试验结果表明，在埋藏很深和高密度钻井液条件下，牙轮钻头牙齿的压
入力比常压下增加10倍以上，而破碎体积减小2～3倍以上。
6
三、深井超深井提速钻井技术
塔里木油田某井吉迪克组泥岩在不同围压条件下的破碎力和破碎体积
围压(MPa) 破碎力(Kg) 破碎力增加比例 破碎体积(mm3) 0 30.5 ----15.24 10 38.9 27.5% 14.7 15 43.0 41.0% 14.0 20 84.2 176.1% 13.6 25 137.1 349.5% 11.9 30 151.0 395.1% 9.74 35 163.0 434.4% 8.57 40 247.0 809.8% 7.19 45 319.0 945.9% 6.84
；钢体表面硬化处理技术。不仅提高了PDC钻头的机械钻速和寿命，也扩大了适用范围
。 新型PDC钻头有：热稳聚晶金刚石(TSP)钻头，PDC+TSP混合齿钻头，PDC+金刚石
孕镶块混合齿钻头，金刚石强化镶齿牙轮钻头。
11
三、深井超深井提速钻井技术
Security DBS公司开发的FM3000设计平台
PDC钻头设计模型
22
三、深井超深井提速钻井技术
（3）孕镶PDC钻头技术
FM2000i
Ti3000B
Ti3000
Ti3000P
23
三、深井超深井提速钻井技术

深部井段致密的泥板岩、砂岩等难钻地层，在高密度钻井液条件下机械
钻速很慢。针对这类地层，以直径0.5～1mm左右的小颗粒人造金刚石孕
镶钻头配合高速涡轮钻具(800～1000rpm)以磨削或微切削的方式来破碎 岩石，反而比转盘配合牙轮钻头钻井的机械钻速要高得多。
G447XL G447XL FM2643BMZ
飞仙关
嘉一 长兴组 嘉二3～长兴
409.47
447.80 958.07 947.00
114.31
111.17 446.30 251.70
3.58
4.03 2.15 3.76
20
三、深井超深井提速钻井技术
8-1/2” FM2643BMZ钻头使用后图片
21
15
三、深井超深井提速钻井技术
例：柏灵顿石油公司在四川娇60-1B井、娇60-2和娇64B三口井8-1/2“井段使 用Security DBS 具有硬地层设计技术的PDC钻头，该钻头与63/4“NaviDrill螺杆钻具配合使用。与邻井相比，机械钻速提高了一倍，节 省了两趟起下钻，共节约了7天的钻井时间，柏灵顿公司在四川钻的11口井 中使用8-1/2”钻头综合指标最好的钻头。使用钻头型号： 8-1/2” FM3755ZR 、FM3843ZR
100%
73.5%
Φ311.1
40
20
11.09
7.99
0.67
316.6.
0.42
42%
41.6%
Φ444.5
50
20
16.44
3.56
0.35
178.0
0.11
11%
17.5%
5
三、深井超深井提速钻井技术
(2)深部井段硬塑性泥岩、砂岩、硬石膏等难钻地层的机械钻速非常低 (仅为0.3
～0.5m/h左右)
地层：马安山组、东岳庙组、珍珠冲组、香溪组 8-1/2” FM3755ZR在柏灵顿石油公司使用统计
井号 娇60-1B 娇64B 娇64B 钻头 型号 8-1/2“FM3755ZR 8-1/2"FM3755ZR 8-1/2"FM3843ZR 钻头 厂家 XJDBS XJDBS XJDBS 井段 m 2665.00~2905.00 2962.00~3286.84 3286.84~3561.06 进尺 m 240.00 324.84 274.22 钻速 m/h 2.70 1.68 1.74
命更长。
金刚石保径：在保径部分增加了金刚石保径齿，增强保径部分的 抗研磨性。
10
三、深井超深井提速钻井技术
（2） PDC钻头技术 在较软地层和非研磨地层，越来越多地使用了PDC钻头，几乎取代了三
牙轮钻头。
在相同条件下PDC钻头可提高机械钻速33％—100％成本降低30％-50％ ，单只钻头进尺可增加3-4倍。 比较先进的PDC钻头设计技术有：抗回旋钻头设计；混合布齿设计：稳定性设计
由于上覆盖地层岩石的压力和高密度钻井液的作用，使泥岩及泥质胶结
的砂岩等岩性变得致密和坚硬，但塑性比灰岩要高。
这类地层，无论是牙轮钻头还是PDC钻头，目前钻进速度均很低，一般
在1m/h以下(有些地层在0.5m/h以下)。
下表给出了塔里木油田某井深部井段吉迪克组泥岩在不同围压条件下牙
轮钻头的牙齿压入所需破碎力和破碎体积随围压增加的变化情况。
36591
100%
140～180
6.48～ 8.34 5.78～ 7.71 4.05～ 5.40
70
453.6～583.6
100%
75999
208%
