元壩氣田主力氣藏埋深超過6500m，是中國埋藏最深的海相氣田。陸相地層厚度大，平均厚度約4800m，巖性致密、硬度高、非均質性強，機械鉆速低，特別是下沙溪廟組以深地層，硬度高，可鉆性極差，鉆頭合理選型困難。針對陸相致密非均質性硬地層，開展個性化鉆頭設計，應用針對性的布齒設計、等切削輪廓設計、水力結構優化等先進設計理念，研制出EM1655SE型PDC鉆頭。在元陸703井應用，它較好地克服了陸相地層硬度高、軟硬交錯的影響，進尺和機械鉆速均獲得大幅提高。
元壩陸相地層對鉆頭要求高
元壩氣田位于四川省廣元、南充和巴中市境內，長興組主力氣藏埋深超過6500m，是中國石化繼發現國內最大海相整裝氣田普光氣田之后，在四川盆地發現的又一個大型海相氣田，探明天然氣地質儲量超過1500×108m3。但是，元壩地區陸相深部地層硬度高、研磨性強、可鉆性差，成為制約元壩鉆井提速的瓶頸井段。
元壩陸相上沙溪廟組以淺地層應用氣體鉆井技術實現提速突破，而下沙溪廟組及以深地層巖性砂、泥巖互層，軟硬變化大，鉆頭使用不穩定;砂巖多為硅質膠結，巖性致密、硬度大、研磨性強、可鉆性級值平均約在6級以上，最高8級，巖層可鉆性極差;地層對鉆頭磨損嚴重，而且由于地層不穩定，井壁易發生掉快、垮塌現象，導致氣體鉆井無法實施;應用常規鉆井機械鉆速低，平均機械鉆速低于1m/h，單只鉆頭進尺僅66m，見表1。下沙溪廟以深地層厚度占全井的 34.5%，但鉆井時間占全井鉆井周期的80%。由此可見，元壩提速關鍵在于提高下沙溪廟以深地層機械鉆速。但是由于地層研磨性強、可鉆性差，蹩跳鉆嚴重，PDC鉆頭一直未得到推廣應用。為此，引進加拿大阿特拉公司的扭力沖擊器配合PDC鉆頭在陸相地層進行試驗。
EM1655SE鉆頭技術優勢
針對川東北元壩地區陸相下沙溪廟、千佛崖、自流井組地層特點，武漢億斯達工具有限公司專門設計了EM1655SE型PDC鉆頭(見圖2)，它采用五刀翼設計、16mm切削齒，在切削結構和水力結構的優化設計以及切削齒材料的選用上做出了較大的改進。
針對性的布齒設計 針對下沙溪廟、千佛崖和自流井地層可鉆性差、軟硬夾層交錯變化頻繁的特點，采用力平衡布齒設計，使鉆頭整體受力動態平衡，把PDC切削齒在井底承受的側向不平衡力控制在一個極小的范圍內，極大地提高了鉆頭在井底的工作穩定性。同時采用漸開線螺旋布齒，使同一刀翼上的切削齒依次接觸地層，使切削齒以更加平穩的方式切削地層(圖3)。在常規設計中為保證切削齒具有一定壽命，其切削角一般為20°、25°、30°，鉆頭吃入地層的能力差，攻擊性不強，影響機械鉆速。在優選更耐磨、耐沖擊的PDC切削齒的基礎上，采用漸變切削角度設計，將切削角改為10°、15°、20°、25°、30°依次從鉆頭中心向外側保徑部分逐漸增加，既加強了肩部以內切削齒吃入地層的能力，又能使肩部以外的切削齒具有較強的抗沖擊性，從而使鉆頭能獲得較高的機械鉆速和壽命。
等切削輪廓設計 一般而言，PDC鉆頭不同部位的切削齒磨損情況不同，往往內錐部分還是完好的，但外側肩部已經出現較大的磨損，即使是在同一部位，也會出現不同的磨損量，見圖6。為了能夠使相同部位的切削齒具有相同的磨損量，盡可能的延長切削齒的使用壽命，在保持原有鉆頭輪廓對地層攻擊性的基礎上，采用等切削設計。運用切削結構力學分析軟件優化鉆頭輪廓設計，使鉆頭的內錐、鼻部至肩部、保徑，各區域切削齒后傾角的變化與其所受鉆壓分配相適應，與鉆頭扭矩匹配，對于易磨損的鉆頭鼻部、肩部位置采用了等切削功設計，提高了鉆頭的穩定性，使鉆頭在鼻部、肩部位置的切削齒具有更長的使用壽命。圖4是經過優化設計后的切削齒的切削功和切削力曲線，從曲線上可以看出，在鉆頭的外側肩部的切削齒的切削功、切削力基本處于同一水平，做到了等切削功設計，避免了切削齒的過早磨損。
