PDC鉆頭渦動和粘滑震動現場識別方法及消除措施

陰治平，朱劍飛，尚鉦凱，李興鑫，王關鎖

中國石油塔里木油田分公司 安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心（新疆 庫爾勒841000）

PDC 鉆頭瞬時旋轉中心發(fā)生位移的現象稱為鉆頭渦動。PDC 鉆頭渦動會使機械比能突然大幅增加。渦動導致肩部切削齒出現崩碎、崩裂等嚴重損壞現象，由于沖擊作用導致肩部齒損傷，并且肩部齒的損傷裂紋呈“沙灘”型，切削齒受損后容易快速磨損，從而導致PDC 鉆頭出現早期破壞、機械鉆速降低、鉆頭壽命減少、鉆井周期加長，進而引發(fā)次生井下復雜事故，甚至會導致現場工程師誤判鉆頭與地層的配伍性[1]。PDC 鉆頭在鉆進過程中，鉆頭與巖層間的相互作用既與鉆頭的運動有關，還與巖層的性質有關。深部硬地層巖石硬度高、塑性大、研磨性強及可鉆性差等特點使得這些井段的粘滑振動頻繁發(fā)生[2-3]。粘滑震動是造成鉆井功能紊亂的主要原因，進而影響井身質量，同時增加鉆井成本。

1 現場識別方法

許多科研學者和鉆井工程師對PDC 鉆頭渦動和粘滑做了大量的研究。筆者根據自身現場工作經驗及認識，提出以下現場鉆頭渦動和粘滑震動識別方法。

1.1 渦動識別方法

1.1.1 機械比能法

機械比能是用來衡量鉆頭破除單位體積巖石所需要的能量，其計算公式[4]為:

式中：Se為機械比能；W 為鉆壓,kN；SA為井筒面積，mm2;N 為鉆頭鉆速，r/min；Tb為扭矩，kN·m；R 為機械鉆速，m/h。

當鉆頭處于100%有效鉆進時，機械比能等于巖石抗壓強度（CCS）。若巖石抗壓強度已知，可以計算出能量效率（E），PDC 鉆頭通常最大能量效率在35%左右。

調整后PDC鉆頭的機械比能

在實驗室內對頁巖進行試鉆測試實驗，一定的鉆壓范圍內，保持轉速為恒定值，隨著鉆壓的持續(xù)增加，扭矩和機械鉆速保持線性關系上升，計算出來的Seadj保持恒定。

在深部硬地層鉆井過程中，若調整后機械比能遠高于巖石抗壓強度（2～10倍），說明井下有嚴重的能量損失，此時如果能夠排除其他原因導致的能量損失（鉆頭泥包、鉆頭損傷、粘滑等），則推斷出鉆頭出現渦動。

1.1.2現場判斷法

當一只新PDC鉆頭入井，往往會采用試鉆的方式獲取最佳鉆井參數（鉆壓、轉速）。其操作方法為：①將鉆壓快速加到鉆頭允許鉆壓上限的90%，然后在某一恒定的轉速下記錄鉆壓下降到50%的過程中，鉆壓每下降1 t 所消耗的時間，用時最短對應的鉆壓為最佳鉆壓；②在最佳鉆壓下，嘗試不同的轉速試鉆來獲取最佳轉速。

鉆頭在巖性未發(fā)生較大變化的某井段鉆進過程中（通過返出巖屑排除鉆頭損壞），采用最佳參數鉆進，但是機械鉆速大幅下降，同時井口鉆具出現明顯的公轉，可以初步確定井下出現鉆頭渦動。

1.2 粘滑震動的識別方法

1.2.1 機械比能法

機械比能的本質是計算并判斷鉆井的效率高低。鉆頭在井底平穩(wěn)工作，鉆井效率高；鉆頭由于某些原因處于不穩(wěn)定狀態(tài)，鉆井效率就會下降。通過大量計算和總結，發(fā)現當鉆頭處于粘滑狀態(tài)時，機械比能會大幅波動，但平均值呈現較高狀態(tài)。

1.2.2 現場判斷法

深部硬地層巖石的硬度高、塑性大、可鉆性差，PDC鉆頭使用一定鉆井參數鉆進，鉆壓持續(xù)加大到臨界鉆壓以上，會出現扭矩大范圍、周期性地波動，當出現此種扭矩波動現象，會降低機械鉆速和損壞鉆頭切削齒。扭矩大范圍、周期性地波動是粘滑震動現象現場最直觀的表現特征。如果下部鉆具組合中加入螺桿，立壓會上下波動。

2 消除措施

針對PDC 鉆頭鉆進時經常出現渦動和粘滑兩種非正常、不穩(wěn)定的工作狀況，筆者查閱了大量文獻結合自身的現場工作經驗，總結出以下的現場消除方法。但需指出的是，渦動和粘滑震動并非總是單獨出現，往往是既存在渦動又存在粘滑震動，然而兩者的消除措施彼此存在一定程度的相互沖突，這增加了現場操作的難度[5-7]。

