PDC鉆頭切削深度對(duì)抑制黏滑振動(dòng)和提高鉆進(jìn)速度的影響

李飛

1. 西安石油大學(xué)陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院

2020年9月，我國(guó)提出了2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)。2020年12月17日，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司發(fā)布的《世界與中國(guó)能源展望》分析指出，“天然氣仍是實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的現(xiàn)實(shí)選擇，展望期內(nèi)仍有較大增長(zhǎng)空間。2030與2050年，全球天然氣需求在一次能源中的占比分別為26%和27%；化石能源分別為72%和53%?！蔽磥?lái)20～30年，油氣資源預(yù)計(jì)仍將在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主要位置。

近年來(lái)，我國(guó)常規(guī)油氣產(chǎn)量不斷下降，油氣勘探開(kāi)發(fā)已逐步轉(zhuǎn)向低滲透、深層超深層、海洋深水、頁(yè)巖油氣等非常規(guī)油氣田［1］。然而，非常規(guī)油氣勘探難度大，隨著井深增加對(duì)技術(shù)及裝備要求不斷提高。非常規(guī)油氣勘探中廣泛使用大位移水平井、多分支水平井及側(cè)鉆水平井等特殊軌跡井［2］，頁(yè)巖油氣鉆井還常采用水平鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等技術(shù)來(lái)提高工業(yè)開(kāi)采量［3］。另外，我國(guó)非常規(guī)油氣田儲(chǔ)層多在三低且硬度高的巖石層，而且地層情況復(fù)雜、巖層多變和非均質(zhì)性嚴(yán)重，導(dǎo)致黏滑振動(dòng)產(chǎn)生，嚴(yán)重影響鉆井效率［4］。

黏滑振動(dòng)導(dǎo)致鉆井效率低下，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)鉆頭損壞或加速磨損［5］，導(dǎo)致非計(jì)劃起鉆、非生產(chǎn)時(shí)間增加、工程超期和經(jīng)費(fèi)超支；(2)周期性的扭矩變化加載到鉆柱上［6］，增加鉆具疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，增加鉆井工具斷裂或者鉆井液侵入工具可能性，增加打撈和修理維護(hù)費(fèi)用；(3)影響導(dǎo)向工具的控制及隨鉆測(cè)量工具的精度，造成鉆進(jìn)速度下降和無(wú)法按照預(yù)定軌跡進(jìn)行施工［7］；(4)井眼不光滑，后續(xù)下套管困難，增加鉆井費(fèi)用［8］。

在非常規(guī)油氣鉆井過(guò)程中，抑制黏滑振動(dòng)技術(shù)對(duì)提高鉆井效率和增加經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。我國(guó)研究人員在這個(gè)領(lǐng)域已取得了一定的研究成果［9］，但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)有一定的差距。2017年，為了在非常規(guī)鉆井的復(fù)雜環(huán)境中更好地抑制鉆頭產(chǎn)生的黏滑振動(dòng)，國(guó)外研究人員通過(guò)不斷試驗(yàn)和創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出可抑制黏滑振動(dòng)的PDC智能鉆頭。據(jù)前期文獻(xiàn)調(diào)研，可抑制黏滑振動(dòng)的PDC智能鉆頭領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)處于研究的起步階段，目前國(guó)內(nèi)在這方面還沒(méi)有全面深入的研究成果。

1 黏滑振動(dòng)

鉆井過(guò)程中的振動(dòng)主要包括軸向、黏滑和橫向振動(dòng)。黏滑振動(dòng)往往會(huì)引起軸向和橫向振動(dòng)的產(chǎn)生，另外由其他原因?qū)е碌妮S向和橫向振動(dòng)也會(huì)與黏滑振動(dòng)耦合。