水力結構優化設計 元壩陸相深部地層砂泥巖互層，導致PDC鉆頭經常發生泥包現象。分析其原因，除了地層巖性、泥漿性能等外部原因外，鉆頭本身水力結構設計是否合理也是一個重要的的因素。為了得到最佳的噴嘴布置參數和流道形狀設計，采用了計算流體力學(CFD)技術來對井底流場進行有限元仿真模擬優化計算。通過CFD模擬優化，一方面使井底流場具有流暢的流線形態，使鉆井液可以及時將巖屑帶離井底，防止鉆頭泥包和巖屑滯留井底產生的重復破碎(圖5);另一方面，采用CFD技術對流經切削齒的鉆井液的湍動能進行優化控制，保證每一顆切削齒都能得到充分的清洗和冷卻，有效的延長切削齒壽命。
現場應用 效果顯著
應用井段選擇 元陸703井是部署在四川盆地川東北九龍山背斜東南翼近軸部的一口開發評價井，目的層是須家河組三段，設計井深4907m，垂深4395m。該井下沙溪廟、千佛崖組地層巖性以泥巖為主，夾灰色泥質粉砂巖、細砂巖，可鉆性級值5～7，屬中硬地層，選擇EM1655SE型PDC鉆頭在該地層應用，井眼尺寸為 Φ215.9mm，設計使用井段為3070～3600m。
鉆具組合設計 針對地層特點，設計采用塔式鉆具組合，確保防斜打直，并配備隨鉆震擊器，預防卡鉆。鉆具組合：Φ215.9mm鉆頭+鉆具止回閥+Φ177.8mm無磁鉆鋌×1根+Φ177.8mm鉆鋌×6根+隨鉆震擊器+Φ177.8mm鉆鋌×3根++旁通閥1只+Φ127mm加重鉆桿36根+Ф139.7mm斜坡鉆桿，鉆井參數設計。
現場應用 該鉆頭的使用分為兩個階段，第一階段鉆進井段為3063.91～3142.72m，鉆遇地層為下沙溪廟。下鉆至井底后循環30min清洗井底，然后以 5～10kN鉆壓進行井底鉆頭造型，接著以正常遞增鉆壓方式開始鉆進，為保證井身質量，將鉆壓控制在20～40kN，該段進尺78.81m，純鉆時間 115h，平均機械鉆速0.69m/h。
第二階段鉆進井段為3142.72～3589.43m，鉆遇地層為下沙溪廟、千佛崖、自流井，進入自流井組約159m。此階段經過測斜后將鉆壓逐漸增加至60～100kN正常鉆進，該段進尺446.71m，純鉆時間223h，平均機械鉆速2.00m/h。
該鉆頭在鉆進至造斜點后因需要更換鉆具組合而起鉆，起出后發現新度為75%，切削齒磨損均勻。該鉆頭總進尺525.52m，平均機械鉆速1.55m/h，具體使用數據。
應用效果分析 由于下沙溪廟～自流井組地層硬度較高，前期主要以使用牙輪鉆頭為主，隨著扭力沖擊器的引進，開始使用扭力沖擊器配合進口專用PDC鉆頭鉆進。鄰井元壩6井和元陸10井與元陸703井最近，距離分別為3.6km和8.4km，對三口井的鉆頭使用情況進行分析。
從表4中可以看出，元壩6井鉆進同樣井段，累計使用7只鉆頭，平均單只鉆頭進尺僅63m，平均機械鉆速0.85m/h，元陸10井使用過 KM1622DGR PDC鉆頭，進尺達到158.66m;而應用EM1655SE鉆頭，單次入井進尺525.52m，與使用牙輪鉆頭相比，進尺增加7倍以上，鉆速提高近1 倍，減少起下鉆次數6趟以上，大大提高了純鉆時效。
EM1655SE型PDC鉆頭較好的解決了元壩陸相地層常規鉆井機械鉆速低、進尺短的難題，在顯著增加回次進尺的同時，提高了機械鉆速。
鑒于元壩應用扭力沖擊器配合PDC鉆頭取得了一定的提速效果，建議開展EM1655SE型PDC鉆頭配合國產扭力沖擊器的入井提速試驗。
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