钻头优化设计与选型技术.doc

钻头优化设计与选型技术一、前言近年来，随着油气勘探的进一步深入，塔里木勘探区域由台盆区逐渐向山前构造带转移，塔中地区也向英东、满东、古城等构造带推进，探井的钻井难度逐渐加大，地层越趋复杂，这些构造特殊的地质环境和复杂的地质条件使其钻井速度大大低于探区平均水平，制约这些构造钻井速度的最大障碍是钻头不适应这些构造地层岩性特征，根据这些构造准确的岩性特征有针对性地开发适合这些构造地层特点的钻头系列及结合钻头自身特点进行钻头选型是提高这些地区机械钻速一个关键因素。通过塔里木工程技术人员的不懈努力，在钻头优化设计与选型技术等方面经过持续近10年的综合攻关研究，取得了突破性的进展，使塔里木盆地各区域钻井速度得到了不断提高，相继完成了柯克亚、克拉苏、大北、却勒、迪那、塔东等一批具有典型代表的高效井。相继推出了FM、FS、M、MS、P、R、G、S、BD、DS、DSX、TBT系列等一大批新型的钻头，同时加大了前期攻关技术成果的推广应用力度，使钻头的使用与各区域复杂的地层特点相结合，基本满足了各区域复杂井的钻井需要，钻井速度得到了进一步的提高，钻井成本得以有效控制，塔里木油田探井评价井平均机械钻速由1999年的2.21m/s提高到2003年的3.89m/s，四年提高了76%，平均每年提高15%以上就是明证。本文简要的回顾了近两年来在钻头攻关研究方面的情况，重点介绍了在PDC钻头优化设计、改进、开发，选型技术、以及现场试验与推广应用等方面的情况。主题词：塔里木盆地 四大区域 复杂地层 PDC钻头 优化 改进 选型 应用二、塔里木油田的地层岩性特征塔里木盆地幅员辽阔，面积巨大。各构造带由于受多次造山运动的影响，地质条件十分复杂，是国内陆上钻井难度最大、最集中的地区之一。塔里木油田在持续不断的攻关过程中逐渐认识到，由于塔里木油田复杂多变的地层，其钻头使用技术关键在于钻头本身，否则无论采用何种方法优选，钻头选型准确程度都不高，若想提高钻井速度必须针对地层特性改进旧系列钻头、设计新型钻头：依据地层可钻性分析，针对钻头使用中发现的问题，联合钻头厂家设计、改进PDC钻头；对改进后的钻头首先进行应用评价,达到预期的效果后,再进行全面推广应用，否则,将再次进行改进或重新设计,最终形成塔里木油田不同区域，不同井段、不同岩性特征的高效钻头系列。根据上述思路，结合塔里木油田各区域的实际地层特点，在以下几方面优化设计、改进PDC钻头。三、PDC钻头的优化设计技术（一）塔里木油田针对不同地层特点的PDC钻头的优化设计技术。1、针对地层复杂、研磨性强的特点所采用的金刚石含量更高、抗冲击性更强、寿命更长的复合片优化设计技术。图1、普通镶嵌的厚金刚石层在交界面上产生高的张应力图2、环槽型镶嵌蜂窝齿消除了有害张应力 采用环槽型等新的复合片镶嵌技术，消除了交界面的热应力，同时应力更加分散，复合片与基坐结合更加牢固，使增加复合片的金刚石含量成为可能，从而增加了复合片的抗冲击性和耐研磨性。图3 环槽蜂窝镶嵌Hammer齿、选用加厚环槽蜂窝镶嵌齿-Hammer 环槽蜂窝Hammer齿使复合片与基坐结合便加牢固，同时应力更加分散，外环增加一圈金刚石层的同时增加了复合片的金刚石含量。环槽型的镶嵌方式增加了复合片的抗冲击性，切削齿的金刚石层厚度2.29mm，比普通切削齿的金刚石含量增加200%。极大地提高了齿的抗冲击力和抗研磨能力。加厚环槽蜂窝Hammer齿的抗冲击能力是普通齿的4倍。、选用加厚GT齿GT齿是百施特公司委托国外专业金刚石切削齿制造公司最新开发的超强切削齿，其抗研磨能力比常规齿有大幅度提高，是高研磨地层的专用切削齿。GT齿多用于以抗研磨为主的钻头，如8-1/2M1365R、M1385R等型号钻头。、TITAN-齿的残余应力降到了最低水平，具有锋利的特性，一般应用于攻击性强的快速钻头，如MS1952SS等钢体钻头。 、DRAGON齿是抗研磨和抗冲击综合性能良好的齿，一般安装在钻头的鼻部和鼻部外侧。