影響PDC鉆頭在定向井中性能的原因分析

　   1 定向井PDC鉆頭研制的目的及意義
　　PDC鉆頭在砂巖和泥巖地層機(jī)械鉆速高、鉆頭工作壽命長(zhǎng)、耐高溫能力強(qiáng)于牙輪鉆頭，同樣適合定向井、水平井施工?，F(xiàn)在PDC鉆頭已成為油氣鉆井的主力鉆頭。但在定向井作業(yè)中，常出現(xiàn)初始造斜困難、方位不穩(wěn)、鉆頭偏移趨勢(shì)增加、鉆頭進(jìn)尺緩慢等現(xiàn)象。在影響PDC鉆頭定向鉆進(jìn)能力的因素中，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)尤為關(guān)鍵。決定著定向造斜是否成功，穩(wěn)斜階段能否保持平穩(wěn)鉆進(jìn)。
　　研究PDC鉆頭不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)定向鉆進(jìn)的影響，找出影響PDC鉆頭定向鉆進(jìn)中不穩(wěn)定的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性因素，為定向井PDC鉆頭的設(shè)計(jì)提供一種依據(jù)，讓PDC鉆頭在定向鉆進(jìn)中發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)，提高定向鉆井速度，降低鉆井成本是一項(xiàng)有待解決的問(wèn)題。
　　PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)變化多，設(shè)計(jì)靈活性大，對(duì)地層和使用條件敏感性很強(qiáng)。因而，針對(duì)特定地層和使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)是PDC鉆頭的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)長(zhǎng)慶油田鄂爾多斯盆地的地層特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)適合該地層的定向井PDC鉆頭。
　　2 影響PDC鉆頭在定向井中性能的原因分析
　　2.1 PDC鉆頭漂移的因素分析 在數(shù)十年的石油鉆井中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鉆頭的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。牙輪鉆頭一般向右偏轉(zhuǎn)，PDC鉆頭一般向左偏轉(zhuǎn)。1986年，Perry[1]在泰國(guó)灣用五種類(lèi)型的PDC鉆頭做了一個(gè)關(guān)于鉆頭漂移超過(guò)200組實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)鉆頭的鉆進(jìn)趨勢(shì)不但受到鉆頭切削剖面影響，還受到操作參數(shù)影響，例如鉆壓和轉(zhuǎn)速。Perry得出結(jié)論，鉆頭鉆進(jìn)趨勢(shì)不會(huì)受到鉆頭保徑長(zhǎng)度的影響。
　　鉆頭的偏移可能受到許多因素的影響。在給定的特定鉆進(jìn)條件下確定鉆頭的向左偏移還是向右便宜是非常困難的。在定向鉆進(jìn)中，僅僅了解鉆頭的偏移趨勢(shì)是不夠的，鉆頭偏移率尤其重要，它是鉆頭偏移力和鉆頭轉(zhuǎn)向率作用的結(jié)果。正偏移速率代表鉆頭向右偏移，負(fù)移位速率代表鉆頭向左偏移。模擬上述不同情況下鉆頭偏移的機(jī)理需要完全理解在定向鉆進(jìn)中鉆頭/地層的相互作用。
　　鉆頭的定向行為主要受鉆頭的導(dǎo)向能力和漂移角度影響。對(duì)于定向要求設(shè)計(jì)的鉆頭必須要考慮到定向系統(tǒng)的應(yīng)用。鉆頭的導(dǎo)向能力和鉆頭本身的能力相對(duì)應(yīng)，依從于橫向和軸向的力，初始進(jìn)行橫向的偏移。鉆頭的導(dǎo)向能力被定義為橫向鉆進(jìn)能力和軸向鉆進(jìn)能力的比值。
　　在定向系統(tǒng)造斜控制中另外的重要因素是鉆頭的旋轉(zhuǎn)軸線和井眼軌跡切線的夾角，主要是被定向系統(tǒng)控制的：包括旋轉(zhuǎn)底部鉆具組合，導(dǎo)向組合或定向系統(tǒng)。鉆井系統(tǒng)的定向性能是一個(gè)鉆頭定向響應(yīng)和定向系統(tǒng)力學(xué)性能（側(cè)向力以及鉆頭偏移影響）的復(fù)雜的匹配，同時(shí)還有可能得巖石-地層影響（夾層巖石或頁(yè)巖巖層）。
　　綜上所述可以得出幾個(gè)有意義的結(jié)論：①牙輪鉆頭一般向右偏轉(zhuǎn)，PDC鉆頭一般向左偏轉(zhuǎn)。②地層各向異性影響鉆頭鉆進(jìn)趨勢(shì)。③保徑長(zhǎng)度或外部輪廓的長(zhǎng)度對(duì)PDC鉆頭的鉆進(jìn)趨勢(shì)有很大的影響，隨著保徑長(zhǎng)度和外部剖面長(zhǎng)度的增加，鉆頭在造斜時(shí)PDC鉆頭向左的偏移趨勢(shì)增加。④鉆頭的導(dǎo)向能力和PDC鉆頭的漂移角的評(píng)估顯得十分重要。⑤PDC鉆頭在過(guò)大的水平井中可能向右偏移。⑥綜合應(yīng)用鉆頭和巖石作用模型和BHA力學(xué)模型來(lái)解決問(wèn)題效果良好。
