PDC鉆頭新進展（下）

5.Pexus復合鉆頭

當鉆遇上部是卵石和礫石，下部是軟的砂泥巖地層時，鉆頭的選擇非常困難。上部硬地層對傳統PDC鉆頭會造成很大的傷害，而采用牙輪鉆頭鉆下部軟砂泥巖地層機械鉆速低。為了解決此類地層的鉆進問題，Shear鉆頭公司研發了Pexus復合鉆頭，該鉆頭由兩級切削結構組成，第一級切削結構由可旋轉的碳化鎢齒組成，第二級切削結構由PDC切削齒組成。碳化鎢齒與牙輪鉆頭類似，對上部礫石等硬地層進行破巖，以保護PDC切削齒鉆軟地層之前沒有磨損。通過第一級切削齒破碎上部硬地層，第二級切削齒破碎第二級軟地層，實現一趟鉆完鉆。

2015年3月，在加拿大Wilrich-Bluesky油砂項目中，71/2in井眼采用牙輪鉆頭鉆完200m后，二開造斜段需要鉆穿礫石層，作業者采用Pexus鉆頭鉆450m中間造斜段，平均機械鉆速50m/h，比鄰井牙輪鉆頭機械鉆速提高了30%，比鄰井PDC鉆頭機械鉆速提高了66%。完鉆起出鉆頭，鉆頭磨損較小。

6.CuttPro剪切帽PDC鉆頭

在下套管固井作業時，水化膨脹嚴重地層或坍塌地層使得套管不能下到預定深度，這種情況下，一般采用套管鉆井技術。套管鉆井采用帶有碳化鎢的PDC套管鉆頭鉆至預定深度，采用套管代替鉆桿進行鉆井作業，完鉆后直接進行固井作業。然而，為了鉆下部井段，套管鉆頭必須先鉆掉，作業者一般采用兩種作業方式，一種是用牙輪鉆頭磨洗掉套管鉆頭后，再采用PDC鉆頭鉆下部井段；另一種方式是采用PDC鉆頭磨洗掉套管鉆頭后繼續鉆下部井段。這兩種方式都不是最優的選擇，因為第一種方式需要采用兩趟鉆，作業時間較長；第二種方式對PDC鉆頭磨損較大。Varel針對該問題研發了剪切帽式PDC鉆頭，如圖1所示，在PDC切削齒上增加了碳化鎢切削材料，在磨洗套管鉆頭時，頂部的碳化鎢切削材料對PDC切削齒進行保護，當套管鉆頭磨洗完后，鉆下部地層時就是完整的PDC鉆頭。

2014年，CuttPro剪切帽鉆頭在加蓬DIGA油田的121/4in井眼中現場試驗，平均機械鉆速為14.1m/h，而鄰井平均機械鉆速為9.5m/h。

7.StingBlade錐形金剛石齒鉆頭

Smith公司在推出將錐形齒布置在PDC鉆頭中心的Stinger鉆頭之后，通過深入研究錐形齒復合片的破巖機理及其應用情況，又研發了StingerBlade鉆頭。該鉆頭使用了表面有超厚聚晶金剛石層的錐形齒，并將大量錐形齒布置在鉆頭的刀翼部分，形成特殊的破巖結構和破巖組合，與常規PDC復合片互為補充，提高鉆頭的機械鉆速。

StingBlade錐形金剛石齒鉆頭與常規PDC鉆頭相比，具有以下幾方面的優勢：

• 通過大量分布的錐形齒，提升破巖效率

與常規平面式復合片不同，Stinger復合片是錐形齒復合片，將以往分散的載荷集中于一點，通過犁削和剪切方式來破碎高強度巖石，大大提高了破巖效率。同時，錐形體比平面式擁有更大的金剛石表面，從而提高了切削齒的強度和耐磨性。

在14個國家250余次的現場應用表明：StingBlade鉆頭平均進尺增加55%，平均機械鉆速提高30%。

• 工具面易于控制，鉆水平井曲率半徑更小

傳統PDC鉆頭在鉆遇硬地層或夾層時，扭矩和工具面角波動較大，導致低造斜率和鉆時更長。由于集中的點載荷，StingerBlade鉆頭能減少扭矩波動，以更好地控制工具面角，使得施加在地層的鉆壓更加有效。這一特點使鉆頭能夠實現短曲率半徑造斜，維持高造斜率。

在美國TEXAS州多口定向井的現場應用表明，使用StingBlade鉆頭鉆進定向井工具面更易控制、扭矩更小，造斜率提高了23%。

• 減緩切削過程中的振動，使BHA更加穩定

底部鉆具組合的振動會嚴重影響機械鉆速，也會造成井下工具的失效，而StingerBlader齒具有更平衡的切削結構，鉆頭振動輕微，進而提高機械鉆速、延長鉆頭及井下工具的壽命。

在美國SOUTHTEXAS州的現場應用表明，使用StingBlade鉆頭鉆進可降低53%的側向震動、37%的軸向震動。

• 獲得更大的巖屑，有利于更好的進行儲層評價

錐形齒的點沖擊能產生更大的破碎體積和更大尺寸的巖屑，如圖5所示：大尺寸的巖屑有利于對地層巖性、孔隙度、滲透率、巖石力學性質、所含碳氫化合物的分析，優選儲層。

在哈薩克斯坦的現場應用表明，尺寸大于2cm的巖屑返出量遠多于普通PDC鉆頭，鉆屑與鉆井液的分離更容易，對地層特性認識更清晰；同時，機械鉆速提高了166%，節約了6天的鉆井時間和18萬美元的鉆井成本。

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