选用BAR CUTTER齿新型BAR CUTTER的特点：Major Product Improvements 整体结构的硬质合金支撑座较厚的金刚石层较低的残余应力，平均降低20-50%较高的抗冲击性（提高了两倍以上）较好的抗研磨性（提高了约30%）经过测试的新型BAR CUTTER的主要技术指标：超高的金刚石浓度和粒度提高切削齿的抗冲击性、抗研磨性。硬质合金支撑座含钨、钴元素保证了支撑座的机械性能；具有高硬、高研磨性能。切削齿有限元分析发现金刚石与硬质合金结合面的残余应力。新型结构的硬质合金支撑座将结合面的残余应力进行有效的转移和减小。电镜扫描分析及超声波探测分析有利于了解金刚石层内部的结构和金刚石粒之间的连结方式，以判断其抗冲击性和抗研磨性的高低。热稳定性测试：2、针对塔里木油田大部分区块上部地层为软-中硬的特点所采用的钢体式、高螺旋刀翼、大排屑流道钻头优化设计技术。钢体钻头没有胎体钻头烧结时的残余应力，抗冲击、抗回旋能力强，允许切削齿出刃高。高螺旋刀翼设计在有效地防止钻头发生回旋，使钻头工作更加平稳的同时，其刀翼高度比普通钻头增高一倍，使钻头的攻击性大大增强；大排屑流道设计，可以更加有效地使钻屑及时离开井底，避免重复破碎，防止钻头泥包。3、针对岩性变化频繁、大尺寸钻头由于切削齿吃入地层不均等易引起钻头憋、跳严重问题的特点，采用多种抗回旋设计技术。、切削齿力平衡设计钻头设计时使用了专门开发的计算机软件，对每一个PDC切削齿进行受力矢量分析计算，把PDC切削齿在井底承受的轴向与径向不均衡的交变载荷都控制在最小范围内，极大地提高了钻头在井底的工作稳定性。、非对称刀翼设计对称刀翼设计的钻头在井底有产生周期性震动的趋势，易引起钻头产生回旋。非对称刀翼设计的钻头可以有效地破坏在井底产生周期性震动的趋势，减少由此产生钻头回旋的可能性。、螺旋刀翼与螺旋保径设计与直刀翼和直保径设计相比，PDC钻头螺旋刀翼与螺旋保径设计技术可以避免刀翼和保径段与井壁和井底直接碰撞接触。采用螺旋刀翼与螺旋保径设计的钻头以更加平稳的方式切削地层，钻头保径段与井壁的接触也更加平缓。、防碰齿设计防碰减震齿设计可以平衡在井底产生的径向与轴向震动载荷，使钻头在井下工作更加平稳，防止钻头出现PDC齿先期破坏，同时防止钻头修边齿与保径齿吃入地层，引起钻头发生回旋。为提高钻头钻穿砂、砾岩夹层的能力，避免在软硬交错地层损坏切削齿，专门采用防碰减震齿设计技术，保护钻头。4、针对抗压强度高或弹塑性强的地层的特点的所采用的钻头优化设计技术。、尖圆混合齿设计楔形齿布齿设计原理在钻遇抗压强度较高或弹塑较大的以剪切方式不容易吃入的地层时，尖齿（楔形齿）因与地层接触面积小受力集中，岩石在较大的接触应力作用下产生破碎裂纹，楔形齿能够比较容易地吃入地层。随着钻头的不断旋转，楔形齿在岩石中切出一条条轨道形“卸荷”槽，紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削其强度已大大减弱的大块岩石，达到快速钻进的目的。该设计可以提高钻头对地层的攻击能力，弥补了普通钻头尤其16、17 1/2大尺寸PDC钻头机械能量普遍不足的问题。、切削齿负前角的调整对于山前构造井的中下部地层，普通PDC齿为保证一定寿命，负前角一般为20、25、30，钻头吃入地层的能力差，攻击性不强。将PDC齿负前角改为15、20、30，减小负前角，加强PDC齿吃入地层的能力，使钻头能获得较高的机械钻速和寿命。5、针对山前上部地层易斜的特点所采用的短保径优化设计技术。短保径：缩短钻头保径能减小钻头与井壁的接触而产生的扭矩，同时也能减小圆拄管壁效应；降低了保径表面积而增加了钻头保径表面的接触力，使钻头的侧向切削能力增强，有利于井斜控制。6、针对长裸眼段、盐膏层等复杂地层的特点所采用的倒划眼齿优化设计技术。针对长裸眼段、盐膏层等复杂井段，以及定向井钻井，采用适合于倒划眼工艺的设计，每个刀翼加装倒划眼齿，利于钻头的顺利起钻。