PDC鉆頭配套鉆井技術(shù)初探

PDC鉆頭發(fā)展簡況
　　PDC鉆頭從20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用以來，由于混合工藝與制造工藝的變化，當(dāng)今的切削齒的質(zhì)量性能要好得多，使鉆頭的抗沖蝕以及抗沖擊能力都大為提高。特別是對碳化鎢基片與人造金剛石之間的界面進行了優(yōu)化，以提高切削齒的韌性。層狀金剛石工藝方面的革新也被用于提高PDC鉆頭抗磨蝕性和熱穩(wěn)定性。
　　最初，PDC鉆頭只能被用于軟頁巖地層中，原因是硬的夾層會損壞鉆頭。但由于新技術(shù)的出現(xiàn)以及結(jié)構(gòu)的變化，目前PDC鉆頭已用于鉆硬夾層和長段的硬巖地層了。由于鉆頭設(shè)計和齒的改進，PDC鉆頭的可定向性也隨之提高。PDC鉆頭主要由鉆頭體、切削齒、噴嘴、保徑面和接頭等組成。
PDC鉆頭主要類型
　　2.1根據(jù)鉆頭體材料分類
　　a胎體式PDC鉆頭。胎體式金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭是將金剛石復(fù)合片通過釬焊方式焊接在鉆頭胎體上的一種切削型鉆頭。
　　b鋼體式PDC鉆頭。鋼體PDC鉆頭，是用鎳、鉻、鉬合金機械加工成形。
　　2.2 根據(jù)適用行業(yè)分類
　　a地質(zhì)勘探用復(fù)合片鉆頭。主要用于地質(zhì)勘察勘探的復(fù)合片鉆頭，適用于軟到中硬巖層。
　　b煤田鉆采用復(fù)合片鉆頭。主要是用于煤礦上煤層鉆探采挖。
　　c石油勘探用復(fù)合片鉆頭。主要是應(yīng)用在油氣田的鉆采鉆頭。目前來說，油田用復(fù)合片鉆頭是所有復(fù)合片鉆頭里面造價最高，要求最高的。
PDC鉆頭配套設(shè)備
　　目前PDC鉆頭配套設(shè)備主要有井下動力鉆具、水力設(shè)備等。
　　3.1井下動力鉆具配合PDC鉆頭鉆井技術(shù)
　　井下動力鉆具配合高效PDC鉆頭，輔之以轉(zhuǎn)盤的組合鉆井方法，稱為復(fù)合鉆井技術(shù)。目前常用的井下動力鉆具主要包括渦輪鉆具和螺桿鉆具。
　　3.1.1渦輪鉆具
　　目前與PDC鉆頭配套使用的主要是配置減速器的中高和中低速組合渦輪鉆具。減速器渦輪鉆具主要由渦輪節(jié)、軸承節(jié)和減速器三部分組成。其中，減速器是渦輪鉆具的核心部件，主要作用是將渦輪節(jié)產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)速、低扭矩轉(zhuǎn)換成為鉆頭的中低轉(zhuǎn)速、大扭鴰。減速器渦輪鉆具的特點是：高轉(zhuǎn)速大扭鴰、壓降小、可減輕地面循環(huán)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；對油基鉆井液不敏感，適合在高密度鉆井液中工作；沒有像膠件，存放時間不受限制，最高工作溫度可達150-250度。而PDC鉆頭以切削方式破巖，工作時需要的鉆壓小，轉(zhuǎn)速高、能量低的特點，正好與渦輪鉆具的輸出特性相匹配。所以，利用渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速特性，配合壽命長、效率高的PDC鉆頭，再輸之以轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進，可以獲得較高的機械鉆速和較多的鉆井進尺。
　　3.1.2螺桿鉆具
　　螺桿鉆具是典型的容積式馬達，由旁通閥、動力段、萬向軸、傳動軸等四部分組成。螺桿鉆具具有高轉(zhuǎn)速、大扭鴰的特性，其過載能力強，易操作，結(jié)構(gòu)較簡單，鉆具也較短。此外，由于螺桿鉆具叫壓降小，對地面泵站要求不高。復(fù)合鉆井是螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速可以為PDC鉆頭高切削速度提供井下動力保障，既可以不增加鉆柱旋轉(zhuǎn)幅度提高鉆頭轉(zhuǎn)速，大大增加單位時間內(nèi)鉆頭對地層的切削次數(shù)，從而達到提高鉆井效率的目的。
