摘要：太古界片麻岩地层，由于地层压实程度高，结构致密坚硬，对常规PDC钻头伤害大，故而只能使用牙轮钻头，从而造成机械钻速低。针对这一情况，研制一种新型PDC钻头，增加钻头的抗冲击性能，从而提高PDC钻头的使用寿命，提高机械钻速。 关键字：PDC钻头、太古界、片麻岩、机械钻速
1.片麻岩地层概况
片麻岩是一种变质程度较深的变质岩，具有片麻状构造或条带状构造，鳞片粒状变晶结构，主要由长石、石英、云母等组成，其中长石和石英含量大于50%，长石多于石英。片麻岩主要存在于太古界地层，由于地层压实程度高，结构致密坚硬，其抗扭破力可达176MPa[1]。
由于片麻岩地层具有岩性坚硬，研磨性强的特点，故而该地层对PDC钻头损害非常大，钻进几米就会造成钻头报废，常规PDC钻头完全不适用于该地层。使用牙轮钻头时，又存在机械钻速低；因为跳钻，易发生钻头先期破坏及钻头故障，导致牙轮钻头使用寿命减少，需要频繁起下钻作业，从而增加使用周期。
2.新型PDC钻头设计和结构参数
针对片麻岩地层岩性坚硬，研磨性强的特点，对常规PDC钻头重新设计，制作出一种新型抗冲击PDC钻头，大幅增加钻头使用寿命，提高机械钻速。
2.1 冠部设计
钻头轮廓设计是根据地层的特点进行的，由于片麻岩地层坚硬，因此，钻头轮廓设计按照中硬地层的特点进行，所以采用双圆弧剖面[2]。
为了加大切削齿切削量，提高钻井速度，选择优质进口φ16mmPDC切削齿作为切削元件，选择高抗冲击和研磨的综合复合片，提升切削结构的整体抗冲击性能。采用锥齿、双排齿辅助切削稳定结构，预先犁削砂砾岩硬基质增加钻头的破岩效率。
2.3 切削齿的排布
PDC钻头的布齿密度是根据所钻地层的硬度和研磨性而决定，在地层的硬度和研磨性一定
时，布齿密度越高，钻头寿命越长；布齿密度越低，钻头寿命越短。过高密度的布齿会导致分配到每个齿的破碎功变小，因而影响机械钻速，过低密度的布齿又会影响钻头寿命，经权衡地层与切削齿情况，选择中密度布齿，以达到理想的使用效果。
在钻头半径平面内沿轮廓外形布置切削齿，得到PDC钻头径向布齿图，反映了切削齿在钻头径向上的布置或者在井底半径方向的覆盖情况，采用如下径向布齿公式：
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式中： 、 ----第 、 个切削齿中心在钻头上的半径
----冠顶半径
----切削齿半径
----布齿密度系数
----切削齿数量
----冠部轮廓弧长
利用上述公式就可以确定出各个切削齿的径向位置，保证井底切削覆盖良好。
根据冠部设计所得剖面、切削齿布置密度和确定的刀翼螺旋角度确定周向布齿位置。同时对切削齿角度进行优化调整，适当减小钻头攻击性，提高钻头稳定性。在每个保径块上加装3或4个φ13.4mmPDC切削齿以加强保径，提高钻头寿命。
3.现场应用情况
3.1 第一口井应用情况
该新型钻头在第一口井太古界地层共入井一次，入井深度4918m，钻进至完钻井深5074m出井，进尺156m，所钻地层为下古生界及太古界。在4959m进入太古界，在太古界片麻岩地层共钻进115m，纯钻时间为35.13小时，平均机械钻速为3.27m/h。
钻进参数：钻压10~40kN、转速50转/分带螺杆、排量18L/s、泵压：18MPa；钻井液性能：
密度1.14g/cm3、粘度77s。
钻头描述：入井前钻头轻微磨损，磨损量小于1/16，无崩齿；出井后钻头切削齿磨损严重，磨损量在1/2~3/4；保径齿轻微磨损，磨损量在1/8~1/16。
3.2 第二口井应用情况
该新型钻头在第二口井太古界地层共入井两次，共钻片麻岩地层100m。第一次入井井深4522m，出井井深4759m，出井原因为动力钻具故障，起钻更换动力钻具；更换新钻头再次入井后钻进至4776m完钻。两个钻头在片麻岩地层累计纯钻时间28.11小时，平均机械钻速3.55m/h。
钻进参数：钻压20~40kN、转速35转/分带螺杆、排量21.7L/s、泵压：20MPa；钻井液性能：密度1.09g/cm3、粘度55s。
钻头描述：第一个钻头入井前为新钻头；出井后切削齿磨损1/8，保径齿磨损小于1/16，钻头外径150.8mm。第二个钻头入井前为新钻头；出井后切削齿磨损小于1/8，保径齿磨损小于1/16，钻头外径151.9mm。
4 使用情况对比
与临井使用牙轮钻头在片麻岩地层使用进行对比，对比结果见下表：其中1#为第一口井，2#为第二口井，3#为临井，只对比在太古界片麻岩地层钻进情况。
表1 使用情况对比
序号 | 钻头 | 井号 | 进尺 m | 钻时 h | 机械钻速 m/h | 下入/起出新度 |
1 | 新型PDC | 1# | 115 | 35.13 | 3.27 | 90/40 |
2 | 新型PDC | 2# | 83 | 24.33 | 3.41 | 100/90 |
3 | 新型PDC | 2# | 17 | 3.36 | 5.06 | 100/95 |
4 | HJ537G牙轮 | 3# | 55 | 39复合片钻头 | 1.41 | 100/65 |
5 | HJ537G牙轮 | 3# | 23 | 20 | 1.15 | 100/80 |
| | | | | | |
从上表可见：
与以往使用牙轮钻头钻进相比，使用新型PDC钻头具有以下明显优势：
（1）机械钻速更快。新型PDC钻头的机械钻速在3m/h以上，较常规牙轮钻头提速在100%以上。
（2）单只钻头进尺更多。使用新型PDC钻头钻进单只钻头的有效进尺可以超过100m，而牙轮钻头首使用寿命限制单只钻头进尺在50m左右，使用新型牙轮钻头比牙轮钻头单只钻头进尺数增加100%以上。
5结论
1）针对片麻岩地层特性，对传统PDC钻头的剖面、布齿结构、切削齿选择等进行重新设计，制作了新型PDC钻头，并进行了实钻现场试验；
2）该新型PDC钻头取得了成功应用，较牙轮钻头在机械钻速和单只钻头进尺方面有了大幅提高。
参考文献：
[1] 田辉.胜利油田滨南古潜山片麻岩油藏钻井技术研究[J].长江大学学报（自然版）,2013,32
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