7、针对易水化膨胀从而造成钻头泥包的地层特点所采用的防泥包优化设计技术。防泥包设计示意图FS系列PDC钻头全部进行防泥包处理，其原理是采用在钻头上进行负离子处理技术，使带有负电荷的泥岩钻屑与带有负电荷的钻头体之间产生相斥，从而达到防泥包的效果。防泥包设计是Security DBS 公司的专有技术。8、为加快机械钻速所采用的调整切削齿的出刃高度，进一步提高钻头攻击性的优化设计技术。 低扭矩保径设计随着切削齿外观结构的改变和焊接工艺的提高，与钻头攻击性密切相关的切削齿出刃高度有了进一步提高，该技术在钢体钻头如MS1952SS上获得广泛应用并取得很好的效果。9、低扭矩保径优化设计技术。在保径部位覆焊一层天然金刚石耐抹层，可以大幅度提高保径寿命，同时可以降低保径段与井壁的磨擦扭矩。金刚石材料焊接是Security DBS公司最新获得的专利技术。10、在高粘、高密度泥浆体系下所采用的负压喷嘴优化设计技术。在高粘、高密度泥浆体系下采用负压水眼技术。目前在现场使用的常规喷嘴在井底产生的是正压力场，在高粘、高密度泥浆体系下它对井底钻屑有较强的压持作用，不利于有效快速清洗钻屑。这项技术的关键是将目前现场使用的普通喷嘴在井下形成的正压力场转变为负压力场，对井底钻屑的压持作用转变为抽吸作用，即从负压喷嘴中喷射出的泥浆实际上是将井底钻屑抽吸出井底，起到快速高效清岩的作用，提高机械钻速。11、为优化钻头设计所采用的软件优化设计技术。3D井下动态模拟设计技术。由Security-DBS开发并投入设计应用的 3D 动态模拟软件可以模拟钻头在井下的工作状态。Security- DBS开发的钻头产品在投入现场应用前，都要进行 3D 动态模拟试验。它可对钻头向前回旋、向后回旋和钻井过程钻具滑差状态进行模拟，以确保钻头入井后的高效能钻进。水力分布优化设计软件技术。针对不同尺寸、不同刀翼数、钻遇不同的地层岩性，利用水力分布优化设计软件，充分考虑钻头在井底工作需要的清洗、冷却、携沙的作用，在钻头水力设计及水眼分布作到合理完善，使钻头工作获得最大功效。地层可钻性分析软件技术。地层可钻性分析软件技术是指利用测井资料的声波时差和伽码时差数据，通过计算，对地层的岩石性质、塑性硬度、抗压强度等参数进行分析，从而科学和准确地进行钻头选型。12、为降低钻头成本所采用的钻头可修复技术。XJDBS公司PDC钻头可修复的特点（按照XJDBS修复标准修复后的 PDC 钻头仍可保证与新钻头一样的使用性能-在现场应用中得到了验证；最大限度的提高PDC齿的利用率），为进一步降低钻头成本和钻井成本提供了保证。13、PDC钻头最新的设计方向：13.1、力平衡优化设计技术。降低钻头径向和轴向振动，提高PDC齿切削效率和钻头机械钻速。13.11 钻柱受力分析。13.12 力平衡设计 切削力。在输入以下参数后，PDC齿/岩石接触面积模型将计算PDC齿与岩石之间产生的力岩石抗压强度机械钻速或钻压ROP or WOB钻盘转数RPM切削力分解为齿面和轴向切削力，轴向切削力等于钻压，齿面切削力由扭矩产生，上述各力可叠加分解为径向力。13.2、能量平衡优化设计技术。均匀分布PDC齿载荷，将PDC齿遭受破坏的可能性降低到最小程度。以下为一个刀翼切削齿的受力分析示例，每一个齿所承受的力不是均匀分布的，齿上力的矢量长度代表所受力的大小，力的矢量越长，表示受到的力越大。13.3、夹层钻进模型优化设计技术。降低冲击载荷，增加工具面的稳定性，提高钻头过夹层的切削效率。13.4、连续螺旋保径优化设计技术。改善工具面的稳定性，降低钻头振动。13.5、钻速斜坡模型。优化PDC齿切削结构，提高机械钻速。13.6、减振齿优化设计技术。限制切削齿的吃入深度。13.61 PDC齿与地层的接触面积受到减振齿的限制。13.62 优化减振齿的参数设计。（二）针对不同区域的钻头优化设计技术。