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摘 要：南堡油田位于渤海湾盆地黄骅凹陷西南部滩海，是冀东油田油气重大发现区域，在1号构造带埋藏着一层垂直厚度为220m-792m不等的玄武岩，针对该地层的特点，对PDC钻头的冠部结构、布齿方式、水力结构、稳定性等方面进行总结分析，同时详细分析了定向井中PDC钻头的结构特征因素对造斜率的影响，另外对PDC钻头的破岩机理也在一定程度上给与阐述。在此基础上，最后提出了一些适应该区域PDC钻头选型的依据。
关键词：南堡油田 玄武岩 PDC钻头 破岩机理 选型
随着PDC钻头的广泛应用，PDC钻头在型号和质量上都进行了较大的改进，已经在软到硬地层中逐步使用，并取得了较好的经济效益。玄武岩是在火山喷发时岩浆在底下冷凝形成的岩石，通过岩性分析，它主要由硅酸盐矿物组成，并含有自生石英晶体，有的井段还含有砂砾岩。地层性质主要特点是密度大、硬度高、研磨性强、非均质性严重和可钻性差。通过长期的现场施工总结以及对不同型号的PDC钻头现场试用，形成了适合于南堡油田1号构造馆陶组玄武岩地层的个性化高效PDC钻头体系。
一、PDC钻头冠部形状及切削齿分布方式分析
PDC钻头的冠部可以简单看成旋转体，因此主要考虑切削齿的径向位置和钻头剖面形状的影响，对于钻头冠部形状，用切削齿之间的距离和切削齿的高度差来表示。
PDC钻头上的切削齿基本上可以分成四个部分：内锥齿、外锥齿、锥顶齿和保径齿。经过长期对现场使用过的PDC钻头进行观察
分析，内锥部分的切削齿磨损较小，而外锥齿的磨损却很大，锥顶齿的磨损接近于保径齿，磨损最严重的切削齿位于钻头边缘稍靠里一点。如图1所示。
PDC钻头在切削岩石的过程中，切削齿与岩石的接触状态是不断变化的，其与岩石的切削接触弧长、接触面积以及钻头旋转一周切削岩石的体积都在不断的变化，因此切削齿上的受力也是不断变化的。
PDC的布齿密度是根据所钻地层的硬度和研磨性决定的，在地层硬度和研磨性一定的情况下，布齿密度越高。钻头寿命越长，反之寿命越短，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。权衡南堡油田1号构造带玄武岩特点与切削齿情况，选择中密度布齿能收到理想的效果。
二、PDC钻头水力结构分析
对PDC钻头而言，中心水眼和冠部水道的设计尤为重要，一个好的PDC钻头井底流场应具备以下特点：
1.较高的井底压差。保证较高的流速，使井底岩屑被液流高效的带离井底，防止井底岩屑反复研磨影响机械钻速。
2.刀翼上流速的分布原则应尽量让高流速分布在各刀翼的主切削齿，通过水力结构调整让各流道与其对应的刀翼切削量合理匹配，避免主切削齿附近出现低流速区而发生泥包现象。
3.小的涡流，这将减轻岩屑被返回井底的几率。
常规喷射钻井设计时以钻头的最大水马力来考虑钻头水力参数，而PDC钻头是以它高强度的牙齿来剥蚀岩石，如果水力冲击力太大，钻井液裹携着泥沙不断地冲蚀钻头本体，而造成钻头不可修复。PDC钻头是以其寿命长、钻进速度快、起下钻次数少而缩短钻井周期的，如果以最大水马力来考虑PDC钻头地水利参数，当PDC钻头一次入井的进尺较大，势必引起高泵压，而超过设备所能承受的泵压，就会损耗循环系统的寿命。为使钻井系统能在钻进中正常运行，就必须全面考虑PDC钻头的各方面影响因素，在PDC钻头钻进的过程中，钻井泵的排量使一定的，此时泵压与井深成正比，所以在PDC钻头入井时，钻头压降设计要根据PDC钻头完钻井深来制定，以保证设备的安全。只有这样，才能最大限度地发挥PDC钻头在使用上地优势。因此，建议使用PDC钻头时，不考虑水力破岩能力，能及时地携带出井底岩屑即可。
三、PDC钻头稳定性分析