2.1 消除渦動措施

鉆頭結構優(yōu)化設計。鉆頭合理的布局是鉆頭防渦動的關鍵，這也是在設計中所追求的目標。根據平衡設計理論，作用于鉆頭所有切削齒的力將形成一個合力。這個合力可以分解為一個軸向力(鉆壓)，一個對鉆頭中心線的力矩和一個徑向力。根據鉆頭運動形式可知，徑向力即為產生渦動的根源(即為不平衡力)。在鉆頭設計中，綜合考慮螺旋刀翼布齒方式、優(yōu)化復合片切削角度、利用低摩阻保徑技術、鉆頭形面周圍的流場分布等關鍵因素，以側向不平衡力最小為目標，可以將PDC鉆頭的總側向力控制在鉆壓的1%以內。

鉆頭冠部輪廓形狀和保徑長度對渦動影響效果顯著。選擇具有深輪廓、深內錐角、保徑刀翼長度最低達到101～152 mm 特征的PDC 鉆頭，具有良好地抑制渦動能力。

現場工程師不正確的操作方式容易引發(fā)鉆頭渦動，如將鉆頭重新放回井低時采用高轉速、低鉆壓鉆井參數鉆進，接單根前采用高轉速把鉆壓回完。根據以上錯誤的操作方式，可以總結出消除渦動的措施：①鉆頭重新放回井底時采用低轉速、高鉆壓（至少達到目標鉆壓的50%以上）；②鉆進0.6～1 m，若渦動嚴重，需要將第1 個扶正器放入新井眼內；③提高轉速，直到機械比能開始增加為止；④增加鉆壓，直到機械比能開始增加為止；⑤重復步驟3、4，直到機械比能不再降低。

2.2 消除粘滑震動措施

在一定的鉆井參數下，鉆柱系統(tǒng)在轉盤（頂驅）轉速較低時會發(fā)生粘滑振動，轉盤（頂驅）轉速越低，粘滑振動越激烈；鉆柱系統(tǒng)存在發(fā)生粘滑振動的臨界值，當轉盤（頂驅）轉速不斷增大到臨界值時，鉆柱系統(tǒng)粘滑振動突然消失。

降低鉆壓或者采用切深控制設計的鉆頭，可以消除粘滑振動。其本質是減少PDC 齒進入地層的深度，使PDC 鉆頭所需克服巖石固有的剪切強度（黏聚力）變小，達到消除粘滑振動的效果。同時，提高鉆機鉆井扭矩限定，也可以起到消除粘滑振動的作用，其原理是增大PDC鉆頭的輸入扭矩。

鉆頭的刀翼數對粘滑振動產生嚴重的影響，當系統(tǒng)發(fā)生粘滑振動時，增加刀翼數，會減弱或抑制粘滑振動，減少刀翼數，粘滑振動更加激烈。對克深區(qū)塊康村組及以下的硬地層，推薦采用6 刀翼及以上的PDC鉆頭，對粘滑震動的抑制效果明顯優(yōu)于5刀翼的PDC鉆頭。

3 實例分析

克深17井三開第1趟鉆采用333.4 mm（13 ?"）STS615G 鉆頭鉆進至井深3 340 m（康村組，褐色泥巖、褐色細砂巖，套管鞋位置3 328 m），在鉆井參數沒有改變的情況下，鉆時由15 min/m升高到35 min/m，機械比能突然增大，同時伴隨井口鉆具出現明顯的公轉，判斷PDC鉆頭出現渦動。

通過以下技術手段很快消除了鉆頭渦動：①降低轉速至原轉速的50%，上提鉆具1 m；②將限定扭矩由25 kN·m 升高到32 kN·m;③保持轉速不變，快速增加鉆壓至目標鉆壓的50%；④鉆進0.5 m后逐漸將鉆壓和轉速提高。當鉆壓和轉速均恢復到渦動出現前的大小，鉆時由35 min/m下降到15 min/m，機械比能降低到原值。

克深17井三開第5趟鉆采用333.4 mm（13 ?"）Z716 七刀翼PDC 鉆頭鉆進至井深3 490 m（層位為康村組，套管鞋位置3 328 m），3 480～3 490 m 巖性為褐色泥巖，鉆壓14～16 t，轉速為50～70 r/min，扭矩大范圍波動（2～25 kN·m），現場判斷鉆頭出現粘滑震動，嘗試將轉速提高100 r/min，扭矩立即平穩(wěn)，鉆時由70 min/m↓18 min/m。后期嘗試將轉速下調到80 r/min 以下,扭矩立即出現大范圍波動現象（2～25 kN·m），鉆頭再次出現粘滑震動，80 r/min 為當前的鉆頭出現粘滑震動的臨界轉速。

4 結論

1）通過機械比能法和現場判斷法識別PDC 鉆頭出現渦動和粘滑震動。

2）通過優(yōu)化設計鉆頭結構，將PDC鉆頭的總側向力控制在鉆壓的1%以內；選擇具有深輪廓、深內錐角、保徑刀翼長度最低達到101～152 mm 的PDC鉆頭；優(yōu)化鉆井參數，采用高鉆壓低轉速鉆進等措施消除PDC鉆頭渦動。

3）通過提高轉盤（頂驅）轉速超過臨界轉速；降低鉆壓或者選用切深控制設計的鉆頭；增加刀翼數以達到增加鉆頭與地層接觸面積等措施消除PDC鉆頭粘滑震動。

4）鉆頭渦動和粘滑震動現象往往同時或交替出現，由于粘滑震動對鉆頭和鉆具的傷害比渦動小，現場工程師在優(yōu)化調整鉆井參數時要綜合考慮二者所帶來的弊端，必要時應該優(yōu)先考慮消除鉆頭渦動。