针对塔里木油田勘探分布，我们在作钻头优化设计时着重考虑四个大的区域，既：库车区域（山前）、塔北区域、塔中区域（含哈德）、塔西南区域（山前），这四个区域分别有其独特的地层特点和钻井难点。库车区域（山前）：1、库车区域（山前）复杂地层特点库车坳陷位于塔里木北部边缘与天山地槽之间，东起库尔楚，西至乌什。其长约470千米，宽约2075千米，面积约2万平方千米。它经历过多次地壳运动，形成了天山山前大型逆冲褶皱带以及逆冲褶皱带内一系列的逆冲断层、表层构造、浅层构造和深层构造。该坳陷可划分为近东西向展布的四排构造带和三个坳陷。四排构造从北到南分别是：北部单斜鼻状构造带，直线背斜构造带，秋立塔克弧形褶皱背斜构造带，南部平缓背斜构造带。三个坳陷从东到西分别是：拜域坳陷，阳霞坳陷，乌什坳陷。山前构造带地质环境的特殊性及复杂性，使得库车地区地下地质情况十分复杂。由于地层复杂，分布范围广，该地区的钻井作业面临一系列技术难题，如盐膏层、软泥岩层的缩径卡钻、高压盐水层对泥浆的污染、硬脆性泥页岩及煤层的跨塌、低压高渗砂岩层的井漏等。（1）、异常高压地层的存在，给钻井施工带来了极大的困难和影响（2）、易漏地层是库车地区普遍存在的较为严重的钻井难题。井漏不仅大大增加了钻井作业的难度和费用，而且还对储层造成了严重的损害。（3）、软泥岩地层的存在导致井眼缩径，引起卡钻等钻井事故。2、库车区域（山前）复杂地层钻井难点（1）、岩性变化快、软硬交错频繁，大段的均质岩性基本不存在，加之钻前无法准确预告待钻井段的地层岩性特征，现有的钻头系列无法满足复杂多变的地层变化，导致钻头选型准确程度不高。（2）、大部分井段岩性抗压强度属中到硬，钻头切屑齿吃入困难。（3）、不同构造间地层可钻性差异大，钻头选择借鉴性不强。（4）、171/2和16PDC钻头技术需要进一步突破。 （5）、山前构造带普遍存在高压气层、复合盐层、大段煤系地层等复杂地层，加之地应力高，钻井过程中使用的钻井液密度均较高（如迪那11井钻井液最高密度2.43g/cm3），井底不可避免地产生较强的压持效应，造成岩屑重复切削，影响了机械钻速的提高。（6）、地层各向异性，倾角大（300-850），防斜与提高钻速之间存在难以调和的矛盾，同样也制约了钻头功效的发挥，使钻井速度受到影响。3、 钻头优化设计时需要解决的问题（1）、下第三系以上地层如何防斜打快。（2）、吉迪克等大段塑性地层的吃入问题。（3）、低钻压条件下钻头攻击性的有效提高。（4）、下第三系以下地层如何提高钻头的抗研磨性。（5）、钻头防斜性能的研究。（6）、短保径技术的系统研究。（7）、6”以下钻头系列化问题。4、 库车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。（2）、针对该区域大段弹塑性地层，主要思路是在需要防斜时采用小钻压条件下尽可能提高钻头本身的攻击性，主要特点是重新计算钻头上切削齿的数量和分布位置，同时让切削齿的出刃高度更高，使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，如12 1/2”MS1952SS、M1954SG。（3）、针对台盆区简化井身结构，8 1/2井眼上移的特点，在详细分析地层特性和前期钻头使用资料后，使用更具有针对性的钢体式钻头，钻速有了大幅的提高，如MS1952SS。（4）、针对深部具有研磨性中硬地层，在常规钻头使用效果欠佳时，及时选用13毫米切削齿钻头代替19毫米切削齿钻头，如M1355SG，使用效果明显改善。塔北区域：1、 塔北区域地层特点塔北区域面较教大，含雀马、轮南、东河、红旗、英买力、羊塔克等多个构造，不同构造间地层可钻性差异大，钻头选择借鉴性不强。三叠系以上地层可钻性较好，局部地层夹有砾石，钻头使用时易受到伤害。石炭系地层可钻性较差，钻头选用有一定困难。奥陶系地层含有燧石结核且有漏失，钻头使用有一定难度。