随着油气钻井向着深井、超深井、高压油气井等领域转移,钻井工程面临着越来越多的挑战,随钻扩孔技术作为非常规钻井技术不断发展,其中随钻扩孔PDC钻头具有广阔的发展前景。一方面,随钻扩孔PDC钻头可以解决深井小井眼钻井的环空间隙小、环空压耗大、井底水力作用能量不足、固井质量差等问题。另一方面,随着我国许多油田进入开采后期,通过开窗侧钻的方式提高最终采收率已经成为钻井技术新的发展趋势。由于老井生产多年,为了避免在造斜时出现井壁坍塌,需要在增斜井段采用随钻扩孔技术,常规伸缩式的扩孔工具以及RWD随钻扩孔工具都存在着明显的缺点,不能满足要求,使用随钻扩孔PDC钻头成为一种定向随钻扩孔的有效方法。目前国内厂家在随钻扩孔PDC钻头的产品设计上还处于模仿国外产品的阶段,没有科学的理论依据做指导,为此本文开展了随钻扩孔PDC钻头布齿设计技术研究,主要研究内容和成果如下:1.通过对随钻扩孔PDC钻头切削力学理论的研究,确定了随钻扩孔PDC钻头切削齿切削截面形状、求解各种不同类型切削截面面积的计算方法,以及随钻扩孔PDC钻头工作载荷的分析理论和计算方法;2.开展随钻扩孔PDC钻头布齿设计理论研究,并提出针对直井随钻扩孔和定向井随钻扩孔相应的随钻扩孔PDC钻头的布齿设计理论,并提出了随钻扩孔PDC钻头的自平衡布齿设计思想。通过增加领眼钻头的横向力来抵消扩孔钻头不平衡力,提高钻头稳定性。3.根据切削力学理论和布齿设计理论编制了随钻扩孔PDC钻头布齿设计分析软件,该软件可以准确绘制随钻扩孔PDC钻头径向布齿图和周向布齿图,计算切削齿的工作区域、切削量、切削力以及随钻扩孔PDC钻头的工作载荷。通过该软件可以对随钻扩孔PDC钻头进行分析评价,对随钻扩孔PDC钻头布齿设计提供依据。4.研制出国内首只用于定向随钻扩孔的随钻扩孔PDC钻头产品,并在塔河油田进行现场试验,现场应用表明,随钻扩孔PDC钻头成功实现了深井条件下小井眼定向随钻扩孔目标,并取得了很好的钻进效果。