圖1(a)是井下鉆具在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)歷黏滑振動(dòng)的示意圖。圖1(b)中A區(qū)域是最低轉(zhuǎn)速大于0的黏滑振動(dòng)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速以較高頻率和較高幅度不斷加減速，該過(guò)程中未出現(xiàn)“黏滯”階段，基本整個(gè)過(guò)程都是“滑”；B區(qū)域是最低轉(zhuǎn)速為0的黏滑振動(dòng)，鉆具不斷停止轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是發(fā)生了“黏滯”現(xiàn)象，同時(shí)，鉆柱在頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)下繼續(xù)扭轉(zhuǎn)，鉆柱內(nèi)積蓄的能量不斷增加，當(dāng)超過(guò)鉆頭與地層間摩擦轉(zhuǎn)矩時(shí)發(fā)生滑脫，鉆頭會(huì)以兩倍或數(shù)倍于頂驅(qū)轉(zhuǎn)速加速旋轉(zhuǎn)，底部鉆具振動(dòng)加劇，鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也劇烈波動(dòng)。黏滑振動(dòng)以鉆具扭曲和鉆頭旋轉(zhuǎn)速度的巨大循環(huán)變化為特征［9］，通常頻率在0.01～5 Hz之間［10］。

圖1 黏滑振動(dòng)的不同模式Fig. 1 Different modes of stick-slip vibration

黏滑振動(dòng)主要由鉆頭、井下鉆井工具和鉆柱之間的能量相互作用引起，鉆頭是導(dǎo)致黏滑振動(dòng)的主要原因之一［6］。鉆井過(guò)程中，鉆頭黏滑振動(dòng)產(chǎn)生的原因目前尚存爭(zhēng)議。較為廣泛接受的原因是鉆頭與巖石界面的“速度減弱”效應(yīng)［11］。另外，Richard提出黏滑振動(dòng)與軸向振動(dòng)緊密耦合，由于軸向振動(dòng)導(dǎo)致切削深度不均勻，鉆頭在井底各個(gè)方向上的切削深度不同，從而導(dǎo)致黏滑現(xiàn)象的產(chǎn)生［12-13］。

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，研究人員認(rèn)識(shí)到鉆井過(guò)程中，鉆頭和地層接觸會(huì)產(chǎn)生黏滑振動(dòng)。圖2是鉆壓、扭矩和切削深度在鉆頭上的作用關(guān)系。理想條件下，PDC鉆頭在鉆壓和扭矩作用下以恒定的切削深度剪切地層巖石。鉆頭的切削深度指在一次旋轉(zhuǎn)中鉆齒咬入地層的軸向距離，若切削深度過(guò)小將導(dǎo)致鉆井的機(jī)械鉆速降低，鉆井效率低下。如果由鉆壓作用鉆頭產(chǎn)生的切削深度過(guò)大，那么阻力扭矩大于井下工具組合的扭矩，鉆頭會(huì)減速甚至停止。然而，鉆桿以及井下鉆具組合中的扭矩能量不斷積累，逐漸增大，當(dāng)扭矩大于阻力扭矩時(shí)，鉆頭開(kāi)始加速旋轉(zhuǎn)。如果這兩種模式不斷循環(huán)，鉆頭產(chǎn)生黏滑振動(dòng)。鉆井過(guò)程中，鉆遇地層的變化會(huì)引起黏滑振動(dòng)。當(dāng)遇到較硬的地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，鉆頭失去切削深度，必須施加更大的鉆壓來(lái)恢復(fù)切削深度。然而鉆壓增加需要時(shí)間，當(dāng)?shù)貙拥姆醋饔门ぞ夭荒芰⒓幢豢朔r(shí)，黏滑振動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生［14］。同時(shí)，也有理論指出黏滑振動(dòng)的發(fā)生由鉆柱的共振引起，從而導(dǎo)致鉆頭速度和扭矩呈正弦振蕩。振蕩頻率是鉆柱長(zhǎng)度和剛度的函數(shù)，較長(zhǎng)鉆柱系統(tǒng)振蕩頻率通常小于5 Hz［15］。

圖2 鉆頭上的鉆壓、扭矩和切削深度Fig. 2 Weight-on-bit, Torque-on-bit and depth-of-cut of a PDC bit

2 黏滑振動(dòng)抑制技術(shù)

