定向钻井技术

偏心钻头

偏心钻头，也称为摆式钻头或离心力钻头，是一种特殊设计的钻头，其切削部分不位于钻头的中心轴线上，钻头轴心线周围的钢体或胎体呈不对称分布，使钻头中心偏离轴心线。这种设计使得钻头在旋转时具有离心力，从而实现一些特殊的钻孔效果。

偏心钻头几何参数：

偏心钻头是领眼、扩眼中心和通径中心不重合，通径是钻头下入井眼所满足的条件，扩眼则是钻头所需扩大的尺寸，领眼起导向作用。所以，全面偏心钻头由下述四个变量决定 (见图1)：偏心钻头 的几何形状由4个参数确定．即所钻井眼直径 D=2Lad、待遇扩井眼直径N=2Lbd=2Lbc、导眼直径P=2Lav、扩眼弧度所对半角(翼角的半角θ)。“双心”是指钻头有两个中心轴线．即扩眼中心轴(a点)和待扩眼中心轴(b点)。两个中心的距离为偏心度．则：

E=L_ab=L_be—L_aeae=(N —P)／2 (1)

通常已知待扩井眼直径、所钻井眼直径及扩眼钻头周长，求出导眼直径为 ：2L_ae=2L_be+2L_bc-2L_ac (2)

或 P=N +[N 一(Dsinθ²)]^/2 一Dcosθ (3)

偏心PDC钻头之所以能够钻出直径比钻头公称直径较大一些的井眼，是因为偏心钻头的旋转轴线不是钻头的对称轴线，只要偏心PDC钻头的偏心度尽可能的大，钻头体与地层的接触良好，保证旋转轴线是偏心钻头的轴线，就可以钻出直径较大的井眼。

由于上述 4个设计参数相互关联，改变一个尺寸将影响其它尺寸 。图 2所示的是在给定所钻井跟直径和待扩井眼直径条件下增大导眼直径对扩眼翼角的影响。如图 2(a)，导眼直径大导致扩眼翼角小；图 2(b)，扩眼翼角大导致导眼直径小。要增大偏心钻头的扩眼效果，普通方法是导眼直径与待扩眼直径的起迄点(图1中的e点)开一个排屑槽，这样就可有效地降导眼直径．增大扩眼直径。

偏心钻头设计原理：

偏心钻头其设计原理主要是采用双心钻头设计方法。即先确定钻头最大扩眼直径，再根据扩眼偏心块处于通径内的原则。调整偏移值，保径领眼直径足够大，有更大的布齿面积，结构见图3、图4。钻头设计的有关尺寸为：钻头公称尺寸、钻头旋转轴线与钻柱轴线偏移值(钻头偏移值是根据盐层初次蠕变量的大小来考虑的)、切削部分制成两同心不等径切面，小半径和大半径。这种偏心PDC钻头对于易缩径的盐层能提供较大的环空,使水泥环厚度增大，可以改善细长套管柱的固井质量。

偏心钻头的结构特点：

1).偏心切削件为热稳定三角形聚晶金刚石，主要用于中硬、中等研磨性的地层；

偏心其切削齿为聚晶金刚石复合片，用于软至中硬地层。

2).偏心钻头切削齿的金刚石晶粒之间靠C-C键连接，接触剂已滤析掉，能承受钻硬地层由于磨擦而产生的高温,耐热1200℃。另外，此种类型的钻头． 切削齿如同PDC钻头一样剪切岩石，在较硬地层带有更多的犁切作用，领眼部分采用高/低压水道，利于

钻头的清洗。

3).偏心钻头冠部形状为双锥形，保持钻进中的方向稳定性，也使钻头与井底接触面积增大,切削齿增加可提高单只钻头寿命和机械钻速；而偏心PDC的领眼体和扩眼体采用抛物线剖面，可使载荷均匀分配在每一个PDC切削齿上,更多地发挥复合片的剪切破碎作用。

4).钻头胎体为碳化钨烧结体，抗温、抗水力冲蚀能力强j领眼和扩眼部分排屑槽衔接好，领眼钻头中心有一个较大水眼．保证钻井液流经整个切削面。

5).钻头翼部侧面有高密度切削齿，为确保扩眼井径规则，增强保径能力，在侧翼最好镶嵌天然金刚石耐磨齿。

偏心钻头的优点：

1)．钻进中防卡效果显著。在盐岩层和膨胀性页岩层中尤为成功。

2)．提高了小井眼固井质量；偏心钻头钻出比名义尺寸偏大的井眼，可使套管顺利下入；同时,套管与井眼的环空间隙增大，可以提高固井时的顶替排量，提高固井质量。

3)．定向井中定向造斜能力无不利影响。

4). 在深井硬地层，偏心钻头与牙轮钻头相比 机械钻速高，进尺多寿命长，综合经济效益显著。