　　3.2水力設(shè)備
　　3.2.1水力加壓器。水力加壓器是借助于高壓鉆井液作用在活塞上下端而上的壓力差來產(chǎn)生壓力，并通過伸縮桿傳遞給鉆頭，連續(xù)不斷地使活塞和鉆頭往下移動而形成機械進尺。實際上，水力加壓器是利用循環(huán)泵的液壓能轉(zhuǎn)化為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，能夠改變在鉆井過程中僅靠下部鉆鋌的重力給鉆頭施加鉆壓的方式，使鉆頭與鉆柱中的其他部分的連接變?yōu)槿嵝赃B接，將鉆鋌給予鉆頭剛性加壓變?yōu)橐毫θ嵝约訅?，克服剛性加壓的弊端，從而達到高速度、高質(zhì)量、低成本鉆井的目的。
　　3.2.2水力脈沖發(fā)生器。水力脈沖發(fā)生器鉆井是在脈沖射流基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型鉆井設(shè)備。目前在我國水力脈沖發(fā)生器處于現(xiàn)場試驗階段，還未末現(xiàn)場大規(guī)模使用。中國石油大學(xué)設(shè)計的水力脈沖空化發(fā)生器黃買41#1799米硬砂巖地層中配合PDC鉆頭進行鉆井實踐，與英買323井機同層段相比，其機械鉆速提高了22.64%。同樣，在英買39、341井和輪南632井的鉆井試驗部取得了較好的效果。另外，在川東北地區(qū)元壩12井、馬101井也進行了水力脈沖發(fā)生器配合牙輪鉆頭的鉆進試驗，鉆速比常規(guī)鉆進提高15.6%。從現(xiàn)場的應(yīng)用效果來看，該技術(shù)具有較大的推廣應(yīng)用價值。
　　3.2.3井下水力增壓器。早在70年代初美國便開始了超高壓射流鉆井的試驗研究，他們利用地面增壓設(shè)備把整個鉆井液的奔放提高到105MPa，試驗結(jié)果表明，機械鉆速可以提高2-3倍。但由于循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備大部分要承受如此大的高壓，以及人員的安全問題，使其未能獲得實際應(yīng)用。
　　3.3其他井下設(shè)備
　　扭力沖擊發(fā)生器是美國阿特拉集團旗下的加拿大UD鉆頭公司發(fā)明設(shè)計的，是一種安裝于鉆鋌和PDC鉆頭之間的管狀工具。扭力沖擊發(fā)生器在國內(nèi)外各油田的應(yīng)用還比較少。川東北地區(qū)元壩10井在3165.3-3387米井段硬質(zhì)砂巖地層使用TorkBuster+UD-PDC鉆頭，平均機械鉆速為3.66m/h，比轉(zhuǎn)盤鉆井提高65%。
PDC鉆頭鉆進配套技術(shù)研究
　　加強低壓降、大扭鴰、高效率動力鉆具的研究，增加現(xiàn)有動力鉆具的尺寸系列和品牌，以提高動力鉆具的鉆進能力和機械鉆速；加強對動力鉆具的易損件替代材料及使用壽命的研究，以提高鉆具的有效使用壽命，滿足鉆井技術(shù)不斷發(fā)展的需求，降低鉆井綜合成本；加強對水力脈沖發(fā)生器等水力設(shè)備作用查理和使用壽命的研究，增加現(xiàn)場鉆井實踐應(yīng)用，以促進水力設(shè)備配合PDC鉆頭鉆進技術(shù)的發(fā)展；完善硬地層PDC鉆頭配套鉆井工藝，改善配套設(shè)備鉆井條件，降低設(shè)備制造成本，以提高鉆井的綜合經(jīng)濟效益；加強硬地層復(fù)合鉆井專用PDC鉆頭的研制，以滿足硬地層高效鉆進的需求；加強對動力鉆具+水力設(shè)備配合PDC鉆頭鉆進技術(shù)的研究，有效利用機械能量和水力能量，以達到水力機械聯(lián)合高效破巖的效果。
結(jié)束語
　　硬地層鉆井過程中使用動力鉆具、水力設(shè)備等配合PDC鉆頭鉆進，可有效提高鉆井速度，降低鉆井成本。目前國內(nèi)硬地層鉆井中多采用螺桿鉆具配合PDC鉆頭鉆進，但國內(nèi)螺桿鉆具的制造工藝和使用壽命仍有一定差距，需加強研究。動力鉆具+水力設(shè)備配合PDC鉆頭鉆進技術(shù)可以有效利用機械能量和水力能量，應(yīng)加強使用機理的研究和現(xiàn)場鉆井應(yīng)用實踐。應(yīng)完善各種配套鉆井工藝，研制專用配套PDC鉆頭，提高鉆井綜合效益。