定向井工程師在鉆井過(guò)程中的鉆頭調(diào)整策略研究

秦 鑫

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

在鉆井施工過(guò)程中，鉆井工程師是主要的施工人員，同時(shí)也是重要的技術(shù)支持人員。對(duì)鉆井工作來(lái)說(shuō)，鉆頭是最基本的工具，通過(guò)鉆頭能夠更好地進(jìn)行鉆井工作[1]。由于地質(zhì)條件、周圍環(huán)境以及自身操作水平等方面的影響，鉆井過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一些復(fù)雜情況，從而影響鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。針對(duì)這一情況，定向鉆井工程師必須對(duì)鉆頭進(jìn)行有效調(diào)整，確保能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2-3]。但是在實(shí)際調(diào)整過(guò)程中，常常會(huì)受到一些因素的影響而無(wú)法達(dá)到理想效果[4]。為此，定向鉆井工程師必須對(duì)此有足夠的認(rèn)識(shí)，明確鉆頭調(diào)整過(guò)程中存在的問(wèn)題，并采取相應(yīng)措施解決這些問(wèn)題，從而有效提升鉆頭調(diào)整效果?；诖耍疚膶⒅攸c(diǎn)探討定向井工程師在鉆井過(guò)程中鉆頭調(diào)整策略問(wèn)題。

1 定向井鉆頭與鉆頭結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)

定向井鉆井施工是指在地下進(jìn)行定向鉆探的一種施工方式。定向井鉆井施工通過(guò)控制鉆孔的方向和傾角，實(shí)現(xiàn)在地層中特定方向和深度的鉆探操作。定向井鉆井施工可以用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如石油和天然氣勘探、地質(zhì)調(diào)查、地下水開(kāi)采、地?zé)崮芾玫?。定向井鉆井施工通常包括以下幾個(gè)主要步驟[5-6]。

1）根據(jù)需要，確定鉆井的目標(biāo)和要求，包括鉆井方向、傾角、目標(biāo)層位等。根據(jù)這些要求進(jìn)行井眼設(shè)計(jì)，確定鉆井方案和參數(shù)。

2）根據(jù)井眼設(shè)計(jì)和地層條件，選擇合適的鉆具和工具，包括選擇合適的鉆頭、導(dǎo)向工具、測(cè)量工具和固井材料等。接著進(jìn)行鉆井操作，根據(jù)井眼設(shè)計(jì)要求，逐步進(jìn)行鉆進(jìn)過(guò)程。

3）在鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)使用導(dǎo)向工具和測(cè)量工具，控制鉆孔的方向和傾角。導(dǎo)向工具可以是導(dǎo)向齒輪、導(dǎo)向彈簧、導(dǎo)向螺旋槽等，用于控制鉆頭的方向和傾角。測(cè)量工具用于測(cè)量鉆孔的方向和傾角，并提供實(shí)時(shí)的定位信息[7-8]。

4）根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)反饋信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和鉆進(jìn)過(guò)程的調(diào)整。

5）根據(jù)需要，及時(shí)調(diào)整鉆頭方向和傾角，確保鉆孔按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。當(dāng)鉆進(jìn)到目標(biāo)層位后，進(jìn)行固井操作，用固井材料將井壁固定，防止井眼塌陷和地層涌水。完成固井后，進(jìn)行井筒完井，包括套管安裝和井口設(shè)施的建設(shè)。定向井鉆井施工需要高度的技術(shù)和操作精確性，涉及鉆具的選擇、鉆井參數(shù)的控制、測(cè)量和導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用等方面。合理的井眼設(shè)計(jì)和精細(xì)的施工操作能夠保證定向井鉆井施工的順利進(jìn)行，并達(dá)到預(yù)期的鉆探目標(biāo)。

定向井鉆頭是在井孔中進(jìn)行定向鉆探的工具。定向井鉆頭通常采用切削結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)切削巖石來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井進(jìn)展。切削結(jié)構(gòu)包括齒輪切削和鉆頭切削兩種形式。齒輪切削鉆頭通常具有錐形或圓柱形切削齒輪，通過(guò)齒輪與地層接觸并旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)巖石切削。齒輪切削鉆頭適用于一般的地層，具有較高的切削效率和較長(zhǎng)的使用壽命。

切削鉆頭主要通過(guò)鉆頭本身的切削結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)巖石切削。切削鉆頭通常具有多個(gè)切削牙或切削面，可以快速、高效地切削地層。切削鉆頭適用于較硬的地層和復(fù)雜的井斜角度[9-10]。定向井鉆頭通常配備導(dǎo)向裝置，用于控制鉆頭的方向和傾角。導(dǎo)向裝置可以是導(dǎo)向齒輪、導(dǎo)向彈簧、導(dǎo)向螺旋槽等。通過(guò)導(dǎo)向裝置的作用，鉆頭可以沿著預(yù)定的路徑進(jìn)行鉆探，實(shí)現(xiàn)井孔的定向控制。由于定向井鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中面臨的側(cè)向和縱向力的變化，鉆頭的穩(wěn)定性非常重要。為了提高鉆頭的穩(wěn)定性，定向井鉆頭通常采用增加切削牙數(shù)目、優(yōu)化切削結(jié)構(gòu)、增加導(dǎo)向裝置等方式來(lái)增強(qiáng)鉆頭的剛性和抗震能力。根據(jù)具體的地層特點(diǎn)和鉆井要求，選擇合適的定向井鉆頭非常重要。不同類型的鉆頭適用于不同的地層條件和井孔要求，例如平面鉆頭、斜面鉆頭、彎曲鉆頭等。

