元坝气田主力气藏埋深超过6500m，是中国埋藏最深的海相气田。陆相地层厚度大，平均厚度约4800m，岩性致密、硬度高、非均质性强，机械钻速低，特别是下沙溪庙组以深地层，硬度高，可钻性极差，钻头合理选型困难。针对陆相致密非均质性硬地层，开展个性化钻头设计，应用针对性的布齿设计、等切削轮廓设计、水力结构优化等先进设计理念，研制出EM1655SE型PDC钻头。在元陆703井应用，它较好地克服了陆相地层硬度高、软硬交错的影响，进尺和机械钻速均获得大幅提高。

元坝陆相地层对钻头要求高

元坝气田位于四川省广元、南充和巴中市境内，长兴组主力气藏埋深超过6500m，是中国石化继发现国内最大海相整装气田普光气田之后，在四川盆地发现的又一个大型海相气田，探明天然气地质储量超过1500×108m3。但是，元坝地区陆相深部地层硬度高、研磨性强、可钻性差，成为制约元坝钻井提速的瓶颈井段。

元坝陆相上沙溪庙组以浅地层应用气体钻井技术实现提速突破，而下沙溪庙组及以深地层岩性砂、泥岩互层，软硬变化大，钻头使用不稳定；砂岩多为硅质胶结，岩性致密、硬度大、研磨性强、可钻性级值平均约在6级以上，最高8级，岩层可钻性极差；地层对钻头磨损严重，而且由于地层不稳定，井壁易发生掉快、垮塌现象，导致气体钻井无法实施；应用常规钻井机械钻速低，平均机械钻速低于1m/h，单只钻头进尺仅66m，见表1。下沙溪庙以深地层厚度占全井的34.5%，但钻井时间占全井钻井周期的80%，见图1。由此可见，元坝提速关键在于提高下沙溪庙以深地层机械钻速。但是由于地层研磨性强、可钻性差，蹩跳钻严重，PDC钻头一直未得到推广应用。为此，引进加拿大阿特拉公司的扭力冲击器配合PDC钻头在陆相地层进行试验。

EM1655SE钻头技术优势

针对川东北元坝地区陆相下沙溪庙、千佛崖、自流井组地层特点，武汉亿斯达工具有限公司专门设计了EM1655SE型PDC钻头（见图2），它采用五刀翼设计、16mm切削齿，在切削结构和水力结构的优化设计以及切削齿材料的选用上做出了较大的改进。

针对性的布齿设计 针对下沙溪庙、千佛崖和自流井地层可钻性差、软硬夹层交错变化频繁的特点，采用力平衡布齿设计，使钻头整体受力动态平衡，把PDC切削齿在井底承受的侧向不平衡力控制在一个极小的范围内，极大地提高了钻头在井底的工作稳定性。同时采用渐开线螺旋布齿，使同一刀翼上的切削齿依次接触地层，使切削齿以更加平稳的方式切削地层（图3）。在常规设计中为保证切削齿具有一定寿命，其切削角一般为20°、25°、30°，钻头吃入地层的能力差，攻击性不强，影响机械钻速。在优选更耐磨、耐冲击的PDC切削齿的基础上，采用渐变切削角度设计，将切削角改为10°、15°、20°、25°、30°依次从钻头中心向外侧保径部分逐渐增加，既加强了肩部以内切削齿吃入地层的能力，又能使肩部以外的切削齿具有较强的抗冲击性，从而使钻头能获得较高的机械钻速和寿命。

    等切削轮廓设计  一般而言，PDC钻头不同部位的切削齿磨损情况不同，往往内锥部分还是完好的，但外侧肩部已经出现较大的磨损，即使是在同一部位，也会出现不同的磨损量，见图6。为了能够使相同部位的切削齿具有相同的磨损量，尽可能的延长切削齿的使用寿命，在保持原有钻头轮廓对地层攻击性的基础上，采用等切削设计。运用切削结构力学分析软件优化钻头轮廓设计，使钻头的内锥、鼻部至肩部、保径，各区域切削齿后倾角的变化与其所受钻压分配相适应，与钻头扭矩匹配，对于易磨损的钻头鼻部、肩部位置采用了等切削功设计，提高了钻头的稳定性，使钻头在鼻部、肩部位置的切削齿具有更长的使用寿命。图4是经过优化设计后的切削齿的切削功和切削力曲线，从曲线上可以看出，在钻头的外侧肩部的切削齿的切削功、切削力基本处于同一水平，做到了等切削功设计，避免了切削齿的过早磨损。

