刘鹏飞 （中海石油 （中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

和鹏飞 （中海石油能源发展工程技术公司，天津 300452）

李凡，余涵 （中海石油 （中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

Power Drive VorteX（简称VorteX）钻具系统通过井下高性能泥浆马达的使用，可以为井底钻头提供最高可达250r／min的转速，增大动力，有效解放机械钻速，获得较高的钻井效率，但施工中发现采用该系统也给PDC钻头带来较大的损坏［1］。为了解决该问题，笔者对VorteX钻具系统配套PDC钻头进行了优化设计，以便为油田进行高效钻进施工提供帮助。

1 VorteX钻具系统结构

VorteX钻具组合如下 （以∅215.9mm井眼为例）：∅215.9mmPDC钻头＋∅171.5mm旋转导向工具（Power Drive675X6）＋∅171.5mm过滤接头 （Filter Sub）＋∅171.5mm直马达 （Motor）＋∅165.1mm浮阀接头＋∅171.5mm非磁钻铤＋∅171.5mm MWD＋∅171.5mm非磁钻铤＋∅165.1mm随钻震击器＋X／O＋∅127mm加重钻杆×14（见图1）。其中，马达采用斯伦贝谢A700MGT7866系列7／8头、6级直马达，与顶驱复合的最高转速一般限制在250r／min内；过滤接头主要用于过滤直马达胶芯剥落物以及泥浆内较大杂物，每次钻具出井需清理接头；旋转导向部分可依据井眼状况以及造斜需要选择。

图1 VorteX钻具系统组成结构图

开发VorteX钻具系统的主要目的是在旋转导向钻具的基础上，通过井下高扭矩直马达的使用，解决转盘以及顶驱系统最高持续输出扭矩和转速的限制。该系统的主要工作原理如下：通过与顶驱提供的钻柱转速和井下马达转速相结合，可以增加可用扭矩和钻头转速，用井底更高的扭矩输出能力允许工具承受更大的钻压，从而提高了机械钻速，降低了钻井成本。同时，相对于常规旋转导向系统，其钻井时的扭转振动和其他的振动损坏也大为减小，因而所有的输入能量都用于高效钻井和使机械钻速最大化，特别是在大狗腿度井段，VorteX钻具系统降低了套管磨损和钻柱的疲劳损坏，减少了钻柱或套管的失效风险。此外，所有外部部件都随着钻柱旋转，这能够减少摩阻并增加机械钻速，且全程旋转的特性也能帮助清洁和调整井眼，从而降低压差卡钻和机械卡钻的风险。

2 配套PDC钻头设计

渤海某油田主力开发油层位于沙二段、沙三段，钻井深度大，分布井段长，地层岩性差，地层岩性不均、互层多，可钻性一般，钻头选型范围小，很大程度上制约了机械钻速的提高。通过对该地区已钻井井身结构、地层压力系统的研究和钻井复杂情况分析，决定采用如图2所示的井身结构：∅444.5mm井眼×∅339.7mm套管＋∅311.2mm井眼×∅244.5mm套管＋∅215.9mm井眼×∅152.4mm尾管，其中∅311.2mm井眼以进东营组50m为中完原则，后续采用∅215.9mm钻头，配套VorteX钻具系统钻进至沙三段完钻。

2.1 PDC钻头初步选型

部分老井钻头使用情况表如表1所示。所有井全部使用5刀翼16mm或19mm切削齿的PDC钻头，以MS1951型和CK605K型PDC钻头为主，平均机械钻速15m／h左右；无论是钢体还是胎体5刀翼19mm PDC钻头，在机械钻速方面表现相当；X8井使用了一只5刀翼、16mm切削齿的胎体M1653SS钻头完钻，第一次入井发生了泥包，故初期以5刀翼19mm齿PDC钻头为主要选择对象。

表1 部分老井钻头使用情况表

2.2 PDC钻头前期改进

根据已钻东营组、沙河街组PDC钻头使用情况，结合钻头厂家对常规5刀翼19mm齿PDC钻头进行了改进设计，最终采用CKS605型和TS1951SS型钻头，2款钻头采用中等冠部，长抛物线，较长冠型，5直刀翼，单排19mm齿，设计5个水眼。

通过现场实际使用 （钻井参数为钻压2～4t、顶驱转速40～70r／min、排量1800～2000L／min），对出井钻头进行分析，发现钻头损坏部位以肩部及切削外沿为主，损坏形式以切削齿磨损为主，磨损量大约在3.175mm，次要损坏为尖崩刃、复合片破损。这是由于VorteX钻具提供的高转速以及钻头稳性、地层不均质的原因，导致钻头在井下运行不稳。由于存在一定涡动现象，因而受到了不规则的载荷冲击［2－3］。改进后钻头配合VorteX钻具的强大动力下，4口井钻头均有大幅度提高，整体平均机械钻速达到26.85m／h，平均机械钻速较老井提高了80%。在∅215.9mm井眼中，TS1951SS型钻头在东营组、沙河街组整体表现比较平稳，而CKS605型钻头在东营组机械钻速较高，之后在沙河街组逐步降低，钻头机械钻速变化幅度较大。

2.3 PDC钻头优化

为了进一步提高机械钻速，分别对2个型号的钻头进行改进优化。将CKS605型钻头后冠部形状改为短冠部，布齿由原来的36颗改为41颗，增加布齿量，提高冠部附近布齿密度，增强后续攻击力，避免后期机械钻速大幅度下降；喷嘴数量由原来的5个改为7个，可以更精确地调整喷射面积，使水力分布更为均匀，保证较高的清洗效率，防止泥包现象。同时通过软件模拟，对钻头切削齿受力进行分析，然后对布齿结构和密度进行优化，使各切削齿受力更加均匀，减小切削齿损坏几率，提高切削效率，延长钻头使用寿命。针对TS1951SS型钻头，在原型号基础上，将鼻部圆弧减小，冠型高度降低5.2mm，同时复合片出刃提高1mm，使钻头更有效地吃入地层，同时水眼数量未变。此外，建议将喷嘴直径由18mm改为16mm，以增强水力射流。

3 现场应用效果

将优化后的VorteX钻具系统配套PDC钻头在渤海某油田进行了现场试用，应用情况对比如表2所示。表2结果表明，TS1951SS型和CKS605型PDC钻头在后续井中均表现良好，机械钻速较优化前大有提高。因此，该配套PDC钻头具有较好的市场应用前景。

表2 优化前后PDC钻头在该油田的应用情况对比表

［1］杨丽，陈康民.PDC钻头的应用现状与发展前景 ［J］.石油机械，2003，31（3）：70－71.

［2］邵明仁.PDC钻头厚层砾岩钻进技术探索与实践 ［J］.中国海上油气，2008，20（1）：44－47.

［3］匡立新，吴波 .合理优选PDC钻头是提高深井机械钻速的有效途径 ［J］.钻采工艺，2001，24（2）：75－76.