圖3列出現(xiàn)有的黏滑振動(dòng)抑制技術(shù)，主要分為地面控制和井下控制。鉆井過(guò)程中，多種技術(shù)可以混合使用，達(dá)到抑制黏滑振動(dòng)的目的［16］。

圖3 黏滑振動(dòng)的抑制技術(shù)Fig. 3 Stick-slip vibration suppression technologies

模型計(jì)算技術(shù)通過(guò)建立井下工具的數(shù)值模型，進(jìn)行模態(tài)和鉆井參數(shù)分析，通過(guò)調(diào)整鉆井參數(shù)、鉆頭設(shè)計(jì)或鉆柱結(jié)構(gòu)，避開(kāi)振動(dòng)問(wèn)題區(qū)間［17］，如圖4所示。隨著井下測(cè)量的普及，在模型計(jì)算技術(shù)使用過(guò)程中，往往利用相近區(qū)塊歷史測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整和完善模型計(jì)算，以提高其準(zhǔn)確性。然而，對(duì)于深井和復(fù)雜的井眼，由于鉆井過(guò)程的未知因素較多，模型計(jì)算技術(shù)不能有效地抑制黏滑振動(dòng)。另外，該方法具有很大的局限性，依賴于大量臨近井?dāng)?shù)據(jù)的可用性，沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，模型計(jì)算技術(shù)則不可使用。

圖4 鉆壓、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)的關(guān)系基本形式Fig. 4 The relationship among weight-on-bit,rotation speed and vibration

井上調(diào)整技術(shù)是通過(guò)在鉆井平臺(tái)上調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)來(lái)抑制黏滑振動(dòng)。黏滑振動(dòng)可以很好地響應(yīng)基于井上參數(shù)的優(yōu)化，即降低鉆壓和增加轉(zhuǎn)速；工作人員在井上通過(guò)鉆井動(dòng)態(tài)測(cè)量工具實(shí)時(shí)獲取井下實(shí)鉆數(shù)據(jù)，當(dāng)黏滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)，工作人員調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，然后觀測(cè)井下黏滑振動(dòng)的抑制效果，確定是否需要進(jìn)一步采取抑制措施［18］。研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)黏滑振動(dòng)的扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重性評(píng)估(Torsional Severity Estimate)或者機(jī)械比能(Mechanical Specific Energy， MSE)等監(jiān)控［19］，可以輔助鉆井操作人員實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，抑制黏滑振動(dòng)。然而，井上調(diào)整技術(shù)的抑制效果受井下工具向地面?zhèn)鬏斝盘?hào)時(shí)間延遲影響，操作人員需要不斷微調(diào)參數(shù)來(lái)達(dá)到黏滑振動(dòng)抑制目標(biāo)，往往導(dǎo)致非生產(chǎn)時(shí)間增加以及鉆進(jìn)速度和鉆井效率降低。

智能頂驅(qū)技術(shù)包括扭矩反饋［20］、軟扭矩、軟速度和Z扭矩控制等技術(shù)［21］。這些技術(shù)通過(guò)地面系統(tǒng)中的智能處理器測(cè)量頂驅(qū)扭矩和速度，判斷井下黏滑振動(dòng)的出現(xiàn)，當(dāng)黏滑振動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，處理器對(duì)頂驅(qū)的扭矩輸出進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到對(duì)井下黏滑振動(dòng)的抑制。智能頂驅(qū)系統(tǒng)使用復(fù)雜的控制算法來(lái)減少扭轉(zhuǎn)波動(dòng)，如果正確調(diào)整［22］，則在對(duì)抗低頻黏滑振動(dòng)方面有效。研究表明，這些智能頂驅(qū)控制技術(shù)受信號(hào)延遲的影響嚴(yán)重，即使50 ms量級(jí)的延遲也會(huì)影響抑制效果［21］，因此完成黏滑振動(dòng)抑制所需時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致非生產(chǎn)時(shí)間增加。

