PDC钻头新进展（下）

5.Pexus复合钻头

当钻遇上部是卵石和砾石，下部是软的砂泥岩地层时，钻头的选择非常困难。上部硬地层对传统PDC钻头会造成很大的伤害，而采用牙轮钻头钻下部软砂泥岩地层机械钻速低。为了解决此类地层的钻进问题，Shear钻头公司研发了Pexus复合钻头，该钻头由两级切削结构组成，第一级切削结构由可旋转的碳化钨齿组成，第二级切削结构由PDC切削齿组成。碳化钨齿与牙轮钻头类似，对上部砾石等硬地层进行破岩，以保护PDC切削齿钻软地层之前没有磨损。通过第一级切削齿破碎上部硬地层，第二级切削齿破碎第二级软地层，实现一趟钻完钻。

2015年3月，在加拿大Wilrich-Bluesky油砂项目中，71/2in井眼采用牙轮钻头钻完200m后，二开造斜段需要钻穿砾石层，作业者采用Pexus钻头钻450m中间造斜段，平均机械钻速50m/h，比邻井牙轮钻头机械钻速提高了30%，比邻井PDC钻头机械钻速提高了66%。完钻起出钻头，钻头磨损较小。

6.CuttPro剪切帽PDC钻头

在下套管固井作业时，水化膨胀严重地层或坍塌地层使得套管不能下到预定深度，这种情况下，一般采用套管钻井技术。套管钻井采用带有碳化钨的PDC套管钻头钻至预定深度，采用套管代替钻杆进行钻井作业，完钻后直接进行固井作业。然而，为了钻下部井段，套管钻头必须先钻掉，作业者一般采用两种作业方式，一种是用牙轮钻头磨洗掉套管钻头后，再采用PDC钻头钻下部井段；另一种方式是采用PDC钻头磨洗掉套管钻头后继续钻下部井段。这两种方式都不是最优的选择，因为第一种方式需要采用两趟钻，作业时间较长；第二种方式对PDC钻头磨损较大。Varel针对该问题研发了剪切帽式PDC钻头，如图1所示，在PDC切削齿上增加了碳化钨切削材料，在磨洗套管钻头时，顶部的碳化钨切削材料对PDC切削齿进行保护，当套管钻头磨洗完后，钻下部地层时就是完整的PDC钻头。

2014年，CuttPro剪切帽钻头在加蓬DIGA油田的121/4in井眼中现场试验，平均机械钻速为14.1m/h，而邻井平均机械钻速为9.5m/h。

7.StingBlade锥形金刚石齿钻头

Smith公司在推出将锥形齿布置在PDC钻头中心的Stinger钻头之后，通过深入研究锥形齿复合片的破岩机理及其应用情况，又研发了StingerBlade钻头。该钻头使用了表面有超厚聚晶金刚石层的锥形齿，并将大量锥形齿布置在钻头的刀翼部分，形成特殊的破岩结构和破岩组合，与常规PDC复合片互为补充，提高钻头的机械钻速。

StingBlade锥形金刚石齿钻头与常规PDC钻头相比，具有以下几方面的优势：

• 通过大量分布的锥形齿，提升破岩效率

与常规平面式复合片不同，Stinger复合片是锥形齿复合片，将以往分散的载荷集中于一点，通过犁削和剪切方式来破碎高强度岩石，大大提高了破岩效率。同时，锥形体比平面式拥有更大的金刚石表面，从而提高了切削齿的强度和耐磨性。

在14个国家250余次的现场应用表明：StingBlade钻头平均进尺增加55%，平均机械钻速提高30%。

• 工具面易于控制，钻水平井曲率半径更小

传统PDC钻头在钻遇硬地层或夹层时，扭矩和工具面角波动较大，导致低造斜率和钻时更长。由于集中的点载荷，StingerBlade钻头能减少扭矩波动，以更好地控制工具面角，使得施加在地层的钻压更加有效。这一特点使钻头能够实现短曲率半径造斜，维持高造斜率。

在美国TEXAS州多口定向井的现场应用表明，使用StingBlade钻头钻进定向井工具面更易控制、扭矩更小，造斜率提高了23%。

• 减缓切削过程中的振动，使BHA更加稳定

底部钻具组合的振动会严重影响机械钻速，也会造成井下工具的失效，而StingerBlader齿具有更平衡的切削结构，钻头振动轻微，进而提高机械钻速、延长钻头及井下工具的寿命。

在美国SOUTHTEXAS州的现场应用表明，使用StingBlade钻头钻进可降低53%的侧向震动、37%的轴向震动。

• 获得更大的岩屑，有利于更好的进行储层评价

锥形齿的点冲击能产生更大的破碎体积和更大尺寸的岩屑，如图5所示：大尺寸的岩屑有利于对地层岩性、孔隙度、渗透率、岩石力学性质、所含碳氢化合物的分析，优选储层。

在哈萨克斯坦的现场应用表明，尺寸大于2cm的岩屑返出量远多于普通PDC钻头，钻屑与钻井液的分离更容易，对地层特性认识更清晰；同时，机械钻速提高了166%，节约了6天的钻井时间和18万美元的钻井成本。

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