2、 钻头优化设计时需要解决的问题（1）、三叠系以上地层钻头的攻击性和寿命必须同等考虑，在高速钻进时必须使钻头具备一定的穿越砾石夹层的能力。（2）、进一步提高石炭系地层的钻井速度。（3）、研究针对奥陶系特殊地层的钻头选型。3、 塔北区域钻头优化设计思路（1）、针对羊塔克区域上部地层弹塑性岩性分布广，设计了切削齿的出刃高度更高，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22005000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。2、岩石的机械性质与PDC钻头选型的关系岩石的机械性质有很多项，对PDC钻头选型都有一定的关系。但对PDC钻头选型的影响最大、容易定性分析的岩石机械性质是岩石的抗压强度。（1）岩石的抗压强度岩石的抗压强度是PDC钻头选型的主要因素之一。岩石的抗压强度又分为单轴抗压强度和三轴抗压强度。根据莫尔强度理论，岩石强度随着作用于滑动面（或剪切面）的垂直（法向）压应力的增加而增加，对于所有岩石，当三轴围压增大时，岩石的抗压强度也随之成倍增加。在三轴应力作用下，岩石机械性能的另一个显著变化是随着三轴围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且三轴围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。一般来说，当岩石的总变形量达到35%时，就可以说该岩石已开始具有塑性性质或已实现了脆塑的转变。但上述理论对盐岩例外，盐岩是沉积岩中唯一在深井中的抗压强度小于地面抗压强度的岩石，再加上盐岩具有很强的塑性形变/蠕变能力。因此，在钻遇盐岩/盐丘地层时常遇到井眼缩径、卡钻以及下套管后发生套管挤毁等事故，但用PDC钻头钻遇该地层时机械钻速较其它地层都要高。为便于处理盐岩地层上述复杂情况，推荐使用四刀翼钻头，以最大限度地提高钻屑通过钻头的能力。下表为不同岩石在三轴围压变化时相应的塑性变形量。岩 石在下列围压下破坏前的形变量P = 10,000N/cm220,000N/cm2Oil Creek石英砂岩2.93.8Blain硬石膏7.022.3Muddy页岩15.025.0Hasmark白云岩7.313.0盐岩28.827.5岩石在三轴围压应力下的塑性变形也有硬化现象产生，即随着塑性变形的增大，岩石的强度也不断的增大着。硬化是塑性变形的必然结果，因为矿物颗粒内部晶面的滑移产生了晶格的弯曲以及岩石结构形状的歪扭，从而引起抗剪强度（抵抗滑动）的增加。对于深井来说，研究岩石从脆性到塑性的转变点具有很重要的意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种从本质上不相同的破坏，所以破碎这两种状态下的岩石需要分别应用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等）以及不同的破碎参数（钻压、转数及水力参数等）。塔里木油田主要以超深井为主，特别是山前构造井泥浆密度高，对井底形成的三轴围压很大。从井身剖面来看，岩石的破坏是自上而下是由脆低塑性破坏到硬脆高塑性破坏转变。这也说明了为什么上部地层PDC钻头使用效果比较好，在下部地层使用PDC钻头很难进一步提高机械钻速的原因。根据XJDBS公司使用Halliburton公司GeoMechanics地层分析软件分析，山前构造井3000m以上地层的岩性以康村、库车组泥、砂岩为主，岩石抗压强度基本上是在10,000psi（70MPa）以下，属于中等硬度地层。泥浆密度为1.21.3g/cm3，对井底形成的三轴围压比较小，岩石属于脆低塑性破坏。对此类地层，推荐PDC钻头一般以低、中密度布齿为主，如17 1/2FS2563/FS2663，16 FS2563/FS2663，12 1/4 FS2563/FS2663钻头为五刀翼和六刀翼设计，此类钻头属于低、中密度布齿，PDC钻头可以获得比牙轮钻头高的机械钻速。