特殊井PDC鉆頭的研制與應(yīng)用

  一、引言

 　　近年來國內(nèi)外各油田鉆井提速工作取得了很大進展，隨著PDC鉆頭的推廣，鉆井工藝的日益完善，常規(guī)井的鉆井周期不斷被刷新，為了取得更大的經(jīng)濟效益，各油田開始針對定向井，水平井開發(fā)新的鉆井工藝。在此契機下，特殊井使用的PDC鉆頭，如定向井鉆頭，水平井鉆頭也開始了研發(fā)起步。
　　定向井是使井身沿著預(yù)先設(shè)計的井斜和方位鉆達目的層的鉆井方法。其剖面主要有分三類：垂直段、造斜段、穩(wěn)斜段。水平井是定向井的一種，一般的油井是垂直或傾斜貫穿油層，通過油層的井段比較短。而水平井是在垂直或傾斜地鉆達油層后，井筒轉(zhuǎn)達接近于水平，以與油層保持平行，得以長井段的在油層中鉆進直到完井。
　　由于PDC鉆頭的切削方式，導(dǎo)致其在定向時產(chǎn)生的反扭矩過大，工具面不穩(wěn)定，造斜率不一致，定向鉆頭針對以上特點，改進了鉆頭造型并增加特殊設(shè)計來改善鉆頭產(chǎn)品造斜效果和機械鉆速。
　　二、鉆頭設(shè)計
　　1.結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　1.1 短保徑設(shè)計
　　改進鉆頭定向鉆進性能的途徑是以減少鉆頭扭矩為基礎(chǔ)的[1]。由于PDC鉆頭的切削方式?jīng)Q定了其扭矩的大部分來自鉆頭表面對巖石的切削，但也有一部分由于規(guī)徑塊與井壁的接觸摩擦造成的。理論上通過縮短鉆頭規(guī)徑，會使井壁的摩擦扭矩減少，也可以優(yōu)化鉆頭的側(cè)切力。我們將定向鉆頭規(guī)徑尺寸縮短到正常規(guī)徑的一般以上。減小鉆頭的總長度，使鉆頭的切削表面和規(guī)徑塊離井底馬達扶正器的距離更近。在定向鉆井理論中[2]，鉆頭鉆出的井眼軌跡圓弧取決于井底鉆具與井壁的三個接觸點。縮短第一接觸點（鉆頭規(guī)徑塊）到井底馬達扶正器的距離，鉆井系統(tǒng)的潛在造斜能力將會增加。
　　我們通過縮短規(guī)徑長度，實地調(diào)研改變接頭結(jié)構(gòu)使用短接頭，在保障扣型不變的前提下，縮短接頭鉗口尺寸，從而達到減小鉆頭總長度的目的。
　　1.2 加強保徑設(shè)計
　　短于正常長度的規(guī)徑可能導(dǎo)致鉆頭穩(wěn)定性的下降，并使其耐磨性有所降低。為此我們采用增加近工作面保徑齒和規(guī)徑面規(guī)徑齒密度，通過這兩種方式保證定向鉆頭保徑的抗磨損性不會因為縮減尺寸而減弱。
　　文獻研究[3]，采用低攻擊性的保徑設(shè)計可以顯著改善鉆頭穩(wěn)定性。因此在強化短保徑設(shè)計過程中應(yīng)調(diào)整規(guī)徑齒出露，強化保徑延長使用壽命的基礎(chǔ)上，進而改善鉆頭的穩(wěn)定性。
　　1.3 刀翼平滑過渡
　　在直井作業(yè)中，PDC鉆頭刀翼底部倒角可以提高復(fù)合片出露高度，也能夠增加巖屑過流面積，提高機械鉆速。但定向、水平井施工過程中，鉆頭傾斜鉆進，此處倒角形成凸臺，阻礙了鉆頭的鉆進。特殊井PDC鉆頭取消倒角，同時采用大螺旋保徑結(jié)構(gòu)，在不增加規(guī)徑長度的情況下可以有效的增加鉆頭與井壁的瞬時接觸范圍，進而提高鉆頭鉆進中的平穩(wěn)性。
　　2.布齒設(shè)計
　　特殊井鉆頭定向段和水平段鉆進時，鉆頭在特殊位置受力不均導(dǎo)致特殊部位磨損嚴(yán)重，這將導(dǎo)致切削齒早期磨損，影響鉆頭整體性能。經(jīng)過對使用過的鉆頭進行分析也證明了這一點，大部分特殊井鉆頭使用后都是肩部和保徑等部位切削齒過度損壞導(dǎo)致鉆頭報廢。為此我們通過在調(diào)整徑向布齒分布，增加局部布齒密度，優(yōu)化特殊部位布齒角度等手段，增強特殊井PDC鉆頭的抗磨損性能，提高鉆頭使用壽命。