2 定向井建設(shè)過(guò)程中鉆頭調(diào)整基本原則

在定向井建設(shè)過(guò)程中，鉆頭調(diào)整是非常關(guān)鍵的操作，其可以確保井孔按照預(yù)定的方向和軌跡進(jìn)行鉆探。鉆頭調(diào)整的基本原則：首先是遵循目標(biāo)軌跡。根據(jù)地質(zhì)勘探的要求和鉆井設(shè)計(jì)，確定目標(biāo)軌跡，并通過(guò)測(cè)量和導(dǎo)向工具實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井孔的方向和位置。在鉆探過(guò)程中，鉆頭調(diào)整應(yīng)使井孔保持在目標(biāo)軌跡上，確保井孔的準(zhǔn)確鉆進(jìn)。其次是及時(shí)響應(yīng)地質(zhì)情況。根據(jù)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，鉆井工程師需要判斷井孔中的地質(zhì)情況，并根據(jù)地質(zhì)變化及時(shí)調(diào)整鉆頭。例如，在遇到堅(jiān)硬巖層時(shí)，可能需要采取增加鉆頭轉(zhuǎn)速或增加鉆壓等措施；而在遇到軟弱地層時(shí)，可能需要減小鉆頭轉(zhuǎn)速或減小鉆壓，以避免井孔的偏斜或塌陷。接著需要考慮井孔穩(wěn)定性。鉆頭調(diào)整應(yīng)考慮井孔的穩(wěn)定性，以防止井孔的塌陷或偏斜。在遇到易塌陷地層或高滲透性地層時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)你@井液處理措施，以提供足夠的支撐力和保持井孔的穩(wěn)定，還需要保持鉆頭磨損均勻。鉆頭的磨損會(huì)影響鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量。為了保持鉆頭的良好狀態(tài)，應(yīng)定期檢查和調(diào)整鉆頭，以確保其磨損均勻。在需要更換鉆頭時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的鉆頭類型和規(guī)格。最后需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行鉆頭調(diào)整時(shí)，需要權(quán)衡成本和效益，確保在保證鉆進(jìn)質(zhì)量的前提下，盡量減少不必要的時(shí)間和資源消耗。這些原則可以幫助確保定向井建設(shè)過(guò)程中的鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量，提高鉆井工程的成功率。

3 鉆頭結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

在定向井鉆井過(guò)程中，所使用的鉆頭種類比較多，結(jié)構(gòu)形式也不盡相同，如 PDC 鉆頭、牙輪鉆頭、全瓷鉆頭以及復(fù)合片鉆頭等。不同種類的鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中的作用和特點(diǎn)也存在一定差異，因此在使用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的鉆頭。

1）PDC 鉆頭具有較好的切削性能，且價(jià)格相對(duì)較低，在使用過(guò)程中能夠有效提升鉆井施工效率。

2）全瓷鉆頭具有較好的耐磨性能，且機(jī)械鉆速比較高，在定向鉆井過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛。

3）牙輪鉆頭能夠有效提升鉆井施工效率和質(zhì)量。

4）復(fù)合片鉆頭具有較好的適應(yīng)能力和抗磨損性能。但是復(fù)合片鉆頭也存在一定不足之處，主要是加工難度比較大。

通過(guò)分析可知，PDC 鉆頭、牙輪鉆頭以及復(fù)合片鉆頭三種結(jié)構(gòu)形式各有特點(diǎn)。在使用過(guò)程中必須結(jié)合具體情況選擇合適的鉆頭，在滿足鉆井施工需求的基礎(chǔ)上提升鉆井效率。同時(shí)還必須注意鉆井液性能和排量對(duì)鉆井施工效率的影響。如果鉆井液性能和排量較低，則容易導(dǎo)致鉆井液濾失量過(guò)大而影響到鉆井作業(yè)效率；如果鉆井液性能和排量較高，則容易導(dǎo)致井底壓力過(guò)大而影響到鉆井施工效率。為此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中必須對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化和處理，確保能夠達(dá)到理想效果。

4 常見(jiàn)鉆頭調(diào)整方法及注意事項(xiàng)

在定向井建設(shè)過(guò)程中，常見(jiàn)的鉆頭調(diào)整方法包括以下幾種。

1）旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整。調(diào)整鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度可以對(duì)井孔的方向進(jìn)行微調(diào)。增加旋轉(zhuǎn)速度可以使鉆頭向目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)，而減小旋轉(zhuǎn)速度可以使鉆頭與井孔壁摩擦減小，從而減小井孔的偏斜。