水力结构优化设计  元坝陆相深部地层砂泥岩互层，导致PDC钻头经常发生泥包现象。分析其原因，除了地层岩性、泥浆性能等外部原因外，钻头本身水力结构设计是否合理也是一个重要的的因素。为了得到最佳的喷嘴布置参数和流道形状设计，采用了计算流体力学（CFD）技术来对井底流场进行有限元仿真模拟优化计算。通过CFD模拟优化，一方面使井底流场具有流畅的流线形态，使钻井液可以及时将岩屑带离井底，防止钻头泥包和岩屑滞留井底产生的重复破碎（图5）；另一方面，采用CFD技术对流经切削齿的钻井液的湍动能进行优化控制，保证每一颗切削齿都能得到充分的清洗和冷却，有效的延长切削齿寿命。

现场应用 效果显著

应用井段选择 元陆703井是部署在四川盆地川东北九龙山背斜东南翼近轴部的一口开发评价井，目的层是须家河组三段，设计井深4907m，垂深4395m。该井下沙溪庙、千佛崖组地层岩性以泥岩为主，夹灰色泥质粉砂岩、细砂岩，可钻性级值5～7，属中硬地层，选择EM1655SE型PDC钻头在该地层应用，井眼尺寸为Φ215.9mm，设计使用井段为3070～3600m。

钻具组合设计  针对地层特点，设计采用塔式钻具组合，确保防斜打直，并配备随钻震击器，预防卡钻。钻具组合：Φ215.9mm钻头+钻具止回阀+Φ177.8mm无磁钻铤×1根+Φ177.8mm钻铤×6根+随钻震击器+Φ177.8mm钻铤×3根++旁通阀1只+Φ127mm加重钻杆36根+Ф139.7mm斜坡钻杆，钻井参数设计见表2。 

现场应用 该钻头的使用分为两个阶段，第一阶段钻进井段为3063.91～3142.72m，钻遇地层为下沙溪庙。下钻至井底后循环30min清洗井底，然后以5～10kN钻压进行井底钻头造型，接着以正常递增钻压方式开始钻进，为保证井身质量，将钻压控制在20～40kN，该段进尺78.81m，纯钻时间115h，平均机械钻速0.69m/h。

第二阶段钻进井段为3142.72～3589.43m，钻遇地层为下沙溪庙、千佛崖、自流井，进入自流井组约159m。此阶段经过测斜后将钻压逐渐增加至60～100kN正常钻进，该段进尺446.71m，纯钻时间223h，平均机械钻速2.00m/h。

该钻头在钻进至造斜点后因需要更换钻具组合而起钻，起出后发现新度为75%，切削齿磨损均匀。该钻头总进尺525.52m，平均机械钻速1.55m/h，具体使用数据见表3。

应用效果分析  由于下沙溪庙～自流井组地层硬度较高，前期主要以使用牙轮钻头为主，随着扭力冲击器的引进，开始使用扭力冲击器配合进口专用PDC钻头钻进。邻井元坝6井和元陆10井与元陆703井最近，距离分别为3.6km和8.4km，对三口井的钻头使用情况进行分析。

从表4中可以看出，元坝6井钻进同样井段，累计使用7只钻头，平均单只钻头进尺仅63m，平均机械钻速0.85m/h，元陆10井使用过KM1622DGR PDC钻头，进尺达到158.66m；而应用EM1655SE钻头，单次入井进尺525.52m，与使用牙轮钻头相比，进尺增加7倍以上，钻速提高近1倍，减少起下钻次数6趟以上，大大提高了纯钻时效，见图7。

EM1655SE型PDC钻头较好的解决了元坝陆相地层常规钻井机械钻速低、进尺短的难题，在显著增加回次进尺的同时，提高了机械钻速。

鉴于元坝应用扭力冲击器配合PDC钻头取得了一定的提速效果，建议开展EM1655SE型PDC钻头配合国产扭力冲击器的入井提速试验。