井下振蕩器包括軸向、橫向、周向以及雙向振蕩器等。它們主要以鉆井液為動(dòng)力，通過(guò)在鉆井過(guò)程中持續(xù)產(chǎn)生振蕩，減小鉆柱和井壁之間摩擦力來(lái)抑制黏滑振動(dòng)，同時(shí)提高鉆壓從地面到鉆頭的傳遞效率［23］。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)水力振蕩器的研究起步較晚，但發(fā)展很快，自2006年以來(lái)，國(guó)內(nèi)已研制成功近10種水力振蕩器，部分已投入商業(yè)化應(yīng)用［24］。井下振蕩器對(duì)黏滑振動(dòng)抑制的效果受到肯定，然而，長(zhǎng)期高頻振蕩會(huì)降低鉆井工具壽命，液壓脈沖對(duì)隨鉆測(cè)量工具的上行信號(hào)傳輸也有影響。另外，鉆井過(guò)程中，需要根據(jù)振蕩器的工作原理、工具組合和鉆井環(huán)境來(lái)確定振蕩器合理的安放位置，否則振蕩器不能正常發(fā)揮作用，也會(huì)增加非生產(chǎn)時(shí)間。

井下減振器通過(guò)調(diào)整鉆具的系統(tǒng)阻尼來(lái)抑制黏滑振動(dòng)［25］，其原理是在工具腔室中充滿阻尼可變的磁變流體，當(dāng)井下傳感器測(cè)量到振動(dòng)，減振器通過(guò)調(diào)整內(nèi)部電磁場(chǎng)改變磁變流體的黏性(Viscosity)，從而改變鉆柱系統(tǒng)的阻尼，反復(fù)調(diào)整減振器的阻尼特性，直至振動(dòng)被抑制［20］。然而，減振器工具一般較長(zhǎng)，為了保障鉆具的導(dǎo)向性能，不能將其放置于定向鉆井工具前端靠近鉆頭處，因此減振器在井下鉆具組合中的位置會(huì)影響對(duì)鉆頭的黏滑振動(dòng)抑制效果。

2000年以來(lái)，為抑制黏滑振動(dòng)，石油鉆井行業(yè)引入了PDC鉆頭的切削深度控制技術(shù)。

3 PDC鉆頭切削深度控制技術(shù)

Jain［27］的研究表明，切削深度控制是一種有效抑制黏滑振動(dòng)的技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［28-29］證明，減小鉆頭的切削深度可以抑制鉆頭在井下的黏滑振動(dòng)。Schwefe［26］通過(guò)試驗(yàn)證明合理的切削深度控制可以有效抑制黏滑振動(dòng)并且提高鉆井效率；切削深度控制量過(guò)小，則無(wú)法抑制黏滑振動(dòng)，切削深度控制量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)速度低下。另外，巖石特性對(duì)鉆頭的黏滑振動(dòng)有較大影響，是設(shè)計(jì)鉆頭切削深度控制的一個(gè)重要因素。

PDC鉆頭的切削深度控制可以通過(guò)井下工具實(shí)現(xiàn)。2007年，油田服務(wù)公司Tomax研發(fā)了黏滑振動(dòng)抑制工具ASTTM。ASTTM由機(jī)械液壓轉(zhuǎn)換器組成，在穩(wěn)定的條件下，該工具傳遞扭矩和鉆壓；當(dāng)鉆頭遇到黏滑振動(dòng)，該工具使用轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)鉆壓和鉆頭的切削深度，阻止鉆頭局部不穩(wěn)定性升級(jí)為破壞性振動(dòng)。如圖5所示，突然的扭矩增加(M2)會(huì)導(dǎo)致ASTTM通過(guò)內(nèi)螺旋產(chǎn)生單元收縮(S)，減小鉆頭上的鉆壓(F2)。隨著收縮量不斷加大，鉆壓和切削深度逐漸減少直至鉆頭重新旋轉(zhuǎn)，達(dá)到抑制黏滑振動(dòng)的效果［30］。ASTTM可以同時(shí)對(duì)軸向和黏滑振動(dòng)有抑制作用，但工具較長(zhǎng)(＞5 m)，無(wú)法放置于定向鉆井工具前端靠近鉆頭處，因此該工具在井下鉆具組合中的位置會(huì)影響對(duì)鉆頭的黏滑振動(dòng)抑制效果。