PDC钻头的稳定性主要体现在钻头的结构因素及此因素对造斜率的影响上。定向井造斜段钻井的特点是使用井下马达，钻头转速高，钻头切削齿和钻头外径磨损快，钻头寿命短。在定向段钻进过程中，需要钻头能保持住所要求的工具面角度，如果所选钻头不能提供合适的导向能力，就会增加纠斜和扭方位的次数或增加起下钻换钻具组合的次数。
1.钻头体长度对造斜率的影响
依据文献《短弯外壳导向钻具的造斜率计算》中的导向动力钻具造斜率计算公式：
a-弯接头弯角；
L1-弯接头肘点至钻头的距离；
L2-弯接头肘点至下部钻具组合上切点的距离；
从公式可知：在其它结构参数一定的情况下，L1、减小，k增大，即选用轴径短的PDC钻头能增加造斜率。
2.钻头的冠部形状对造斜率的影响
在侧向力一定的情况下，钻头和地层地侧向接触面积越小，作用在单位井壁上地侧向力越大、侧切力越强、钻头地造斜率越高。因此要想获得较高地造斜率，因选用冠部平坦，与地层侧向接触面小地PDC钻头。
3.钻头保径类型对造斜率地影响
钻头保径长度取决于耐磨性和可导性。钻头保径长度越长，耐磨性越强，但可导向性差；而保径长度短则耐磨性较差，而导向性好，要根据地层的可钻性、可研磨性和导向能力来拳衡钻头的保径长度。保径长的钻头一般比保径短的钻头更稳定，但这种钻头所能获得的最大造斜率小。
四、结论和认识
1.根据地层可钻性分析和现场试验，证实南堡油田1号构造带玄武岩可以通过个性化PDC钻头选择钻进，并且能显著提高机械钻速和单只钻头进尺。
2.PDC钻头具有独特性能，在使用前要详细了解使用钻头的型号特性，针对不同的地层优选钻进参数。
3.PDC配合动力钻具进行井下施工具有明显的经济效益，选择合适的PDC钻头能显著提高定向井段造斜率，应推广使用。
4.短平式外形、保径短的PDC钻头造斜率高。钻头保径采用径向排列硬质合金块或PDC切削齿，减小PDC保径切削齿的侧倾角，这种结构的钻头有利于提高侧切削能力，从而提高其造斜率。
参考文献
[1]况雨春，曾恒，周学军、夏宇文PDC钻头水力结构优化设计研究，天然气工业2006.
[2]顾洪成，田京燕，新型PDC钻头在南堡油田的应用.
[3]王福修，PDC钻头双圆弧冠部轮廓曲线研究，河南石油，2005（2）.
关键词：南堡油田 玄武岩 PDC钻头 破岩机理 选型
随着PDC钻头的广泛应用，PDC钻头在型号和质量上都进行了较大的改进，已经在软到硬地层中逐步使用，并取得了较好的经济效益。玄武岩是在火山喷发时岩浆在底下冷凝形成的岩石，通过岩性分析，它主要由硅酸盐矿物组成，并含有自生石英晶体，有的井段还含有砂砾岩。地层性质主要特点是密度大、硬度高、研磨性强、非均质性严重和可钻性差。通过长期的现场施工总结以及对不同型号的PDC钻头现场试用，形成了适合于南堡油田1号构造馆陶组玄武岩地层的个性化高效PDC钻头体系。
一、PDC钻头冠部形状及切削齿分布方式分析
PDC钻头的冠部可以简单看成旋转体，因此主要考虑切削齿的径向位置和钻头剖面形状的影响，对于钻头冠部形状，用切削齿之间的距离和切削齿的高度差来表示。
PDC钻头上的切削齿基本上可以分成四个部分：内锥齿、外锥齿、锥顶齿和保径齿。经过长期对现场使用过的PDC钻头进行观察
分析，内锥部分的切削齿磨损较小，而外锥齿的磨损却很大，锥顶齿的磨损接近于保径齿，磨损最严重的切削齿位于钻头边缘稍靠里一点。如图1所示。
PDC钻头在切削岩石的过程中，切削齿与岩石的接触状态是不断变化的，其与岩石的切削接触弧长、接触面积以及钻头旋转一周切削岩石的体积都在不断的变化，因此切削齿上的受力也是不断变化的。
PDC的布齿密度是根据所钻地层的硬度和研磨性决定的，在地层硬度和研磨性一定的情况下，布齿密度越高。钻头寿命越长，反之寿命越短，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。权衡南堡油田1号构造带玄武岩特点与切削齿情况，选择中密度布齿能收到理想的效果。