180～240
70
404.6～539.7
89.2%～92.5%
155100
424%
180～240
70
283.5～378
62.5%～64.8%
4
三、深井超深井提速钻井技术
破碎体积减小比例
-----
3.5%
8.1%
10.8%
21.9%
36.1%
43.8%
52.8%
55.1%
u
此外，在不同地区深井的深部井段常遇到坚硬硅质和铁质胶结的
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
石英砂和石英岩、硅质石灰岩和硅质白云岩，这些地层钻井速度也很
慢，常导致井径缩小，划眼时间长。
u
7
三、深井超深井提速钻井技术
（3）小直径井眼(小于6″)钻速慢
（1）大直径井眼钻速慢
大直径井眼(17-1/2″和12-1/4″井眼)，钻井深度一般在2000～4400m左
右，大直径井眼的钻井速度明显低于8-1/2″井眼。
如塔里木油田东秋5井，17-1/2″井段1500m左右，就用了55只牙轮钻头，
平均单只钻头进尺只有30m左右，平均机械钻速仅0.5m/h。
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三、深井超深井提速钻井技术
娇60-1B井8-1/2″FM3755ZR PDC钻头磨损照片
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三、深井超深井提速钻井技术
娇64B井8-1/2″FM3755ZR PDC钻头磨损照片
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三、深井超深井提速钻井技术
天东井区12-1/8”钻头使用统计
使
井号 钻头型号 层位
用
m
井
段
进尺 m 356.55 631.44 624.61
度，缩短钻井周期有直接影响。 美国等发达国家的钻头研制和使用水平
较高，钻头平均进尺较多，机械钻速较高，可供优选的钻头系列也较丰 富。如： （1）牙轮钻头技术
Houghes公司生产的ATJ、ATM型密封滑动镶齿喷射式三牙轮钻头，平均进尺超过 1000m，平均钻时为300h。 smith公司生产的加长喷嘴牙轮钻头，其机械钻速比常规牙轮钻头提高28％，最多可 达70％-80％；组合喷嘴牙轮钻头提高钻速2.6％-55.2％，钻井成本下降7.3%-45.1%。
纯钻
h
钻速
m/h
天东96井 天东99 天东97X
G447XL G447XL BD506六翼
嘉陵江 嘉陵江 雷口坡
2612.85－2969.40 2397.46－3028.90 1821.39－2446.00
176.80 169.83 160
2.02 3.72 3.90
天东108
天东98井
G406六翼
不同直径钻头在2500m井深条件下的水力能量对比
钻头 尺寸 排 量 (L/S) 泵 压 (MPa) 循环压耗 (MPa) 钻头可用 压降(MPa) 返速 (m/S) 水功率 (KW) 比水功率 (KW/cm) ) 比水功 率比值 水功率 利用率
Φ215.9
25
20
5.3
14.7
1.04
367.2
1.00
大直径井眼钻速慢的主要原因是机械能量和水力能量不足，明显比 8-
1/2″井眼要低得多。
下表给出了不同直径钻头钻进一米的破岩体积与所能提供的机械能量
和水力能量对比。可以看出，17-1/2″井眼钻头破岩的机械能量仅为81/2″井眼钻头的62.5%～64.8%，比水功率仅为8-1/2″井眼的11%。
天东107井 G447XL
飞一
3038.00 －4308.72 3726.34－4098.30 4159.63 －4197.15 3305.00 －3752.80 3289.15 －4247.22 2864.00 －3811.00
565.58
2.25
天东74井
天东82井 天东96井 天东98井
G447XL
FM3643BM Z
雷口坡
雷口~嘉四1
2375.92－2882.00
2149.42－2609.100
506.08
459.68
138
71.83
3.67
6.40
19
三、深井超深井提速钻井技术
天东井区8-1/2”钻头使用统计
使 井号 钻头型号 层位 用 m 井 段 进尺 m 1270.72 纯钻 h 钻速 m/h
3
三、深井超深井提速钻井技术
444.5mm、311.1mm和215.9钻头单位破岩体积及常用钻压和转速对比
钻头 尺寸 破岩体积 (cm3/m) 比值 钻 压(KN) 单位钻压 (KN/cm2) 转 速 (rpm) 机械能量 (KN/cm2 rpm) 比 值