　　2.2 地層各向異性因素分析 PDC鉆頭從軟地層鉆入硬地層，或從硬地層鉆入軟地層是形成井眼扭曲的主要成因?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐顯示，井眼扭曲引發(fā)高扭矩和過(guò)大的拉力、下套管問(wèn)題、扶正器磨損、套管破損以及軌道控制問(wèn)題。在一些油田，泥質(zhì)巖的形成導(dǎo)致井身向不符合要求的方向偏移。
　　現(xiàn)在通用的做法是將三維的BHA模型跟三維鉆頭—巖石作用模型結(jié)合，可在小范圍（小扭曲度）和大范圍（大扭曲度）內(nèi)預(yù)測(cè)由于各向異性產(chǎn)生的扭曲度，評(píng)估各種定向鉆井系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、導(dǎo)向馬達(dá)、或者可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)）的反應(yīng)。
　　地層各向異性所產(chǎn)生的偏移分為兩種情況。最初的偏移源于鉆頭和巖石的相互作用。試驗(yàn)和理論結(jié)果解釋了保徑長(zhǎng)度、鉆頭剖面和傾角如何影響偏移。另一個(gè)偏移源于不同的扶正器穿過(guò)原有的扶正器位置時(shí)。 　　扶正器的數(shù)量和位置、BHA特性以及鉆頭導(dǎo)向性對(duì)于這些偏移有很大的影響。一些鉆井實(shí)例的顯示，對(duì)于考慮地層各向異性在內(nèi)的鉆井條件而言，可以選擇最佳鉆井系統(tǒng)以降低井眼扭曲度。
　　地層各向異性能調(diào)整巖石和鉆頭及鉆頭和鉆柱的相互作用，因此有必要研究地層各向異性對(duì)鉆井系統(tǒng)定向特性的影響。PDC鉆頭在鉆入頁(yè)巖或者硬夾層時(shí)，偏移的首要原因是由于切削齒和鉆頭相互作用以及鉆頭和巖石相互作用。
　　PDC鉆頭在一塊各向同性的巖石上鉆進(jìn)時(shí)，所有的切削齒都相似地切削相同的巖石，那么就不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力，鉆頭本身的不平衡力除外。但當(dāng)鉆頭從軟地層鉆入硬地層或者從硬地層鉆入軟地層時(shí)，在軟硬分界面鉆進(jìn)過(guò)程中，一些齒切削硬地層而其他的切削軟地層，就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)側(cè)向力的產(chǎn)生。圖1描述了當(dāng)鉆頭鉆入軟硬交錯(cuò)地層時(shí)的兩種情況。在左圖中，鉆頭正在造斜，冠部上的切削齒吃入堅(jiān)硬地層，其他切削齒切削軟地層，則鉆頭向左偏移。右圖描述了鉆頭從硬地層向軟地層中鉆進(jìn)，它可能向右偏移。
　　當(dāng)PDC鉆頭遇到堅(jiān)硬的碎石時(shí)，偏移情況就復(fù)雜的多了。堅(jiān)硬的碎石可能隨意的分布在地層中。下圖顯示當(dāng)肩部切削齒沖擊非常堅(jiān)硬的巖石時(shí)，鉆頭可能向左偏移。但是如果是鉆頭的錐部切削齒沖擊相同的巖石時(shí)，鉆頭可能的向右偏移。
　　鉆頭除了受巖石的各向異性產(chǎn)生的側(cè)向力外，一般還受井筒上的側(cè)向力。當(dāng)鉆頭偏移的時(shí)候，井筒給鉆頭施加一個(gè)側(cè)向力，以使鉆頭回到垂向的位置。只要鉆頭只是垂直地鉆過(guò)軟地層，井筒上就不可能產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力，但是當(dāng)它切削硬地層的時(shí)候，各向異性的側(cè)向力就產(chǎn)生了，并使它偏移。大多情況表明，（同巖石層列無(wú)關(guān)，無(wú)論是從軟到硬還是從硬到軟），開(kāi)始時(shí)鉆頭朝軟地層偏移，而后向硬地層運(yùn)動(dòng)。
　　鉆頭在軟地層中鉆進(jìn)，鉆壓保持相對(duì)恒定。然而，當(dāng)鉆頭開(kāi)始侵入硬地層中時(shí)（一些切削齒開(kāi)始侵入），鉆壓增加且不居中并產(chǎn)生了一個(gè)彎矩使鉆頭朝向硬地層旋轉(zhuǎn)。這個(gè)彎矩的作用是輕微抵消側(cè)向力的作用的。一旦切削齒結(jié)構(gòu)完全在硬地層中時(shí)，鉆壓就穩(wěn)定和居中了。
　　側(cè)向力和硬地層和軟地層的地層傾角大小有關(guān)。當(dāng)鉆過(guò)一個(gè)高地層傾角的界面時(shí)，鉆頭在鉆穿界面時(shí)停留的時(shí)間越長(zhǎng)，越能產(chǎn)生更多側(cè)向力力和偏移。
