深井鉆探中小尺寸復(fù)合鉆頭的技術(shù)分析與展望

四川寶石機(jī)械石油鉆頭有限責(zé)任公司

一、概述

石油工業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，淺表層油氣資源越來越少，但油氣需求卻越來越大，油氣開發(fā)不得不往更深部發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國陸上石油資源儲量為700 億噸，目前探明180 億噸，探明率25.7%；陸上天然氣資源量為30萬億立方米，目前探明1.2 萬億立方米，探明率僅為4%。中國西部地區(qū)新疆、四川、陜西等是石油和天然氣集中區(qū)，而探明率較東、北部少許多。西部和中部的油氣資源主要集中在深部地層，所以提高深井、超深井鉆探工藝技術(shù)具有重要意義。

深井、超深井通常是指鉆探深度大于4500 米井，該類井具有裸眼井段長，需要穿越多套地層壓力系統(tǒng)，井壁穩(wěn)定，地層壓實(shí)程度高，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地層復(fù)雜，巖石可鉆性差等特點(diǎn)。深井、超深井鉆井是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。作為鉆探最直接的工具，鉆頭性能的好壞直接影響鉆井質(zhì)量和鉆井成本。

二、深井、超深井定向鉆井面臨的問題

深井、超深井鉆井是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程Deep well and ultra-deep well drilling is a complex, systematic project

（東方IC 供圖）

目前深井、超深井定向鉆井面臨幾個(gè)方面問題：1.地層壓實(shí)程度高，巖石抗壓、抗剪性能大幅提高，通常情況下常規(guī)PDC 鉆頭難以深入地層，牙輪鉆頭機(jī)械效率低，軸承壽命短，容易失效造成井下安全事故；2.扭矩波動大，工具面不穩(wěn)定，定向效率低；3.井眼直徑小，鉆頭結(jié)構(gòu)受限，容易產(chǎn)生抽吸現(xiàn)象導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；4.超深水平井面臨儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、變化大、定向鉆軌跡控制困難、井下工具儀器工作環(huán)境惡劣。

深井、超深井鉆井工程地質(zhì)極為復(fù)雜，遭遇諸多世界級鉆井技術(shù)難題，亟待解決。在深井、超深井鉆井的工程項(xiàng)目中，需要選取合適的鉆頭才能使施工過程順利進(jìn)行。

三、鉆頭技術(shù)應(yīng)用分析

深井、超深井鉆井通常采用小井眼技術(shù)，實(shí)踐證明小井眼是一種相對經(jīng)濟(jì)的鉆井方式，小井眼采用小尺寸（通常直徑在65/8 英寸及以下）鉆頭進(jìn)行鉆井更為科學(xué)。目前從結(jié)構(gòu)上分為三大類鉆頭：1.固定切削結(jié)構(gòu)鉆頭（代表：PDC 鉆頭）；2.旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)鉆頭（代表：牙輪鉆頭）；3.固定+旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)鉆頭（代表：復(fù)合鉆頭）。

（一）固定切削結(jié)構(gòu)鉆頭技術(shù)分析

以PDC 鉆頭為代表的“固定切削結(jié)構(gòu)鉆頭”特點(diǎn)：

通過聚晶金剛石復(fù)合片借助自身硬度刮切作用破碎地層。適應(yīng)于軟到中硬的均質(zhì)地層，具有機(jī)械鉆速快，安全可靠等特點(diǎn)。但PDC鉆頭在硬地層和非均質(zhì)地層中鉆進(jìn)時(shí)，由于巖性的高抗剪切載荷和軟硬交替接地層的交變載荷極易導(dǎo)致聚晶金剛石復(fù)合片很快損壞，從而導(dǎo)致鉆頭短時(shí)間內(nèi)失效。除此之外，PDC 鉆頭在工作過程中，鉆壓和扭矩共同作用使聚晶金剛石復(fù)合片有效吃入巖層，繞著井底中心做螺旋運(yùn)動破碎巖石，刮切破巖原理需要足夠大的扭矩實(shí)現(xiàn)對巖石的切削，導(dǎo)致PDC 鉆頭具有高扭矩現(xiàn)象，巖性的非均勻抗壓性使得鉆壓變化從而會引起扭矩的大幅變化，導(dǎo)致定向鉆進(jìn)時(shí)工具面不穩(wěn)定，不易控制。PDC 鉆頭定向作業(yè)大部分時(shí)間花費(fèi)在擺工具面上，定向效率低。雖然通過對 PDC 鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了一定的導(dǎo)向能力，但仍弱于具有沖擊方式破碎巖石的復(fù)合鉆頭。

（二）旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)鉆頭技術(shù)分析

以牙輪鉆頭為代表的“旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)鉆頭”特點(diǎn)：

牙輪鉆頭主要由牙爪、牙輪、水力系統(tǒng)和軸承系統(tǒng)組成。牙爪之間對接焊，牙輪通過軸承系統(tǒng)安裝在牙爪上，鉆頭在井底轉(zhuǎn)動時(shí)，由于巖石對牙輪齒的反作用力，牙輪繞軸頸自轉(zhuǎn)。