二、PDC钻头水力结构分析
对PDC钻头而言，中心水眼和冠部水道的设计尤为重要，一个好的PDC钻头井底流场应具备以下特点：
1.较高的井底压差。保证较高的流速，使井底岩屑被液流高效的带离井底，防止井底岩屑反复研磨影响机械钻速。
2.刀翼上流速的分布原则应尽量让高流速分布在各刀翼的主切削齿，通过水力结构调整让各流道与其对应的刀翼切削量合理匹配，避免主切削齿附近出现低流速区而发生泥包现象。
3.小的涡流，这将减轻岩屑被返回井底的几率。
常规喷射钻井设计时以钻头的最大水马力来考虑钻头水力参数，而PDC钻头是以它高强度的牙齿来剥蚀岩石，如果水力冲击力太大，钻井液裹携着泥沙不断地冲蚀钻头本体，而造成钻头不可修复。PDC钻头是以其寿命长、钻进速度快、起下钻次数少而缩短钻井周期的，如果以最大水马力来考虑PDC钻头地水利参数，当PDC钻头一次入井的进尺较大，势必引起高泵压，而超过设备所能承受的泵压，就会损耗循环系统的寿命。为使钻井系统能在钻进中正常运行，就必须全面考虑PDC钻头的各方面影响因素，在PDC钻头钻进的过程中，钻井泵的排量使一定的，此时泵压与井深成正比，所以在PDC钻头入井时，钻头压降设计要根据PDC钻头完钻井深来制定，以保证设备的安全。只有这样，才能最大限度地发挥PDC钻头在使用上地优势。因此，建议使用PDC钻头时，不考虑水力破岩能力，能及时地携带出井底岩屑即可。
三、PDC钻头稳定性分析
PDC钻头的稳定性主要体现在钻头的结构因素及此因素对造斜率的影响上。定向井造斜段钻井的特点是使用井下马达，钻头转速高，钻头切削齿和钻头外径磨损快，钻头寿命短。在定向段钻进过程中，需要钻头能保持住所要求的工具面角度，如果所选钻头不能提供合适的导向能力，就会增加纠斜和扭方位的次数或增加起下钻换钻具组合的次数。
1.钻头体长度对造斜率的影响
依据文献《短弯外壳导向钻具的造斜率计算》中的导向动力钻具造斜率计算公式：
a-弯接头弯角；
L1-弯接头肘点至钻头的距离；
L2-弯接头肘点至下部钻具组合上切点的距离；
从公式可知：在其它结构参数一定的情况下，L1、减小，k增大，即选用轴径短的PDC钻头能增加造斜率。
2.钻头的冠部形状对造斜率的影响
在侧向力一定的情况下，钻头和地层地侧向接触面积越小，作用在单位井壁上地侧向力越大、侧切力越强、钻头地造斜率越高。因此要想获得较高地造斜率，因选用冠部平坦，与地层侧向接触面小地PDC钻头。
3.钻头保径类型对造斜率地影响
钻头保径长度取决于耐磨性和可导性。钻头保径长度越长，耐磨性越强，但可导向性差；而保径长度短则耐磨性较差，而导向性好，要根据地层的可钻性、可研磨性和导向能力来拳衡钻头的保径长度。保径长的钻头一般比保径短的钻头更稳定，但这种钻头所能获得的最大造斜率小。
四、结论和认识
1.根据地层可钻性分析和现场试验，证实南堡油田1号构造带玄武岩可以通过个性化PDC钻头选择钻进，并且能显著提高机械钻速和单只钻头进尺。
2.PDC钻头具有独特性能，在使用前要详细了解使用钻头的型号特性，针对不同的地层优选钻进参数。
3.PDC配合动力钻具进行井下施工具有明显的经济效益，选择合适的PDC钻头能显著提高定向井段造斜率，应推广使用。
4.短平式外形、保径短的PDC钻头造斜率高。钻头保径采用径向排列硬质合金块或PDC切削齿，减小PDC保径切削齿的侧倾角，这种结构的钻头有利于提高侧切削能力，从而提高其造斜率。
参考文献
[1]况雨春，曾恒，周学军、夏宇文PDC钻头水力结构优化设计研究，天然气工业2006.
[2]顾洪成，田京燕，新型PDC钻头在南堡油田的应用.
[3]王福修，PDC钻头双圆弧冠部轮廓曲线研究，河南石油，2005（2）.