圖5 AST工具的切削深度控制Fig. 5 Depth-of-cut control in AST tool

PDC鉆頭的切削深度控制也可以通過(guò)智能鉆頭實(shí)現(xiàn)。Sinor［31］提出了一種可調(diào)節(jié)切削深度的PDC鉆頭，通過(guò)設(shè)置適合于井下鉆井的固定切削深度，實(shí)現(xiàn)了鉆頭在應(yīng)用中抑制黏滑振動(dòng)的效果。這一理論在鉆井行業(yè)廣泛應(yīng)用，并且取得了較好的效果［29］，如圖6所示。但是，正確調(diào)整切削深度控制量通常需要在分析鄰井?dāng)?shù)據(jù)和進(jìn)行不斷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后獲得［26］。這個(gè)方法過(guò)程較為復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致其無(wú)法大范圍地推廣應(yīng)用。

圖6 鉆頭切削深度控制Fig. 6 The depth-of-cut control of a cutter

切削深度、黏滑振動(dòng)和鉆井速度3個(gè)參數(shù)之間相互影響。PDC鉆頭的切削深度直接決定鉆井過(guò)程中的鉆進(jìn)速度，也就是機(jī)械鉆速。理論上講，黏滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)，智能鉆頭往往通過(guò)減小切削深度來(lái)抑制黏滑振動(dòng)，然而，減小切削深度可能導(dǎo)致鉆進(jìn)速度降低。黏滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)，由于鉆頭無(wú)法正常平穩(wěn)進(jìn)行巖石切削，鉆頭會(huì)出現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速或者停滯階段，此階段的鉆進(jìn)速度接近或者等于0，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度下降。智能鉆頭抑制黏滑振動(dòng)使鉆頭不出現(xiàn)低轉(zhuǎn)速或者停滯，理論上講，可以提高整體鉆進(jìn)速度。

哈里伯頓研發(fā)的PDC鉆頭Cruzer?有切削深度控制的滾動(dòng)元件［32］。滾動(dòng)元件由金剛石和碳化物軸承組成，金剛石滾珠可在軸承里旋轉(zhuǎn)，并且具有高硬度和低內(nèi)部摩擦力的特點(diǎn)。如圖7所示，鉆頭安裝有3個(gè)切削深度控制滾動(dòng)元件，不但可以有效保持整個(gè)鉆頭在鉆井過(guò)程中的切削深度，而且可以減小鉆井過(guò)程所需的扭矩。在使用Cruzer?前，需要對(duì)鉆井各參數(shù)進(jìn)行模型計(jì)算，得出PDC鉆頭的最佳切削深度，在生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)整滾動(dòng)控制元件的安裝高度，控制切削深度，從而在井下改善黏滑振動(dòng)。需要注意的是，實(shí)際鉆井中往往鉆遇不同地層，每個(gè)地層的巖石特性也各有不同；而Cruzer?鉆頭具有固定切削深度，只能對(duì)某一種巖石類型實(shí)現(xiàn)切削深度優(yōu)化，因此，可能在某些區(qū)域平滑鉆進(jìn)，但在其他區(qū)域表現(xiàn)低效，也可能在不同巖石類型過(guò)渡中產(chǎn)生黏滑振動(dòng)。滾動(dòng)控制元件可有效運(yùn)用于定向鉆井作業(yè)等穩(wěn)定控制的井下作業(yè)中，但不一定能完全滿足復(fù)雜和變化的地質(zhì)條件的要求。

圖7 哈里伯頓的切削深度可以調(diào)整的Cruzer鉆頭Fig. 7 The depth-of-cut control of the Cruzer bits