山前构造井3000m以下的深部地层的岩性基本上为下第三系、白垩系等地层为主，属于中等硬度地层。泥浆密度为1.82.2g/cm3，对井底形成的三轴围压很大，岩石在大三轴围压应力下的塑性变形有明显的硬化现象产生，使岩石抗压强度基本上都高达15,00030,000psi（100210MPa）以上，岩石属于硬脆高塑性破坏，而且砂岩地层在高抗压强度下具有极强的研磨性，对PDC钻头磨损十分严重。根据上述莫尔强度理论，岩石强度随着作用于滑动面（或剪切面）的垂直（法向）压应力的增加而增加分析，即在塔里木山前井超深、高泥浆密度（高三轴围压应力）下，使用从井底因工程取芯获得的岩芯在地表采用单轴抗压强度方法作出的单轴抗压强度值，要远低于岩石在井底原处的三轴围压应力下的三轴抗压强度值。在目前钻井条件下，对此类地层，推荐PDC钻头主要以高密度布齿为主，如8 1/2FS2565N、FM2565M、FM2665、FM2743、FM2843等。钻头为58刀翼设计，以增加PDC钻头的金刚石总量、提高钻头的抗研磨性和工作寿命、改善钻头对地层的攻击能力等设计为主。为提高深井在高抗压强度和高研磨性地层的机械钻速，经调研国外钻遇相同地层条件时采用的钻井技术，建议采用特殊设计的人造金刚石孕镶钻头（如Security DBS公司专门设计的Ti3000B、Ti3000和Ti3000P系列金刚石孕镶钻头），并与高速涡轮（1000rpm以上）动力钻具组合，依靠强化钻井参数的办法提高深井机械钻速。与牙轮钻头相比，该项技术可提高机械钻速310倍以上，大幅度提高了深井在高抗压强度和高研磨性地层的机械钻速，但国内井眼尺寸普遍比国外小一级，下部深井段排量达不到高速涡轮的要求。对于塔里木盆地腹部轮古、哈得等油田，虽然井深也达到55006000m，但岩石抗压强度基本上是在10,000psi（70MPa）以下，属于软中等硬度地层。泥浆密度为1.21.5g/cm3，对井底形成的三轴围压比较小，岩石在较小三轴围压应力下的塑性变形没有明显的硬化现象产生，岩石属于脆低塑性破坏，PDC钻头具有较高的破岩效率，也容易获得较高的机械钻速。对此类地层，推荐PDC钻头一般在设计上强调了要求钻头应具有良好的水力清洗钻屑的能力和水力破岩的作用以外，钻头还应在上部地层具有较强的对地层的攻击能力，在下部又具有钻硬夹层的能力，钻头即适合上部地层快速钻进的要求，同时也适应下部中等硬度的地层，如8 1/2FS2565N等。（2）岩石抗压强度级别的分类根据美国钻井承包商协会IADC的规定，对岩石抗压强度级别可分为五级： 很低硬度： 32,000 psi3、岩石孔隙压力岩石的屈服强度随着孔隙压力的减小而增大。只有当岩石的孔隙压力相对地小时，岩石才是呈现塑性的破坏；增大孔隙压力，将使岩石由塑性破坏转变为脆性的破坏。如一些受压页岩由于孔隙压力相当高，当钻开井眼后，从井壁上因产生脆性的破坏而崩落。在考虑页岩井壁的稳定性时，应对孔隙压力给予足够的重视。相反，在钻井施工中，孔隙压力有助于岩石的破碎，从而提高机械钻速。在深井条件下，增大泥浆液柱压力，也将增大对岩石的“各向压缩效应”，即增大泥浆液柱压力与岩石孔隙压力之差，其结果是必然导致岩石抗压强度（或即岩石的硬度）的增加和塑性的增大，并且在一定液柱压力下，岩石将从脆性的破坏转变为塑性破坏，机械钻速下降。另外，液柱压力的增大，还降低了岩石破碎的体积，增大了破岩能量的消耗以及降低了机械钻速，而且岩石越软，这个影响也越显著，如在近平衡和欠平衡钻井条件下，钻头具有较高的机械钻速也是这个道理。在选择PDC钻头时，重视钻头在相同井段、相同地层条件、相同泥浆性能和相同钻井参数等条件下与邻井钻头进行对比，评价钻头的设计、使用性能指标等，而不是在同一口井，对上、下井段不同钻头进行对比。