一、引言
近年来国内外各油田钻井提速工作取得了很大进展，随着pdc钻头的推广，钻井工艺的日益完善，常规井的钻井周期不断被刷新，为了取得更大的经济效益，各油田开始针对定向井，水平井开发新的钻井工艺。在此契机下，特殊井使用的pdc钻头，如定向井钻头，水平井钻头也开始了研发起步。
定向井是使井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的层的钻井方法。其剖面主要有分三类：垂直段、造斜段、稳斜段。水平井是定向井的一种，一般的油井是垂直或倾斜贯穿油层，通过油层的井段比较短。而水平井是在垂直或倾斜地钻达油层后，井筒转达接近于水平，以与油层保持平行，得以长井段的在油层中钻进直到完井。
由于pdc钻头的切削方式，导致其在定向时产生的反扭矩过大，工具面不稳定，造斜率不一致，定向钻头针对以上特点，改进了钻头造型并增加特殊设计来改善钻头产品造斜效果和机械钻速。
二、钻头设计
1.结构设计
1.1 短保径设计
改进钻头定向钻进性能的途径是以减少钻头扭矩为基础的[1]。由于pdc钻头的切削方式决定了其扭矩的大部分来自钻头表面对岩石的切削，但也有一部分由于规径块与井壁的接触摩擦造成的。理论上通过缩短钻头规径，会使井壁的摩擦扭矩减少，也可以优化钻头的侧切力。我们将定向钻头规径尺寸缩短到正常规径的一般以上。减小钻头的总长度，使钻头的切削表面和规径块离井底马达扶正器的距离更近。在定向钻井理论中[2]，钻头钻出的井眼轨迹圆弧取决于井底钻具与井壁的三个接触点。缩短第一接触点（钻头规径块）到井底马达扶正器的距离，钻井系统的潜在造斜能力将会增加。
我们通过缩短规径长度，实地调研改变接头结构使用短接头，在保障扣型不变的前提下，缩短接头钳口尺寸，从而达到减小钻头总长度的目的。
1.2 加强保径设计
短于正常长度的规径可能导致钻头稳定性的下降，并使其耐磨性有所降低。为此我们采用增加近工作面保径齿和规径面规径齿密度，通过这两种方式保证定向钻头保径的抗磨损性不会因为缩减尺寸而减弱。
文献研究[3]，采用低攻击性的保径设计可以显著改善钻头稳定性。因此在强化短保径设计过程中应调整规径齿出露，强化保径延长使用寿命的基础上，进而改善钻头的稳定性。
1.3 刀翼平滑过渡
在直井作业中，pdc钻头刀翼底部倒角可以提高复合片出露高度，也能够增加岩屑过流面积，提高机械钻速。但定向、水平井施工过程中，钻头倾斜钻进，此处倒角形成凸台，阻碍了钻头的钻进。特殊井pdc钻头取消倒角，同时采用大螺旋保径结构，在不增加规径长度的情况下可以有效的增加钻头与井壁的瞬时接触范围，进而提高钻头钻进中的平稳性。
2.布齿设计
特殊井钻头定向段和水平段钻进时，钻头在特殊位置受力不均导致特殊部位磨损严重，这将导致切削齿早期磨损，影响钻头整体性能。经过对使用过的钻头进行分析也证明了这一点，大部分特殊井钻头使用后都是肩部和保径等部位切削齿过度损坏导致钻头报废。为此我们通过在调整径向布齿分布，增加局部布齿密度，优化特殊部位布齿角度等手段，增强特殊井pdc钻头的抗磨损性能，提高钻头使用寿命。
3.切削深度控制
经过研究发现，钻头稳定性越好，保持钻头工作面的方位越容易。为了强化特殊井定向钻头工具面控制能力，在保证钻头进攻性的基础上，有效的控制钻头的反扭矩是控制钻具柔性进而控制工具面的最有效方法。切削深度控制即有效的控制切削齿出露钻头体的高度（吃入地层深度），控制切削量，使钻头在一定的扭矩下完成岩石切削[4]。一旦超出目标深度，钻头体的承载面与井底接触时，钻压会陡然升高，而扭矩则会呈线性增长。因此在钻头切削齿后部适当位置增设稳定块或支撑柱，从而控制切削齿吃入地层的深度，进而控制钻头产生的反扭矩大小，能够有利的控制钻头钻进的进攻性和平稳性。
4.力平衡设计
根据“力平衡原则”，横向不平衡力控制在较低范围内，可以显著降低由钻头的切削作用引起的井下振动[5]。常规钻头只要将径向不平衡力与钻压的比调整到2%以内即可满足普通直井工况的使用。对于特殊井钻头，在设计开发时严格控制在1%以内，最大限度保证钻头钻进时的平稳性。
三、特殊井pdc钻头应用效果分析
按照以上方法设计的特殊井pdc钻头在海南和长庆油田多口使用，效果十分理想。8 1/2"md6521l钻头于2009年5月18日在海南福山油田白莲构造渤海钻探钻井一公司50649b队施工的莲3-2x中使用，所钻层位主要为涠三段、流一段、流二段。
8 1/2"md6521l钻头先后两次入井，首次由2288米钻进至2702米，机械钻速达18.40米；二次下井由 2780米定向至3157米，进尺377米，定向用时43.5小时，滑动20小时，平均机械钻速达6.06米/时。与临井莲3-2x1井使用的其他pdc钻头相比，进尺提高了17%，机械钻速提高了41.7%。与同井段牙轮钻头相比，进尺是牙轮钻头的10.3倍，机械钻速是牙轮的2.6倍。该钻头进尺及机械钻速与同井位相同井段的其它厂家钻头相比有大幅度提高，可以缩短钻井周期，节约钻井成本。
在长庆油田的苏里格气田中，8 1/2 md6633钻头使用效果亦十分明显。在50672队施工的桃7-17-18h水平井使用，8 1/2 md6633自井深2717米先后三次入井，在定向段钻头累计进尺482米，至3199米起出，纯钻时间121.5小时，平均机械钻速4.01米/小时。钻头起出肩部及保径齿正常磨损，新度70%；在桃7-17-15h井使用效果突出，进尺较高，机械钻速达到了6.05 m/h。由于定向仪器原因起出，起出后钻头复合片轻微磨损，起出钻头新度达95%，可再次下井。该钻头使用中工作平稳，滑动钻时仅占纯钻的17.7%，井斜由入井时20.74度增加到46.67度。
结论
1.提出了针对特殊井应用的pdc钻头全新的设计新理念，提升了国内钻头的设计水平。
2.特殊井pdc钻头比常规钻头的使用效果突出，钻头进尺和机械钻速都有大幅度提高，显著缩短了钻井周期，经济效益明显。
3.从广泛的现场使用情况来看，特殊井pdc钻头在定向井，水平井中使用效果很好，明显的缩短了整个钻井周期，降低了钻井成本，建议在各大油田特殊井推广使用。