新型定向井PDC鉆頭的研制與應用

楊波 徐聰(中海油田服務股份有限公司 深圳 518067)

前言

隨著石油業(yè)的進一步發(fā)展，定向鉆井技術(shù)的應用范圍也越來越大。實踐證明，定向井技術(shù)是提高石油勘探開發(fā)效率的有效技術(shù)之一，而PDC鉆頭以其自身的性能優(yōu)勢，在定向井鉆井中發(fā)揮出越來越重要的作用。PDC鉆頭與牙輪鉆頭相比，具有更高的機械鉆速和更長的使用壽命，因此在石油鉆井中得到越來越廣泛的應用。同時，PDC鉆頭也存在一定的缺陷，例如定向性能不穩(wěn)定，不易控制，易導致井下動力鉆具減速停機等現(xiàn)象。因此，需要對PDC鉆頭進行進一步的研制與改善，從而使其更好的應用于定向鉆井工作當中。

一、一種新型定向井PDC鉆頭介紹

定向井PDC鉆頭設(shè)計

該定向井PDC鉆頭采用的是冠部輪廓設(shè)計，依據(jù)等切削和等磨損的原則進行設(shè)計的。該設(shè)計非常適合于多夾層的地層。該鉆頭具有冠部輪廓形狀：中等深度內(nèi)錐、雙圓弧冠部輪廓和較短的外錐長度。其中，雙圓弧形的冠部輪廓剖面有利于鉆頭表面在進行切削齒布置時更加有效，并且鉆頭切削齒從鼻部到保徑有非常完美的過度。另外，中等深度的內(nèi)錐結(jié)構(gòu)能夠提高鉆頭穩(wěn)定性，同時在降低鉆頭的橫向震動方面也有很好的效果。為了減小鉆頭與井壁的接觸面積，還設(shè)計了短外錐的結(jié)構(gòu)，有效的避免了由于井壁與鉆頭的摩擦損耗。同時，短平式的外錐不易受到側(cè)向位移的影響，短短的淺錐式圓形設(shè)計也有效的提高了鉆頭的定向靈敏度，從而更加適合在定向鉆井作業(yè)中使用。

另外，為了避免傳統(tǒng)PDC鉆頭掉片、崩片、剝蝕脫層以及過度磨損等損害情況的發(fā)生，該設(shè)計在切削片齒的選擇和切削結(jié)構(gòu)設(shè)計上下了一定的功夫。新型定向PDC鉆頭具有復合切削結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高鉆頭的穩(wěn)定性和壽命。該設(shè)計利用不同結(jié)構(gòu)的PDC復合片作為主切削元件，從而降低了巖屑對切削齒表面的粘附，改善了巖屑的運移狀況。另外還有兩個不同直徑的拋光PDC復合片用作輔助切削片，作為損壞切削齒的備用齒，從而提高鉆頭的壽命，加強鉆頭的動態(tài)穩(wěn)定性，減小鉆頭在切削過程中的損害。

根據(jù)PDC復合片的破巖機理以及地層特性，對切削齒的角度、密度和布齒方法進行了設(shè)計。隨著地層的硬度從低到高，切削齒的切削監(jiān)督也逐漸從小變大，但是一般切削齒的切削角度控制在10°～30°。同時，隨著鉆頭切削刀翼的不同，切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角度也會發(fā)生改變。一般切削刀翼上的切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角度在范圍5°～15°。該設(shè)計中切削齒的鉆頭中心是向外的，并且設(shè)計中的前傾角度逐漸從15°增加到20°。所鉆地層的硬度和研磨性決定了鉆頭的布齒密度。新型定向PDC鉆頭偏向于依據(jù)硬夾層的布齒密度進行布齒。另外，鉆頭在軟硬地的交界面進行鉆井工作時，易發(fā)生振動，從而造成掉片等損壞，因此，該設(shè)計在這些部位進行了雙重切削齒布齒，從而提高了該部位的布齒密度，提高了鉆頭的抗沖擊性，從而在很大程度上延長了鉆頭的使用壽命。

另外，新型定向井PDC鉆頭通過利用螺旋狀刀翼結(jié)構(gòu)能夠分散切削齒切削地層的切削力，能夠有效降低鉆頭螺旋狀刀翼和井壁間接觸作用力以及鉆頭的回旋次數(shù)。另外，螺旋式刀翼令切削齒存在側(cè)轉(zhuǎn)角，對于鉆井液攜帶巖屑，清洗井底巖屑有很大的幫助。除此之外，該設(shè)計對提高與井壁的接觸面和鉆進穩(wěn)定性有很大的幫助。

在水利設(shè)計上，新型定向井PDC鉆頭也存在一定的優(yōu)勢。在滿足清洗井底、冷卻PDC鉆頭和攜帶巖屑的基礎(chǔ)上，對噴嘴方位角進行適當調(diào)整能夠使噴嘴的射流盡量避開鉆頭刀翼，指向較大的排屑槽，從而能夠降低水利能力對刀翼體和切削齒的沖蝕，還能夠減小噴嘴水利能力對鉆頭體的沖蝕。另外，增加鉆頭排屑槽的深度也有助于增加噴嘴到井底的距離，從而降低噴嘴射流反射到鉆頭體的能量，降低了射流對鉆頭的沖蝕。

二、新型定向井PDC鉆頭的使用效果

通過利用新型定向井PDC鉆頭在商13531井、街2斜2井、街2斜14井等7口井的現(xiàn)場試驗表明，在滑動鉆進過程中，新型定向井PDC鉆頭不會隨著鉆壓的變化而產(chǎn)生很大的偏差，可操控性比較高，并且造斜率非常符合理論評估的結(jié)果。在鉆井過程中使用新型定向井PDC鉆頭能夠很好的提高鉆井和下井套效率以及井身的質(zhì)量，并且與常規(guī)PDC鉆頭進行比較之后發(fā)現(xiàn)，符合鉆進機械鉆速和定向鉆進機械鉆速都有明顯提高。

結(jié)束語

PDC鉆頭在定向井鉆井中應用越來越廣泛，隨著定向井PDC鉆頭理論和技術(shù)的不斷研究與開發(fā)，PDC鉆頭能夠更有效的提升定向井鉆井的準確性和鉆井效率。本文介紹了一種新型定向井PDC鉆頭，并且通過現(xiàn)場試驗證明，該鉆頭滑動鉆進時鉆壓變化的敏感度小，工具面可控性好，復合鉆進機械鉆速和定向井機械鉆速較常規(guī)PDC鉆頭都有較大幅度提高，且提高了鉆井和下套管效率及井身質(zhì)量。

[1]齊林,周大千,江勝宗.用鉆頭與地層相互作用模式預測井眼軌道[J].大慶石油學院學報，1995，19(4):113-116.

[2]楊慶理.復雜地層 PDC鉆頭個性化設(shè)計及應用研究[D].東營:中國石油大學(華東)，2007.