Jain提出一種基于流體力學(xué)控制原理對(duì)鉆頭切削深度控制的方法［33］，并設(shè)計(jì)了具有黏滑振動(dòng)抑制功能的PDC智能鉆頭TerrAdapt?。如圖8所示，鉆頭的切削深度控制通過(guò)安裝在刀翼內(nèi)部的3個(gè)獨(dú)立封裝的控制套管來(lái)實(shí)現(xiàn)。切削深度控制套管上的執(zhí)行裝置具有不同伸出和收縮阻尼，執(zhí)行裝置伸出時(shí)的阻尼較小，伸出速度快；收縮時(shí)的阻尼較大，收縮速度慢。鉆頭向上移動(dòng)時(shí)，執(zhí)行裝置阻尼較小，快速伸出；向下移動(dòng)時(shí)，執(zhí)行裝置阻尼較大，緩慢收縮，達(dá)到控制切削深度的目的。在井下應(yīng)用中，當(dāng)軸向振動(dòng)伴隨黏滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)，此鉆頭可以有效控制鉆頭因跳動(dòng)引起的扭矩的劇烈變化。目前，切削深度控制套管的阻尼設(shè)定在地面完成；井下通過(guò)溫度和壓力補(bǔ)償機(jī)制保持伸出和收縮的阻尼穩(wěn)定性。TerrAdapt?在現(xiàn)場(chǎng)鉆井工作中實(shí)現(xiàn)了較好的黏滑抑制效果［34-35］。然而，TerrAdapt?目前采用井下開(kāi)環(huán)控制技術(shù)，其伸出或收縮阻尼井下恒定，無(wú)法根據(jù)井下地質(zhì)和鉆井參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和實(shí)現(xiàn)更科學(xué)有效的閉環(huán)控制，所以其抑制效果在地質(zhì)變化復(fù)雜的鉆井應(yīng)用中也有一定的局限性。

圖8 貝克休斯的TerrAdapt鉆頭Fig. 8 The TerraAdapt bits with depth-of-cut control

我國(guó)學(xué)者也提出一種可以提供切削深度控制的方法，并且設(shè)計(jì)出了一種新型的切削深度可控的PDC鉆頭［36］。如圖9所示，這種新型設(shè)計(jì)可以通過(guò)內(nèi)部彈簧連續(xù)調(diào)節(jié)切削深度，從而實(shí)現(xiàn)抑制黏滑振動(dòng)的作用。

圖9 我國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)的切削深度調(diào)節(jié)鉆頭Fig. 9 The bit with depth-of-cut control from Chinese

以上幾種工具由液壓或者彈簧等調(diào)節(jié)鉆頭上切削齒的切削深度，也就是鉆頭的侵略性(Aggressiveness)，其切削深度變化率由器件的阻尼來(lái)決定，但這個(gè)阻尼無(wú)法在應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。這些工具均屬于被動(dòng)控制技術(shù)，無(wú)法根據(jù)黏滑振動(dòng)模式、井下地質(zhì)和鉆井參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所以其抑制效果在地質(zhì)變化復(fù)雜的鉆井應(yīng)用中有一定的局限性。

近年來(lái)，PDC鉆頭切削深度控制已經(jīng)成為國(guó)外石油勘探領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方向，我國(guó)研究人員密切關(guān)注相關(guān)研究發(fā)展動(dòng)向，發(fā)表了一系列針對(duì)海外切削深度控制鉆頭研究現(xiàn)狀的綜述性文章［37-39］。但就整體而言，我國(guó)學(xué)術(shù)界對(duì)PDC鉆頭切削深度控制的研究還處于起步階段，相關(guān)研究成果還十分有限，亟需開(kāi)展這方面的研究。