　　巖石的層序（軟到硬或者硬到軟）同樣影響側(cè)向力和偏移。從硬到軟鉆進(jìn)中產(chǎn)生較少的影響和偏移。當(dāng)鉆頭開(kāi)始接觸軟地層的時(shí)候，保徑仍然在硬地層中，難以產(chǎn)生偏移。
　　頁(yè)巖巖石和夾層巖石對(duì)鉆頭影響不同的根源在于側(cè)向力。對(duì)于夾層巖石，側(cè)向力在局部產(chǎn)生，而對(duì)于頁(yè)巖來(lái)說(shuō)，只要鉆頭在巖石里，側(cè)向力就一直產(chǎn)生。因此，鉆頭在頁(yè)巖鉆進(jìn)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更大范圍的影響。
　　現(xiàn)場(chǎng)資料表明[2]，用相同的BHA鐘擺錘初始垂直鉆進(jìn)，稍后在井深60m的時(shí)候鉆入頁(yè)巖，地層傾角為45°。鉆壓5ton，鉆頭的特性為Bs=0.05，Wa=12°。當(dāng)僅僅鉆進(jìn)100m的時(shí)候，井斜角急劇地增加到11°。
　　在頁(yè)巖巖層中鉆進(jìn)時(shí)，同樣會(huì)對(duì)BHA的曲率平衡產(chǎn)生影響。配套的鉆頭的特性如下：Bs=0.05，Wa=12°。BHA 的平衡曲率為-2.75°/30m（降斜）。在井深62m時(shí)， BHA在各向同性的地層中鉆進(jìn)突然遇到地層傾角是45°頁(yè)巖層的井斜變化。BHA的平衡曲率從-2.75°/30m到1.64°/30m。表明巖石的各向異性改變了定向系統(tǒng)的性能。
　　2.3 PDC鉆頭振動(dòng)因素及提高穩(wěn)定性措施 鉆頭的振動(dòng)形式主要有回旋振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及軸向振動(dòng)。鉆頭的回旋主要指鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不再是鉆頭的幾何中心，而是鉆頭的保徑，這種現(xiàn)象稱為渦動(dòng)。鉆頭渦動(dòng)時(shí)，由于它的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不斷變化，切削齒可能橫向甚至向后切削井底巖石，引起PDC鉆頭切削齒刃尖崩刃或者復(fù)合片成塊狀剝落，從而加快齒的磨損，縮短鉆頭的壽命。鉆頭產(chǎn)生渦動(dòng)主要是有作用在鉆頭上的側(cè)向力不平衡引起的。
　　影響鉆頭渦動(dòng)的因素主要有以下幾種：①鉆頭本身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向力。外錐越長(zhǎng)，保徑越粗糙，則容易渦動(dòng)。②地層的各向異性，例如鉆頭從軟地層鉆入硬地層或者從硬地層鉆入軟地層時(shí)受側(cè)向力的作用，則容易渦動(dòng)。③鉆井參數(shù)的影響，如轉(zhuǎn)速越高，越易渦動(dòng)。
　　通過(guò)合理的布齒設(shè)計(jì)，可控制鉆頭側(cè)向力的大小。設(shè)計(jì)低摩擦保徑塊減小鉆頭與井壁的接觸力也能減輕鉆頭的渦動(dòng)。引起鉆頭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素主要有兩個(gè)：一個(gè)是切削齒切削巖石使鉆具承受扭轉(zhuǎn)力，另一個(gè)鉆具和井壁之間有摩擦。當(dāng)扭轉(zhuǎn)力和摩擦力達(dá)到一定數(shù)值，鉆頭發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，鉆頭出現(xiàn)卡滑現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)大時(shí)小，甚至靜止不動(dòng)，或反向旋轉(zhuǎn)。PDC切削齒承受很大的沖擊載荷，加速了切削齒的磨損甚至引起金剛石層脫落。
　　軸向振動(dòng)是鉆頭在軸線方向上上下振動(dòng)，稱為“跳鉆”。軸向振動(dòng)使切削齒的切深時(shí)大時(shí)小，能引起扭矩波動(dòng)，使切削齒承受受沖擊載荷。
　　目前來(lái)說(shuō)，提高PDC鉆頭穩(wěn)定性和切削效率的措施主要有以下幾種：①不平坦的鉆頭冠部形狀；②鉆頭冠部深內(nèi)錐設(shè)計(jì)；③低摩阻保徑設(shè)計(jì)；④軌徑布齒設(shè)計(jì)；⑤力平衡設(shè)計(jì)；⑥螺旋狀刀翼設(shè)計(jì)；⑦刀翼非均勻布置設(shè)計(jì)；⑧保徑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；⑨大排屑槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；{10}低密度切削齒布置設(shè)計(jì)；{11} 混合切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。