定向井PDC鉆頭結構改進

李凱（勝利油田石油工程技術開發中心 山東東營 257000）

PDC鉆頭在砂泥巖地層鉆井過程中，相比于其他類型的鉆頭，具有許多優勢，PDC鉆頭的鉆井速度快，工作的時間長，可以有效的節約石油鉆井的成本，而且PDC鉆頭的耐高溫性要比牙輪鉆頭好很多，因此PDC鉆頭非常適用于定向井鉆井。在定向井鉆井過程中，井眼軌跡的定向和造斜是定向井的關鍵技術，也是容易出現問題的鉆井作業。由于造斜過程導致了鉆頭性能的不穩定，增加了鉆頭鉆進的偏移量，鉆頭的鉆進速度也隨之降低，定向井鉆井的質量和準確性也受到影響。鉆頭結構是定向井鉆井過程中，保證鉆頭保持優異性能的關鍵，因此需要合理的設計鉆頭的結構。通過對PDC鉆頭各個結構和參數的分析，得到PDC鉆頭的各參數對定向井鉆井的影響，從而為專門的定向井PDC鉆頭設計提供設計依據。保證設計出的PDC鉆頭具有優良的性能，最大限度的發揮出PDC鉆頭在定向井鉆井過程中優勢，從而有效的提高定向井鉆井的效率和質量，解決定向井鉆進過程中一項關鍵技術，降低定向井鉆井作業成本。

一、定向井PDC鉆頭冠部形狀設計

在定向井PDC鉆頭冠部設計中，內錐設計是非常重要的，通過研究發現，當定向井PDC鉆頭外錐形狀一定的條件下，給PDC鉆頭施加一定的鉆井壓力之后，如果定向井PDC鉆頭的內錐深度減小，那么PDC鉆頭施加到巖石的作用力將會加大。因此為了提高鉆頭的破巖效率，需要將PDC鉆頭的內錐設計為淺錐形，但是如果PDC鉆頭的內錐的深度過淺，將會加劇鉆頭的不穩定性，而且會加劇鉆頭的損壞，合理的鉆頭內錐深度，不但能夠保證鉆頭的穩定性和工作壽命，同時還能夠增大鉆頭作用到巖石上的力，從而有效的提高定向井的鉆井速度。通過巖石模型的模擬分析可得，如果PDC鉆頭的內錐深度過大，很難形成鉆頭切削齒的高效切削作用。通過選擇合理的鉆頭深度可以有效的提高鉆頭的穩定性。對于石油鉆井經常鉆遇的中軟地層，可以適當的增加鉆頭內錐的深度，提高鉆頭的穩定性，保證鉆頭的工作質量。當石油鉆井地層的可鉆性變化較大時，地層的軟硬交替程度較高，對著這種復雜的地層，很容易造成PDC鉆頭的損壞，當定向井PDC鉆頭從較軟的地層進入到較硬的地層后，鉆頭的冠部最先和硬地層相接觸，鉆頭冠部受到的力逐漸的增大，鉆頭冠部的切削齒的受力要比在軟地層中切削齒的受力要大。如果鉆頭內錐的深度適當的得到減小，將會有效的降低這種作用。而當定向井鉆頭要從硬地層中鉆出時，只有鉆頭外部少數的保徑齒，以及鉆頭上部還存在硬地層中，這樣會大大的增加鉆頭出現事故的概率。由于這些接觸位置的強度不高，如果受力不穩，容易造成定向井鉆頭的損壞。鉆頭受到的壓力和工作扭矩，很大一部分將會由硬地層中少量的切削齒來承擔，所以在這種條件下，容易造成定向井鉆頭切削齒的崩落，進而造成鉆頭的損壞，這種情況下需要盡量的減小鉆頭內錐的深度，使鉆頭的內錐的部分切削齒和保徑齒，也能夠承擔鉆井壓力，從而保證鉆頭的安全性。

二、定向井PDC鉆頭切削齒設計

在定向井鉆井過程中，隨著鉆頭受到扭矩和壓力的不斷增大，鉆頭的切削齒存在損壞和崩落的概率越來越大。鉆頭受到的扭矩和壓力的增大，而鉆頭切削齒是承擔鉆頭受力的主要部件，因此鉆頭切削齒所受到的壓力和扭矩就會不斷的增大，隨著切削齒工作時間的不斷增長，切削齒和巖石之間摩擦時間越來越長，產生的熱量就越來越多，從而大大的增加了PDC鉆頭切削齒的工作溫度，當切削齒的工作溫度上升后，切削齒的工作壽命將會得到大大的減小。而且鉆頭受到的軸向力增加時，鉆頭工作過程中受到的縱向載荷將會隨之增大。鉆頭旋轉過程中受到的摩擦力也會不斷增大，很容易造成定向井鉆井扭矩的突變，影響到鉆頭的穩定性，進而加速了定向井鉆頭的磨損。依據定向井鉆井的實際條件，在保證鉆井速度和鉆井質量的前提下，設計的定向井PDC鉆頭切削齒采用較小的切削角度。定向井PDC鉆頭切削齒的設計中，如果采用變后傾角的設計，可以有效的降低鉆頭內錐的受力，改善鉆頭的受力狀況。在利用變后傾角鉆頭進行切削巖石時，鉆頭的最下部已經將井眼的內巖石基本清除完畢，冠部內部的巖石不會再受到地層圍壓的影響，因此該條件下的巖石更利于切削。如果采用剪切破巖的方式，可以有效的提高該處巖石的破碎效率。變后傾角度設計，鉆頭的冠部最頂端受到的力為最大值。因此在鉆頭冠部的最頂端應當適當的增加切削齒的數量。變后傾角的設計，會大大提高鉆頭的導向能力，通過采用該類型的結構設計，既可以提高定向井鉆頭的切削速度，同時還能夠保證鉆頭具有較高的定向和造斜功能。鉆頭主要的保徑齒的高度通常要高于切削齒的后傾角高度，避免當鉆頭發生較大的橫向振動時，鉆頭的切削齒不會受到破壞。

結束語

隨著石油資源的不斷減少，定向井在增加油氣資源儲量，提高油氣產量方面發揮著越來越重要的作用。定向井鉆井鉆頭的結構和參數對于定性井鉆井速度和鉆井質量影響較大。因此需要不斷的加強定向井鉆頭的結構研究。PDC鉆頭的-內錐深度過大，很難形成鉆頭切削齒的高效切削。通過選擇合理的鉆頭內錐深度，可以有效的提高鉆頭的穩定性。石油鉆井經常鉆遇的中軟地層，可以適當的增加鉆頭內錐的深度。采用變后傾角的設計，可以有效的降低鉆頭內錐的受力，改善鉆頭的受力狀況。在鉆頭冠部的最頂端應當適當的增加切削齒的數量。變后傾角的設計，會大大提高鉆頭的導向能力。通過研究對于改善定向井鉆頭的工作狀況，提高定向井鉆井的效率和質量具有重要的意義。

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