牙輪鉆頭按照牙輪個(gè)數(shù)可分為單牙輪鉆頭，雙牙輪鉆頭，三牙輪鉆頭和多牙輪鉆頭，其中，三牙輪鉆頭應(yīng)用最為普遍。

在鉆進(jìn)過程中，牙輪鉆頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)對巖石產(chǎn)生沖擊、壓碎和剪切的作用，故牙輪鉆頭能夠在軟、中、硬各種地層中鉆井，具有較高的使用壽命。牙輪鉆頭在井底工作時(shí)的運(yùn)動狀態(tài)和受力狀態(tài)是十分復(fù)雜的。牙輪鉆頭主要破巖方式為沖擊、壓碎和刮切，在鉆壓的作用下擠壓沖擊巖石，使巖石產(chǎn)生塑形變形和脆性破裂。同時(shí)，由于牙輪的超頂(三個(gè)牙輪的錐頂超過鉆頭中心)、移軸(三個(gè)牙輪的軸線不交于鉆頭中心線)和牙輪的復(fù)錐形狀，使鉆頭在井底工作時(shí)會產(chǎn)生一定的滑動，此時(shí)對巖石就有了一定的剪切作用。故牙輪鉆頭是在沖擊破碎和剪切破碎的聯(lián)合作用下破碎井底巖石的，而沖擊破碎占有主導(dǎo)地位。

因此牙輪鉆頭在井底鉆進(jìn)時(shí)，扭矩響應(yīng)低，方位易控制，工具面穩(wěn)定，導(dǎo)向性能好，不易在井底產(chǎn)生回旋運(yùn)動，能夠較快找準(zhǔn)方位，沿預(yù)定軌跡鉆進(jìn)。但牙輪鉆頭的沖擊破巖方式也導(dǎo)致其在鉆井作業(yè)時(shí)機(jī)械鉆速慢，破巖效率低，仍不能有效縮短鉆井周期，降低鉆井成本。

（三）固定+旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)鉆頭技術(shù)分析

以復(fù)合鉆頭為代表的“固定+旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)鉆頭”特點(diǎn)：

復(fù)合鉆頭是一種結(jié)合了牙輪輪齒沖擊破碎和PDC 剪切破巖原理的新型鉆頭。它由牙輪輪齒先對地層產(chǎn)生破碎應(yīng)力，使之產(chǎn)生裂紋，然后通過PDC刮切作用，剪切破巖，提高鉆進(jìn)效率。由于旋轉(zhuǎn)部件（牙輪）的支撐和緩沖，復(fù)合鉆頭的扭轉(zhuǎn)振蕩要小很多，提高了其在定向鉆井中的工具面可控制性，對復(fù)雜地層適應(yīng)性強(qiáng)，在軟硬交錯(cuò)的非均質(zhì)地層中，牙輪輪齒對PDC 復(fù)合片有很好的保護(hù)作用，避免鉆頭提前失效。復(fù)合鉆頭因?yàn)橛醒垒喗Y(jié)構(gòu)的存在相比PDC 鉆頭能夠承受更高的鉆井參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速），更有利于在難鉆地層中高效鉆進(jìn)。

The rapid development of global energy technology and people’s increasing demand for a better life have injected the impetus and created technical feasibility for achieving high-quality energy development in terms of supply and demand. As energy is the industrial lifeblood of a country and the basic raw material and basic industry for economic and social development, the high-quality development of a country is inseparable from that of energy. In this sense,the technological improvement of deep well and ultra-deep well directional drilling tools could provide new driving forces for the high-quality development of oil and gas resource development.

根據(jù)以上三種類型鉆頭分析，相對PDC 鉆頭和牙輪鉆頭，復(fù)合鉆頭具有：1.牙輪和PDC 復(fù)合片共同作用，提高硬地層破巖效率，地層適應(yīng)性廣，適合在軟硬交替的夾層中高效鉆井；扭矩波動小，工具面易控制，定向效率高，井眼軌跡好；2.軸承承載能力更強(qiáng)，軸承壽命更長，且通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增設(shè)安全保護(hù)腔，能夠有效防止牙輪因軸承磨損而脫落掉井，安全性能更高了；3.導(dǎo)向鉆井工具面穩(wěn)定，造斜率高，對鉆井組橫向、軸向振動更少等特點(diǎn)，適合在深井、超深井、定向井中應(yīng)用。

四、結(jié)語

全球能源技術(shù)快速發(fā)展，人民對美好生活的需要也在日益增長，這些變革從供給和需求兩個(gè)方面為實(shí)現(xiàn)能源高質(zhì)量發(fā)展提供了動力和技術(shù)可行性。能源是“工業(yè)的血液”，是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)原料和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。國家的高質(zhì)量發(fā)展離不開能源的高質(zhì)量發(fā)展。深井、超深井定向鉆井工具的技術(shù)提升能夠?yàn)橛蜌赓Y源開發(fā)高質(zhì)量發(fā)展提供新動能。