应为根据上述理论，特别是在深井条件下，在岩石孔隙压力井身剖面上反映出的是不同的井深、不同的岩性，岩石孔隙压力是随时变化的，机械钻速在不同井深没有可比性。在分析钻头机械钻速时，把岩石孔隙压力作为一项重要参数进行分析。4、确定PDC钻头布齿密度的原则在推荐钻头时，根据岩石的抗压强度选择合理的PDC钻头布齿密度。选择原则如下：岩石硬度分级抗压强度，psiPDC钻头布齿密度很低硬度0 8,000 psi低布齿密度中等硬度8,000 16,000 psi中等布齿密度高硬度16,000 32,000 psi高布齿密度极高硬度 32,000 psi高布齿密度5、PDC钻头切削齿尺寸的确定方法在推荐钻头时，根据岩石的抗压强度确定合理的PDC钻头切削齿尺寸。确定原则如下：岩石硬度分级抗压强度，psiPDC钻头切削齿尺寸很低硬度0 8,000 psi1924mm中等硬度8,000 16,000 psi1619mm高硬度16,000 32,000 psi1316mm极高硬度 32,000 psi813mm6、PDC钻头外形剖面的选择根据岩性合理选择PDC钻头的工作剖面，对提高钻头的工作效率是十分重要的。XJDBS目前常采用的钻头工作剖面有以下几种：（1）浅锥剖面；（2）双锥型剖面。（1）浅锥剖面浅锥剖面又分为短锥、中锥和长锥剖面。短锥剖面：适用在均质、夹层不多的地层中锥剖面：适用在均质、有中软中等硬度夹层的地层；长锥剖面：适用在均质、有中等中硬夹层的地层。浅锥剖面钻头的特点：可以布低高密度的切削齿；容易有效地清洗钻头，充分利用钻头水马力；剖面有足够的空间设计保径结构；为钻夹层，在鼻部可以布足够的PDC齿；钻头设计可以满足井下动力钻具的要求。（2）双锥型剖面双锥型剖面又分为中锥和长锥剖面。双锥型剖面钻头一般具有一个较圆的锥形剖面和一个较深的内锥。双锥型剖面一般使用在较硬的地层，但中锥和长锥剖面的双锥型钻头不易清洗钻屑，所以一般将双锥型剖面设计应用在对付高硬度和极高硬度的钻头上。双锥型剖面钻头的特点：可以布较高密度的切削齿；剖面有足够的空间设计保径结构；深内锥可以使钻头具有较好的方向稳定性；可以适用于钻硬地层；钻头设计可以满足井下动力钻具的要求。7、PDC钻头切削齿的几何参数设计切削齿包括圆齿、黑冰齿、环爪齿、加厚环爪齿、Astra齿、Tarx齿等。黑冰齿降低了引起岩屑附到切削齿表面的磨擦力，高度抛光的表面改善了岩屑的运移状态，减少了扭距并增加了钻速，而在此基础上发展起来的加厚齿使得该切削齿的金刚石层厚度比标准的0.76mm增加45%200%。增强了切削齿的抗冲击性和穿夹层能力，RADXC、AXSYM、DIAX/CSE、RADXS等混合布齿可以使钻头适应范围更广。环爪齿、加厚环爪齿使复合片与基坐结合便加牢固，同时应力更加分散，环爪齿是在爪形齿的外环增加一圈金刚石层的同时增加了复合片的金刚石含量，加厚环爪齿把外环金刚石厚度由2mm增加到4.2mm，金刚石含量增加一倍，极大地提高了齿的抗冲击力和抗研磨能力。加厚环爪齿的抗冲击能力是普通齿的4倍。Astra齿中的金刚石含量比市面上的其它齿含量高出40%，加上合理的金刚石层与碳化钨基体接触面，消除了交界面的热应力、应力集中、抗冲击性和韧性更强，具有较长的使用寿命。切削齿负前角的调整对于山前构造井的中下部地层，普通PDC齿为了保证一定寿命，负前角一般为20、25、30，钻头吃入地层的能力差，攻击性不强。采用新型PDC齿将负前角改为15、20、30，减小负前角，使钻头能获得较高的机械钻速和寿命。8、应用地层分析软件技术选择钻头应用地层分析软件较好的是XJDBS公司目前使用的地层分析软件GeoMechanics，它是由美国Halliburton公司旗下的 Landmark公司专门为Security DBS公司开发的。该软件通过对声波时差、自然伽玛、密度和孔隙度进行分析解释，最后得出岩性剖面、单轴/三轴抗压强度、塑性值，从而指导工程技术人员人员正确选择钻头，对可能发生的钻头机械钻速的变化作出解释和预测，避开可能损伤钻头的硬夹层或砾石层。