型的钻头，如16”MS1953SS、FS2663等。

（2）、针对上部地层倾角大、钻遇的硬夹层较多，南北和东西方向上的应力相差很大的特点，16”以上大尺寸钻头的防斜和减震必须优先考虑。

（3）、由于16”以上井眼较长，大尺寸钻头的工作寿命对钻井成本的控制非常重要，因此，新型超强齿的应用对延长钻头工作时间具有关键的作用。 （4）、针对中部地层变化大，岩性复杂的特性，需要不同特点的钻头个性化设计，设计了MS、M、FM、BD、DSX等系列钻头。

（5）、针对深部硬度极高的研磨性地层，全新设计的8-1/2”M1365R、M1385R和DSX系列钻头，由于其不同于常规设计的布齿方式及采用的新型超强GX、

Terx齿，在对付硬地层时可能获得了较好的使用效果。

四、PDC钻头综合选型技术

PDC钻头在快速钻进、防斜打快、提高钻井行程钻速、降低钻井成本等方面起着越来越重要的作用，而且，PDC钻头在世界各油田所钻进尺的比例也在逐年不断提高。PDC钻头选型的正确与否，是实现上述目的的关键。总的来讲，上部地层是以防斜打快为主，下部地层是以提高钻井行程钻速为主。具体来讲，PDC钻头选型一般重点考虑以下几个方面：1、岩石的性质；2、岩石的机械性质与PDC钻头选型的关系；3、岩石孔隙压力；4、确定PDC钻头布齿密度的原则；5、PDC钻头切削齿尺寸的确定方法；6、PDC钻头外形剖面的选择；7、PDC钻头切削齿的几何参数设计和刀翼前倾角设计。 1、岩石的属性

岩石一般分为沉积岩、变质岩和火成岩。就目前技术水平而言，PDC钻头主要大量应用在沉积岩地层。沉积岩的主要外部结构特征是在沉积岩沉积过程中所形成的层理。在钻井地质剖面上所表示的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的放映。

由于岩石在结构上的特点，使多数岩石的的性质具有不均匀性和各向异性。岩石的各向异性，表现在它的强度及变形特性等各反面。在泥岩、砂岩等沉积岩中，平行于和垂直于层理面方向上岩石的物理—力学性质是具有明显差异的，也即是各向异性的，普遍反映在平行于层理面方向的岩石抗压强度、弹性模量、泼桑比等都小于垂直于层理面方向。PDC钻头在设计上正是充分利用了这一岩石的物理—力学性质，即PDC钻头破碎岩石设计为剪切破碎岩石，而且机械钻速要高于牙轮钻头。

在钻头选择方面，PDC钻头目前主要应用在泥岩、砂岩、以泥质胶结为主并且胶结松散的小颗粒砾岩、膏岩和灰岩等地层。根据大量试验统计，在泥、砂岩互层的地层，当地层抗压强度低于10,000psi，泥岩成份占岩石总量的40%以上时，PDC钻头的使用效果最好。

火成岩一般不适合使用PDC钻头，但PDC钻头在火成岩风化层也有良好的使用业绩，并带来可观的经济效益。因此，在选择使用PDC钻头时，要对地质资料作详细客观的分析，选择正确型号的PDC钻头。