PDC鉆頭在定向井中的應用

一、對PDC鉆頭的分析
　　
　　PDC鉆頭于20世紀70年代投入應用。在過去的30年中，大量的技術進步使PDC鉆頭在鉆頭市場上占有重要份額，而且其份額還在不斷增長。例如2000年時PDC鉆頭的鉆井進尺約占總進尺的26%，而到2003年PDC鉆頭的鉆井進尺約占總進尺的50%。
　　PDC鉆頭水馬力、切削件和動態(tài)穩(wěn)定性的改進導致PDC鉆頭的機械鉆速和壽命大幅度增長。過去，PDC鉆頭只限于鉆軟到中硬地層，不能鉆研磨性地層。今天，大量的發(fā)明和技術突破使PDC鉆頭的鉆速更快、鉆井質(zhì)量更好而且鉆井深度更深，其應用范圍也擴大到硬地層和研磨性地層。
　　1．聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭的材料。聚晶金剛石復合片是以金剛石粉為原料加入粘結劑在高溫高壓下燒結而成。由于聚晶金剛石內(nèi)晶體間的取向不規(guī)則，不存在單晶金剛石所固有的解理面，所以PDC的抗磨性及強度高于天然金剛石且不易破碎。但由于多種材料的存在，熱穩(wěn)定性較差，同時脆性較強，不能經(jīng)受沖擊載荷。后來隨著PDC鉆頭的技術進步使得聚晶金剛石薄片與碳化鎢圓片接觸面的幾何形狀有了改進，使PDC鉆頭的熱穩(wěn)定極限也由原先的7000C提高到11500C。
　　 2．聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭的結構。與牙輪鉆頭不同，PDC鉆頭沒有運動部件。按鉆頭體材料及切削齒結構把PDC鉆頭分為胎體及鋼體兩類。胎體鉆頭的鉆頭體用碳化鎢制成，再將復合片直接焊接在本體；鋼體鉆頭的鉆頭體用整塊的合金鋼加工而成，再將復合片焊接在碳化鎢材料齒柱上制成切削齒，然后將切削齒鑲嵌在鉆頭體上。
　　 3．PDC鉆頭的水力結構。PDC鉆頭的結構取決于很多因素，如鉆進能力（鉆速）、水馬力、導向能力和耐磨性等。鉆頭與地層作用的結構分為3部分：切削結構，主動保徑和被動保徑。PDC鉆頭的鉆進能力無疑是影響鉆井成本最重要的因素。PDC鉆頭切削件的特性、后耙角、切削件排布、切削件的數(shù)量和尺寸是影響鉆頭鉆進能力的主要參數(shù)。通常，減小切削件的后耙角可以提高鉆速，但切削件的抗沖擊能力下降。要根據(jù)所鉆地層和鉆井條件選擇切削件的數(shù)量和尺寸。PDC鉆頭采用水眼供給鉆井液，通過切削齒的排列分配鉆井液的方式保證切削齒的清洗、冷卻和潤滑。PDC鉆頭有刮刀式、單齒式和組合式三種排列及分布方式。
　　 4．PDC鉆頭的工作原理。PDC鉆頭工作原理和刮刀鉆頭基本相同。
　?。?）PDC鉆頭在鉆進某些硬地層時，在鉆壓作用下壓入巖石，使與金剛石接觸的巖石處于極高的應力狀態(tài)而使巖石呈現(xiàn)塑性。
　　（2）在塑性（或巖石在應力作用下呈塑性)地層，金剛石吃入地層并在鉆頭扭矩的作用下使前方的巖石內(nèi)部發(fā)生破碎或塑性流動，脫離巖石基體，形成巖屑。
　?。?）在脆性較大的巖石中，在鉆壓和扭矩作用下所產(chǎn)生的應力使巖石表現(xiàn)為脆性破碎，即屬于以剪力和張力破壞巖石。這種情況下金剛石鉆頭的破巖速度較高，巖石破碎的體積遠大于金剛石吃入后位移的體積。
　　 （4）在堅硬巖石中，由于金剛石本身強度的限制，較大粒度金剛石上的鉆壓不足以使巖石內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形。所以一般均采用細顆粒的金剛石制成孕鑲式金剛石鉆頭來鉆進，其特點是要靠金剛石的棱角實現(xiàn)微切削、刻劃等方式來破碎巖石。這樣分離出來的巖屑基本上是粒度很細的粉末，鉆頭的工作效率和壽命均很低。