该软件可按照每英尺为单位对地层进行精确分析。根据岩性剖面，可以选择应用钻头的类型；根据单轴/三轴抗压强度，可以选择PDC钻头的布齿密度和提出设计要求。该软件已在全国各油田数十次井开展了服务项目。总的来说，目前我们在作钻头选型时，特别是区域上已有完成井的情况下，一般从两个方面入手。第一：利用数理统计方法对岩石硬度、强度、可钻性、研磨性与声波时差的关系进行了回归分析，建立了岩石力学分析模型平台，从用户手上收集到已完成邻井相关井段的测井资料，主要取得每一点的声波时差数据、伽玛时差数据、密度以及孔隙度，输入计算机，利用先进的岩石力学分析软件对相关井段的岩石的力学特性作分析计算，主要计算出代表岩石硬度的抗压强度数据和代表岩石研磨性的内摩擦角数据，形成相关的曲线，再利用通过大量统计数据形成的PDC钻头选型依据，初步判断每一井段钻头选型的可行性，进而形成全井段钻头的选型方案。目前随着PDC复合片技术的快速发展，除特殊岩性外，PDC钻头适用的范围：代表岩石硬度的抗压强度数据小于50000Psi，代表岩石研磨性的内摩擦角数据小于43度。在这两组极限值之外，我们一般不推荐使用PDC钻头。第二：依靠邻井钻头使用资料、通过对每个井段钻头磨损分析、录井砂样的分析同时结合使用者以往积累的钻头使用经验来初步判断钻头的选型。最后，利用岩石力学分析软件给我们提供的钻头选型参考数据，同时结合现场积累的钻头选型和使用经验，针对每个井段作出最后相对准确的钻头选型。目前采用这种计算分析数据和积累经验二者相结合的方式被塔里木油田广泛采用，也就是说，近两年塔里木油田钻头选型的准确性有了大幅的提高。一般情况下，随着岩石抗压强度的增加，其研磨性也随之增强。针对塔里木油田的地层，除开一些特殊岩性，在利用岩石力学分析软件进行钻头选型时，如果岩石抗压强度数据小于8000Psi，内磨檫角数据小于30度，建议使用牙轮钻头或四刀翼大复合片钢体式PDC钻头；如果岩石抗压强度数据在8000-16000Psi，内磨檫角数据小于37度，建议使用五刀翼19毫米复合片钢体式PDC钻头；如果岩石抗压强度数据在16000-32000Psi，内磨檫角数据小于40度，建议使用6刀翼19毫米或16毫米复合片胎体式PDC钻头；如果岩石抗压强度数据在16000-32000Psi，内磨檫角数据40-42度，建议使用6刀翼以上13毫米复合片胎体式PDC钻头；如果岩石抗压强度数据在32000-50000Psi以上，内磨檫角数据大于42-43度，建议使用牙轮钻头或6刀翼以上8-13毫米复合片胎体式PDC钻头；如果岩石抗压强度数据在50000Psi以上；建议使用牙轮钻头或巴拉斯。以上仅是通过大量统计数据积累而得到的经验判断数据，在实钻过程中由于岩性胶结物的不同可能使钻头选型出现偏差。五、针对地层岩性特征优化设计、改进的PDC钻头应用效果（一）统计数据分析从以下几个表中数据对比可以看出： 虽然2003年机械钻速比2002年提高了20%，但平均单只钻头进尺却减少了15%，由于纯钻时间占钻井总时间的60%左右，机械钻速提高20%，相当于节约成本12%，而钻头成本只占钻井总成本的10%左右，钻头成本提高15%，相当于增加成本1.5%，所以钻井总成本应该是节约了10.5%。具体统计数据见下面： 2003年与2002年探井、评价井PDC钻头使用情况对比，包括分区块对比情况。2003年与2002年库车地区探井、评价井PDC钻头使用情况对比 使用情况尺寸总的使用数量（只）总的进尺（m）总的纯钻时间（h）平均机械钻速（m/h）平均单只钻头进尺(m)2002年2003年2002年2003年2002年2003年2002年2003年2002年2003年16（或17 1/2）211519.67589.34221.1785.176.876.92759.84589.3412 1/42007780.360333