4 振動(dòng)抑制與鉆進(jìn)速度的關(guān)系

Dupriest使用機(jī)械比能(MSE)的概念闡述了切削深度對(duì)鉆井效率或者鉆進(jìn)速度的影響［40］。如圖10所示，在區(qū)Ⅰ，由于鉆壓較低而導(dǎo)致切削深度較低，所以鉆進(jìn)速度低下。在區(qū)Ⅱ，切削深度隨著鉆壓增加，在飽和點(diǎn)(Founder點(diǎn))處，鉆進(jìn)速度接近其峰值效率；在給定的地層、鉆頭和轉(zhuǎn)速情況下，區(qū)Ⅱ的鉆壓和鉆進(jìn)速度之間線性關(guān)系的斜率相對(duì)恒定。在區(qū)Ⅲ，輸入鉆頭的能量被約束，鉆壓無(wú)法轉(zhuǎn)化成破巖的有效能量，無(wú)法進(jìn)一步提高鉆進(jìn)速度。這些約束因素包括井下積削清理不及時(shí)、振動(dòng)和沖擊等。所以，通過(guò)抑制振動(dòng)等措施抑制這些約束，可以有效提高鉆進(jìn)速度，如圖中綠色虛線部分所示。

PDC鉆頭的切削深度直接決定鉆井過(guò)程中的鉆進(jìn)速度，也就是機(jī)械鉆速。理論上講，黏滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)，具有切削深度控制的鉆頭往往通過(guò)減小切削深度來(lái)抑制黏滑振動(dòng)，因此，減小切削深度可能導(dǎo)致鉆進(jìn)速度降低。然而，黏滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)，由于鉆頭無(wú)法正常平穩(wěn)進(jìn)行巖石切削，鉆頭會(huì)出現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速或者停滯階段，此階段的鉆進(jìn)速度接近或者等于0，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度下降。智能鉆頭抑制黏滑振動(dòng)使鉆頭不出現(xiàn)低轉(zhuǎn)速或停滯，理論上可以提高整體鉆進(jìn)速度。

圖10 鉆進(jìn)速度和鉆壓以及切削深度之間的關(guān)系Fig. 10 The relationship between depth-of-cut control of a cutter and rate of penetration

當(dāng)黏滑振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，切削深度控制機(jī)制的目標(biāo)是在復(fù)雜鉆井環(huán)境(巖石特性、鉆速和鉆壓多變)下，快速達(dá)到抑制黏滑振動(dòng)和提高鉆進(jìn)速度的平衡。如圖11所示，抑制黏滑振動(dòng)可以有效提高鉆進(jìn)速度飽和點(diǎn)，鉆進(jìn)速度提高可以降低機(jī)械比能，機(jī)械比能的降低可以提高鉆井效率。鉆井效率提高的意義是鉆井系統(tǒng)的輸入能量更多地應(yīng)用于有效破巖，不但鉆進(jìn)速度提高，而且也減少了振動(dòng)和沖擊對(duì)工具的危害。

圖11 抑制黏滑振動(dòng)可提高鉆進(jìn)速度和鉆井效率的示意圖Fig. 11 Stick-slip suppression improving rate of penetration and drilling efficiency

5 結(jié)論

(1)黏滑振動(dòng)是鉆井過(guò)程中常遇到的問(wèn)題，往往導(dǎo)致機(jī)械鉆進(jìn)速度下降，效率低下。學(xué)界和業(yè)界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，發(fā)展出多種抑制黏滑振動(dòng)的技術(shù)，主要分為地面控制和井下控制，取得不同程度的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功。但是，其中地面抑制技術(shù)由于時(shí)間延遲導(dǎo)致抑制效果受影響較為嚴(yán)重，而井下抑制技術(shù)解決了時(shí)間延遲問(wèn)題，其使用效果比較明顯。PDC鉆頭的切屑深度控制對(duì)黏滑振動(dòng)抑制通過(guò)證明為有效，可以提高鉆井效率。

(2)針對(duì)非常規(guī)油氣勘探環(huán)境下頻發(fā)的黏滑振動(dòng)及其抑制技術(shù)，我國(guó)研究人員已開(kāi)展了多年的相關(guān)研究［9］，取得了一定的研究成果，但與國(guó)外技術(shù)有一定的差距。《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》明確要求“開(kāi)發(fā)深海深地等復(fù)雜條件下的油氣礦產(chǎn)資源勘探開(kāi)采技術(shù)，開(kāi)展頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)綜合技術(shù)”。在此背景下，黏滑振動(dòng)抑制技術(shù)的研究將成為一個(gè)重要的攻關(guān)研究方向。