　　 5．PDC鉆頭的使用。今天，專用PDC鉆頭的設計主要取決于要鉆巖層的特性。因此，利用鄰井的測井資料研究鉆遇巖層的類型是至關重要的。地層的機械和物理性能（抗壓強度、研磨性和孔隙壓力）是影響選擇鉆頭的主要因素。綜合PDC鉆頭以上特點，我們在使用PDC鉆頭時要注意以下問題:
　?。?）PDC鉆頭的材料決定了其熱穩(wěn)定性較差，所以在選擇PDC鉆頭時要盡量選擇少翼多噴嘴類，以確保鉆頭能夠及時被冷卻，而且不易造成鉆頭泥包，從而提高鉆頭機械鉆速和延長鉆頭使用壽命。
　　 （2） 在適合PDC鉆頭鉆進的相應地層使用，即在中硬或呈脆性硬巖層中才更能體現(xiàn)出PDC鉆頭的優(yōu)越性。
　　 （3）PDC鉆頭的工作原理和刮刀鉆頭基本相同，所以鉆壓不能過大，要嚴格按照PDC鉆頭使用說明執(zhí)行。
　　
　　二、PDC鉆頭在以往定向井中存在的問題
　　
　　1．方位和井斜變化。在無棣、樁西、孤島等地區(qū)以往的定向井施工中，在同樣的地層條件和使用相同的鉆具組合時，PDC鉆頭表現(xiàn)出比使用牙輪鉆頭方位更容易漂移的現(xiàn)象。
　　 PDC鉆頭一般要求使用較低的鉆壓，較高的轉速。在現(xiàn)場使用時，PDC鉆頭使用的鉆壓一般為同尺寸牙輪鉆頭的20%～40%。以Ф216mm鉆頭為例，三牙輪鉆頭使用的鉆壓范圍為120～200KN；而PDC鉆頭使用的鉆壓范圍為20～80KN。由于鉆壓的差異，同一鉆具結構，采用牙輪鉆頭鉆進與采用PDC鉆頭鉆進時的使用效果大相徑庭。使用同樣的鉆具組合，在使用牙輪鉆頭時，表現(xiàn)為增斜效果，但在使用PDC鉆頭時，卻往往表現(xiàn)出降斜效果。施工經(jīng)驗表明：采用PDC鉆頭鉆進時，性能不穩(wěn)定，對鉆進參數(shù)比較敏感，常出現(xiàn)大幅降斜的情況。
　　 2．鉆頭進尺。由于PDC鉆頭本身的一些特性，造成在定向井中井斜、方位控制方面的問題，所以在現(xiàn)場定向井多使用牙輪鉆頭。而牙輪鉆頭壽命不夠長，進尺少，增加了起下鉆次數(shù)，影響了整個施工進度，尤其是在東營組至沙河街組比較適合PDC鉆頭鉆進的井段。而且頻繁的起下鉆延長泥漿對油氣層的浸泡時間，對油氣層損害比較嚴重，影響對油氣的開采。
　　3．鉆機負荷問題。PDC鉆頭是利用巖石抗剪強度較低的特點，采用高強度的聚晶金剛石復合片為切削元件，以切削方式來破碎巖石的。由于整只鉆頭無活動件，鉆進中鉆機負荷較重。特別是在井較深或井斜角較大時，這種情況會更嚴重，可能導致鉆具扭斷、脹扣、倒扣等事故發(fā)生。
　　
　　三、定向井中采用PDC鉆頭相應的改進技術
　　
　　1．下部鉆具組合。隨著鉆井技術的發(fā)展，動力鉆具和無線隨鉆技術相繼投入到鉆井生產(chǎn)中，這給定向井的施工帶來很大的方便。現(xiàn)場現(xiàn)在多使用的定向鉆具組合為：鉆頭+動力鉆具+回壓閥+定向接頭+無磁鉆鋌+加重鉆桿+普通鉆桿。這樣我們就可以隨時掌握井眼的井斜和方位情況，從而及時調(diào)整鉆進參數(shù)，保證井眼軌跡。也解決了PDC鉆頭在定向井中應用的一大難題。
　　2．PDC鉆頭的應用解決了牙輪鉆頭進尺少的問題。由于館陶組下部為厚層狀底礫巖，東營組至沙河街組多為砂巖和泥頁巖，所以根據(jù)地層情況，在使用牙輪鉆頭鉆穿館陶組進入東營組之后，開始下入PDC鉆頭，直至完鉆，這樣可以大大節(jié)省鉆進時間，提高機械鉆速。
　　3．利用動力鉆具復合鉆，可以減輕鉆機負荷問題。