　　3.切削深度控制
　　經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，鉆頭穩(wěn)定性越好，保持鉆頭工作面的方位越容易。為了強化特殊井定向鉆頭工具面控制能力，在保證鉆頭進攻性的基礎(chǔ)上，有效的控制鉆頭的反扭矩是控制鉆具柔性進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齒出露鉆頭體的高度（吃入地層深度），控制切削量，使鉆頭在一定的扭矩下完成巖石切削[4]。一旦超出目標(biāo)深度，鉆頭體的承載面與井底接觸時，鉆壓會陡然升高，而扭矩則會呈線性增長。因此在鉆頭切削齒后部適當(dāng)位置增設(shè)穩(wěn)定塊或支撐柱，從而控制切削齒吃入地層的深度，進而控制鉆頭產(chǎn)生的反扭矩大小，能夠有利的控制鉆頭鉆進的進攻性和平穩(wěn)性。
　　4.力平衡設(shè)計
　　根據(jù)“力平衡原則”，橫向不平衡力控制在較低范圍內(nèi)，可以顯著降低由鉆頭的切削作用引起的井下振動[5]。常規(guī)鉆頭只要將徑向不平衡力與鉆壓的比調(diào)整到2%以內(nèi)即可滿足普通直井工況的使用。對于特殊井鉆頭，在設(shè)計開發(fā)時嚴(yán)格控制在1%以內(nèi)，最大限度保證鉆頭鉆進時的平穩(wěn)性。
　　三、特殊井PDC鉆頭應(yīng)用效果分析
　　按照以上方法設(shè)計的特殊井PDC鉆頭在海南和長慶油田多口使用，效果十分理想。8 1/2"MD6521L鉆頭于2009年5月18日在海南福山油田白蓮構(gòu)造渤海鉆探鉆井一公司50649B隊施工的蓮3-2X中使用，所鉆層位主要為潿三段、流一段、流二段。
　　8 1/2"MD6521L鉆頭先后兩次入井，首次由2288米鉆進至2702米，機械鉆速達18.40米；二次下井由 2780米定向至3157米，進尺377米，定向用時43.5小時，滑動20小時，平均機械鉆速達6.06米/時。與臨井蓮3-2X1井使用的其他PDC鉆頭相比，進尺提高了17%，機械鉆速提高了41.7%。與同井段牙輪鉆頭相比，進尺是牙輪鉆頭的10.3倍，機械鉆速是牙輪的2.6倍。該鉆頭進尺及機械鉆速與同井位相同井段的其它廠家鉆頭相比有大幅度提高，可以縮短鉆井周期，節(jié)約鉆井成本。
　　在長慶油田的蘇里格氣田中，8 1/2 MD6633鉆頭使用效果亦十分明顯。在50672隊施工的桃7-17-18H水平井使用，8 1/2 MD6633自井深2717米先后三次入井，在定向段鉆頭累計進尺482米，至3199米起出，純鉆時間121.5小時，平均機械鉆速4.01米/小時。鉆頭起出肩部及保徑齒正常磨損，新度70%；在桃7-17-15H井使用效果突出，進尺較高，機械鉆速達到了6.05 m/h。由于定向儀器原因起出，起出后鉆頭復(fù)合片輕微磨損，起出鉆頭新度達95%，可再次下井。該鉆頭使用中工作平穩(wěn)，滑動鉆時僅占純鉆的17.7%，井斜由入井時20.74度增加到46.67度。
　　結(jié)論
　　1.提出了針對特殊井應(yīng)用的PDC鉆頭全新的設(shè)計新理念，提升了國內(nèi)鉆頭的設(shè)計水平。
　　2.特殊井PDC鉆頭比常規(guī)鉆頭的使用效果突出，鉆頭進尺和機械鉆速都有大幅度提高，顯著縮短了鉆井周期，經(jīng)濟效益明顯。
　　3.從廣泛的現(xiàn)場使用情況來看，特殊井PDC鉆頭在定向井，水平井中使用效果很好，明顯的縮短了整個鉆井周期，降低了鉆井成本，建議在各大油田特殊井推廣使用。