刘海军

胜利石油管理局石油工程技术开发中心，山东东营 257000

随着定向井理论与方法的发展，对于定向井的工具提出了更高的要求，PDC 钻头通过不断的改进和完善，在定向井钻井中发挥着重要的作用。由于定向井钻井在地表之下，井下地层条件复杂，定向井对于钻井的质量要求较高，因此需要进行定向井专用工具的优化改进，保证定向井钻井的质量和速度。井下PDC 钻头的结构和参数是否合适，直接影响到定向井钻井的准确性和速度，因此需要开展定向井用PDC 钻头的研究，提高定向井PDC 钻头的效率和寿命。

1 定向井PDC 钻头和地层相互作用的模型分析

影响到定向井PDC 钻头与地层相互作用的影响因素较多，为了能够表示地层岩石的定量参数，首先要对地层岩石的参数进行定量分析，地层各向异性参数就是地层岩石主要参数之一，由于地层岩石特殊的形成原因，地层岩石的强度和硬度在地层的各个方向上，具有不同数值，所以石油钻井钻遇的地层一般都会各个方向上存在区别，这就指的是地层的各向异性。在沉积岩地层中由于沉积条件的不同，一般会存着各向异性。在石油钻井过程中，钻遇较多的就是沉积岩地层。由于地层各向异性现象的存在，导致了定向井钻井过程中，容易产生井下钻头偏离预定轨迹的现象，影响了定向井钻井的质量和效率。在PDC 钻头钻进过程中，不但会存在钻头轴向钻进的趋势，同时也会存在着钻头侧向钻进的趋势，PDC 钻头这种在轴向和侧向上钻井趋势的不同，就是PDC 钻头的轴侧方向钻进的不同性能。在实际PDC 钻井过程中，钻头的设计一般都会侧重于钻头的轴向钻进，避免钻头侧向钻进的现象。在进行钻头水力结构设计时，也是向利于钻头轴向钻进的方面设计，不同类型钻头的轴侧钻性能也不相同。为了能够获得特定地层与PDC 钻头之间的轴侧钻性能参数，通常采用根据地层的实际参数，进行理论计算的方式，有时也会采用通过室内岩石破岩实验，来获得相应的轴侧钻参数。定向井PDC 钻头在实际钻井中，主要存在着三种类型的侧向力，首先是井下钻具结构对于PDC 钻头的侧向力，其次是PDC 钻头结构本身造成的侧向力，第三是由于地层岩石结构的不同，而对钻进钻头产生侧向力。通过钻头对于地层岩石机械作用力的分析，以及钻头的井底的位移变化，经过一定的坐标变换，考虑到PDC 结构参数对于侧向力的影响，最后在加上地层岩石的各向异性参数，就可以得到井底钻头与地层岩石之间相互作用的模型。通常情况下，在实际钻井过程中钻遇地层大多数都是非均质的，不论地层的均质性如何，而且即使是钻头轴侧钻指数相同，定向井井下钻头产生的合力的方向也不能完全和钻头的位移方向一致。钻头合力的方向总会和钻头位移的方向有一定的夹角，通过利用简化后的钻头三维钻速模型，可以分析地层岩石的非均质性对于PDC 钻头力的影响。在进行力学分析时，地层受到的力仅仅为力的形式，而不是真实的力，这和实际机械作用力区别较大，在地层受力分析时，将地层的特性参数，转换成力的表达形式，便于分析研究。地层岩石的力学性质主要是有岩石的各向异性决定，在钻井过程中才显现出力的作用。通过对钻井井眼轨迹的分析研究可得，利用井底钻头上部的钻具结构，得到由上部钻具结构对钻头产生的侧向力和旋转角度。通过对钻头结构参数的分析研究，可以得到水平井钻井的钻头结构特性参数，将以上分析的特性参数带入到钻头与岩石作用的模型中，从而可以得到相应钻头在实际工作中的侧向力，进而可以确定定向井钻井中，钻头的钻进的方法。

2 影响定向井PDC 钻头钻进趋势的因素研究分析

在定向井钻井过程中，影响PDC 钻头钻进趋势的因素很多，主要包括钻头上部的钻具组合、钻头的形状参数、地层岩石的性质、实际钻井的参数等。各因素对于影响钻头钻进的作用机理不同，表现形式各种各样。通过采用理论研究结合软件分析的方式对影响钻头钻进的因素进行了研究，当井下钻具组合中扶正器的直径增加时，对于钻头的井斜力具有一定的影响，但是不会造成较大的影响，通过分析可得扶正器直径的增加，会加大井眼轨迹的斜率，但是对于钻头方位力的影响较小，所以在大斜度井钻井中，不能只通过增加扶正器的直径方法，来达到稳定井眼斜度和方位的目的。在PDC 钻头结构方面，当PDC 钻头的保径齿长度加长时，钻头的井斜力始终向上，而数值的大小逐渐的减小，所以保径齿的加长可以达到降低井斜的目的，所以在利用PDC 钻头钻定向井时，可以采用减小保径齿长度的方法，来达到稳定井眼斜度和方位的目的。在定向井钻井参数方面，当钻井的钻压增加时，钻头的井斜力始终向下，而数值也在逐渐的增加，因此钻压的增加会增加井斜，而且增加的幅度随着钻压的增大而增大。而钻头的方位力则为零，所以在大斜度井钻井中，钻压的增大可以增加井眼的斜率，同时可以稳定井眼轨迹的方位。当钻头的转速增加时，井眼的斜度减小，可以达到井斜的目的。在定向井PDC 钻头造斜的过程中，当钻头从较硬的地层转到较软地层时，钻头的钻进方向会向软地层偏移一定的距离。通过对影响定向井PDC 钻头钻进趋势的因素研究，可以提高定向井钻井的质量和速度。

3 结论

PDC 钻头在定向井钻井中得到广泛的应用，随着定向井PDC 钻头理论和技术的不断发展，PDC 钻头的使用会不断的提升定向井钻井的准确性和钻井效率。由于地层各向异性的存在，导致了定向井钻井中，容易产生井下钻头偏离预定轨迹的现象。定向井PDC 钻头在工作时存在三种类型的侧向力，钻具结构产生的侧向力，钻头结构本身产生的侧向力和地层特性产生的侧向力。通过对PDC 钻头钻进趋势的因素研究，得到各因素对于PDC 钻头钻进趋势的影响规律，可以更好的提高定向井钻井的质量和速度。

[1]齐林,周大千,江胜宗.用钻头与地层相互作用模式预测井眼轨道[J].大庆石油学院学报，1995，19(4)：113-116.

[2]杨庆理.复杂地层 PDC 钻头个性化设计及应用研究[D].东营：中国石油大学（华东），2007.