2）推拉力調(diào)整。推拉力的調(diào)整可以改變鉆頭與井孔壁之間的摩擦力，從而改變井孔的方向。增加推拉力可以使鉆頭向井孔的底部推進(jìn)，而減小推拉力則有助于減少井孔的偏斜。

3）扭矩調(diào)整。調(diào)整鉆頭的扭矩大小可以改變鉆頭對(duì)井孔壁的切削力，從而調(diào)整井孔的方向。增加扭矩可以增大切削力，使鉆頭朝目標(biāo)方向前進(jìn)，而減小扭矩則有助于減少井孔的偏斜。

4）鉆頭改變。在遇到特殊地質(zhì)情況或需要調(diào)整井孔方向時(shí)，可以更換不同類型或尺寸的鉆頭。不同的鉆頭具有不同的切削能力和穩(wěn)定性，通過(guò)選擇合適的鉆頭可以更好地滿足調(diào)整需求。在進(jìn)行鉆頭調(diào)整時(shí)，還需要注意以下幾點(diǎn)。①需要實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)控。及時(shí)測(cè)量和監(jiān)控井孔的方向和位置對(duì)鉆頭調(diào)整至關(guān)重要。通過(guò)使用導(dǎo)向工具、測(cè)斜儀、地震測(cè)井等技術(shù)手段，可以實(shí)時(shí)獲得井孔的相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆頭調(diào)整。②進(jìn)行地質(zhì)情況分析。充分分析井孔中的地質(zhì)情況，包括地層性質(zhì)、地應(yīng)力分布等因素。地質(zhì)情況對(duì)鉆頭調(diào)整起著重要指導(dǎo)作用，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的鉆頭調(diào)整方法。③還需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)防。鉆頭調(diào)整涉及井孔穩(wěn)定性、工作安全等方面的風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行鉆頭調(diào)整前，需要對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施，確保工作的安全進(jìn)行。④需要采取團(tuán)隊(duì)合作。鉆頭調(diào)整需要鉆井工程師、測(cè)井工程師、地質(zhì)工程師等多個(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作。各專業(yè)人員之間需要緊密合作，及時(shí)溝通和協(xié)調(diào)，確保鉆頭調(diào)整的順利進(jìn)行。通過(guò)合理的鉆頭調(diào)整方法和注意事項(xiàng)，可以在定向井建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精確的井孔控制，滿足工程設(shè)計(jì)要求，并提高鉆井工作的效率和質(zhì)量。

5 調(diào)整時(shí)存在的問(wèn)題與策略分析

在進(jìn)行鉆井過(guò)程中，定向鉆井工程師通常需要對(duì)鉆頭進(jìn)行調(diào)整，但在實(shí)際調(diào)整過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到很多因素的影響而導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到理想效果。針對(duì)這一情況，定向鉆井工程師必須對(duì)這些影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，從而找到應(yīng)對(duì)策略。通常情況下，定向鉆井工程師在調(diào)整時(shí)主要存在以下幾方面的問(wèn)題。

1）鉆頭存在嚴(yán)重的磨損問(wèn)題。由于在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)磨損情況，而鉆頭一旦出現(xiàn)磨損問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致鉆頭無(wú)法正常工作，從而無(wú)法有效地開(kāi)展鉆井作業(yè)?？梢酝ㄟ^(guò)更換新的鉆頭、提升鉆頭質(zhì)量等方式來(lái)確保鉆頭能夠正常使用。

2）井下情況復(fù)雜。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，井下情況復(fù)雜。比如：存在著各種井涌、井漏等情況，這些情況都可能對(duì)定向鉆井工作造成一定影響。

3）井眼軌跡不規(guī)則。在實(shí)際施工過(guò)程中，井眼軌跡不規(guī)則是一種較為常見(jiàn)的現(xiàn)象。由于井眼軌跡不規(guī)則會(huì)導(dǎo)致定向鉆井工作受到一定影響，從而影響到定向鉆井工作的順利進(jìn)行?？梢詰?yīng)用井眼軌跡優(yōu)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于石油資源的需求量越來(lái)越大，在石油開(kāi)采過(guò)程中，定向鉆井工程發(fā)揮著重要作用。定向鉆井工程師通過(guò)合理調(diào)整鉆頭，可以提高鉆井速度，確保鉆井作業(yè)質(zhì)量。但是在實(shí)際操作過(guò)程中，常常會(huì)受到諸多因素的影響而無(wú)法達(dá)到理想效果。通過(guò)分析在鉆井過(guò)程中鉆頭調(diào)整存在的問(wèn)題，可以發(fā)現(xiàn)其調(diào)整方法比較單一，而且還存在較大的局限性。為此，定向鉆井工程師必須結(jié)合實(shí)際情況對(duì)鉆頭調(diào)整方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而提高鉆井作業(yè)效率和質(zhì)量。