侧钻开窗PDC钻头的个性化设计

1 套管开窗过程及钻头受力分析

    套管开窗是一个非常复杂的过程。在上部钻柱的驱动下（旋转和施压），既要受斜向器的导斜面的支撑，还要不断地切削套管，而且切削面还在不断的变化。

    钻头在开窗的过程中，一边沿着斜向器的导斜面下滑，另一侧切削套管。由于斜向器的倾斜角度的变化以及钻头在套管上所处的位置的不同，钻头与套管壁接触的部位也在变化。

    对这三个过程中第一阶段（钻头切入套管）和第二阶段（钻头全尺寸开窗切削套管）进行了受力分析。利用其分析结果，可以为钻头的设计提供指导和依据。

2 PDC开窗钻头的个性化设计

    钻头的设计包括剖面设计、布齿设计、流道设计等。由于开窗钻头具有独特的受力特性和切削要求，因此在参考常规地层PDC钻头的设计经验基础上，针对开窗钻头进行了个性化设计。

    2.1 钻头剖面的设计

    钻头的剖面设计直接影响钻头的以下性能：钻头的稳定性、导向性、布齿密度、钻头寿命、ROP、清晰和冷却效果。因此钻头的剖面设计是钻头设计中最重要的一个环节。剖面设计主要就是设计合适的锥面角度、鼻部曲面、肩部、外径曲面以及保径，如图1所示。

图1 钻头剖面形状

    (1)锥面设计。国际钻井承包商协会(IADC)将PDC钻头冠部形状归纳为四种基本类型，即平底型、浅锥型、中锥型和长锥型。锥面浅时，钻头导向性强，清洗效果好，攻击性强，但是稳定性差，金刚石覆盖率低；锥面越深，稳定性越高，中心区域的金刚石覆盖率越大，但是导向性不好，清洗效果不好，攻击能力低。对于开窗PDC钻头来说，需要较强的导向性，同时清洗效果也要求较高，攻击性越强越好。因此，开窗PDC钻头的设计中要求使用浅锥面。

    (2)鼻部设计。鼻部的结构主要由两个参数来决定：离中心的距离L和半径大小R。R值越大，通过大的表面面积来达到很好的抗冲击能力，适合在硬且夹层多的地层中使用。鼻部与中心距离小可提供给肩部更大的表面面积和布齿密度，适合软质、研磨性强的地层。鼻部与保径部位距离近可给钻头冠部提供更大冠面面积，从而获得更好的冲击能力，适合比较硬的地层。对于开窗钻头来说，由于切削套管需要比较大的抗冲击能力，因此R值和L值都要选得大一些。由于钻头绝大部分处于全尺寸开窗阶段，因此在这一段上应该尽可能多地增加布齿密度，所以L值也应该适当增大，以提供给冠部更大的冠面面积和布齿密度。