復(fù)雜地層定向井聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭設(shè)計(jì)

王曉彥，樊思成，田東彬，周學(xué)超

（中石油渤海石油裝備中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著海內(nèi)外超深井、頁(yè)巖氣井等大幅發(fā)展，定向井在其中的應(yīng)用也愈加廣泛。伊拉克艾哈代布區(qū)塊，厄瓜多爾帕魯瓦庫(kù)區(qū)塊，塔里木油田哈拉哈唐地區(qū)這些油氣礦區(qū)地層軟硬懸殊，砂泥巖、頁(yè)巖交互劇烈，硬夾層多，這種復(fù)雜地層在使用常規(guī)PDC（Polycrystalline Diamond Compact Bit，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）鉆頭定向鉆進(jìn)時(shí)頻繁出現(xiàn)鉆頭縮徑，工具面飄忽，扭矩變化大，托壓嚴(yán)重，增斜效果不佳，井壁不規(guī)則等工況，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低，井斜軌跡控制困難，難以滿足鉆井要求。

面對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)PDC鉆頭的破巖機(jī)理，分析定向過(guò)程中的核心因素，考慮鉆頭心部尺寸，錐部弧面和整體結(jié)構(gòu)的決定性作用?；谲浖M和電腦輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出一種增斜效果明顯，工具面穩(wěn)定，有效緩解托壓，扭矩穩(wěn)定，大幅降低鉆頭在井底渦動(dòng)及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的新型PDC鉆頭.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，獲得良好效果。

1 新型PDC鉆頭設(shè)計(jì)

地層軟硬懸殊，交互劇烈，硬夾層多，在這種復(fù)雜地層實(shí)現(xiàn)快速定向造斜不穩(wěn)定，則無(wú)法保持穩(wěn)定的增斜效果，導(dǎo)致設(shè)計(jì)軌跡要求不達(dá)標(biāo)（脫靶），定向施工失敗。所以在該類井段實(shí)現(xiàn)快速定向的關(guān)鍵因素是工具面的穩(wěn)定性。

1.1 工具面穩(wěn)定性

（1）內(nèi)錐輪廓的設(shè)定。在PDC鉆頭定向施工中，隨著鉆頭內(nèi)錐角的減小，鉆頭的穩(wěn)定性愈高，穩(wěn)斜能力加強(qiáng)，但其可控性和攻擊性都顯著下降。反之，鉆頭的攻擊性、可控性提高，但穩(wěn)定性降低。在此類地層施工中，PDC鉆頭選用如圖1所示的淺錐結(jié)構(gòu)。

（2）錐部弧面的設(shè)定。定向施工中由于地層軟硬交互劇烈，PDC切削齒吃入地層不均，錐部部弧長(zhǎng)過(guò)段會(huì)致使鉆頭與地層產(chǎn)生較幅度的不均反扭（某一刀翼過(guò)深切入地層），形成動(dòng)載，而其他刀翼吃入交淺而發(fā)生打滑，使工具面不穩(wěn)。故在復(fù)雜地層中PDC鉆頭采用較大的錐部圓弧如圖2所示，可增大布齒數(shù)量，錐部與地層接觸面積增多，規(guī)避工具面不問(wèn)的同時(shí)，亦可避免切削齒受沖擊過(guò)大而過(guò)早受損的不良現(xiàn)象。

圖1 淺錐輪廓

1.2 扭矩控制

PDC鉆頭中心部位的切削齒承受的軸向力最大，可造成較大的扭矩波動(dòng)，在復(fù)雜地層施工中，切削齒吃入深度不斷發(fā)生變化，扭矩波動(dòng)增大并進(jìn)一步改變鉆頭動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使得鉆頭容易發(fā)生破壞性的振動(dòng)，且降低切削效率。針對(duì)這一特性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用刀翼聯(lián)合，降低心部載荷面積等手段。有效控制扭矩波動(dòng)，緩解鉆頭無(wú)序渦動(dòng)，提高了鉆頭在軟地層的機(jī)速的同時(shí)在硬地層鉆進(jìn)中亦能保持高穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 錐部弧面

1.3 緩解托壓

新型鉆頭對(duì)托壓?jiǎn)栴}采用2個(gè)辦法解決：①選用短保徑并有一定的螺旋角，保證保徑部不影響切削齒切入地層，而多角度更多的接觸地層減少對(duì)鉆頭的摩擦及沖擊，提高鉆頭動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。②更寬的排屑槽，并有一定的引導(dǎo)指向，解決巖屑上返不及時(shí)，造成鉆頭反復(fù)破碎導(dǎo)致的托壓現(xiàn)象。

1.4 布齒排列

選用小型切削齒和較小的吃入角20°，以防止切入地層過(guò)深，緩解鉆頭承受的沖擊力。同時(shí)布齒排列采用由低到高的方式保持鉆頭的攻擊性，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

1.5 獨(dú)特的后排齒設(shè)定

在內(nèi)錐復(fù)合片后加裝深度控制墊提高鉆頭的造斜能力，外錐部加裝后排齒，可有效釋放作用在鉆頭上的鉆井能量于對(duì)巖石的切削中，降低鉆進(jìn)中的反扭波動(dòng)，提高鉆頭的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

2 新型PDC鉆頭實(shí)驗(yàn)和分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)的新型鉆頭在伊拉克艾哈代布區(qū)塊使用。

（1）新型PDC鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)（表1）。

（2）鄰井同井段以往PDC鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)（表2）。

表1 新型PDC鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)指標(biāo)

表2 鄰井同井段以往PDC鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

新型PDC鉆頭應(yīng)用取得了良好效果，定向施工中工具面穩(wěn)定、反扭波動(dòng)小、增斜效果佳、有效緩解托壓、無(wú)縮徑現(xiàn)象。機(jī)械鉆速比其他同類廠家均提高20%以上，縮短了鉆井液浸泡地層的時(shí)間，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為復(fù)雜地層優(yōu)、快定向鉆進(jìn)提供了重要技術(shù)保障。

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）綜合分析PDC鉆頭心部受力特征，錐面弧長(zhǎng)，保徑部螺旋布齒排列及吃入角等核心因素對(duì)鉆頭工作的響應(yīng)，設(shè)計(jì)了新型定向鉆頭?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，較常規(guī)鉆頭各方面性能都有顯著提高。解決了以往鉆頭工具面飄忽、扭矩變化大、托壓嚴(yán)重、增斜效果不佳、井壁不規(guī)則等問(wèn)題。

圖3 出井后鉆頭照片

（2）隨著定向技術(shù)的發(fā)展，PDC鉆頭的技術(shù)革新將不斷拓展其應(yīng)用廣度，優(yōu)快鉆進(jìn)和鉆頭壽命的延長(zhǎng)使鉆井成本不斷降低，形成理想的循環(huán)。針對(duì)復(fù)雜地層的不同特性和工況，可調(diào)整復(fù)合鉆進(jìn)中的鉆具組合，使之發(fā)揮更優(yōu)的性能。