PDC鉆頭在定向井施工中的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

吳云平（中原石油勘探局鉆井三公司SINO21隊(duì)，河南濮陽457001）

PDC鉆頭在定向井施工中的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

吳云平（中原石油勘探局鉆井三公司SINO21隊(duì)，河南濮陽457001）

隨著國(guó)家油氣資源勘探開發(fā)的深入，很多油田都進(jìn)入開發(fā)的中后期，為了提高采收率，定向井越來越多。PDC鉆頭憑借鉆頭壽命長(zhǎng)，機(jī)械鉆速高，耐高溫等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于鉆井行業(yè)。但是PDC鉆頭在用于定向井施工中，出現(xiàn)了造斜困難，工具面不穩(wěn)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速和井深軌跡。

定向井；PDC；鉆速；工具面；趨勢(shì)

1　概述

隨著老油田勘探開發(fā)的需要，為了盡可能的提高采收率，節(jié)約開發(fā)成本，定向井、水平井等特殊工藝井持續(xù)增多。面對(duì)超薄油氣藏，分塊小油氣藏等，定向井的技術(shù)優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來。

PDC鉆頭與原來采用的牙輪鉆頭相比，由于破巖機(jī)理，鑄造材料及設(shè)計(jì)方便的不同，在機(jī)械鉆速和耐磨性上，PDC鉆頭有著巨大的優(yōu)勢(shì)，很多井隊(duì)都愿意采用PDC鉆頭。但是油田定向井持續(xù)增多，很多井隊(duì)在使用PDC鉆頭施工時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)工具面不穩(wěn)定，造斜困難等現(xiàn)象，機(jī)械鉆速降低，嚴(yán)重影響著施工進(jìn)度。牙輪鉆頭雖然造斜容易，工具面比較穩(wěn)定，但是由于鉆頭壽命較短，施工70多個(gè)小時(shí)就要擔(dān)心井下安全，不得不起鉆更換鉆頭，也影響著施工速度。

因此，目前國(guó)內(nèi)外都在研究適合定向施工的PDC鉆頭，滿足日益增多的定向井施工的需要。

2　PDC鉆頭在定向井施工中影響因素分析

PDC鉆頭的破巖機(jī)理是切削式，加上PDC本身設(shè)計(jì)特點(diǎn)，巖石的各向異性，定向井的鉆進(jìn)方式，鉆頭的振動(dòng)，鉆井的相關(guān)參數(shù)等的影響，都會(huì)對(duì)PDC在定向施工中的性能產(chǎn)生影響。

2.1PDC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PDC是以切削齒對(duì)巖石的破壞來實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的。巖石究竟以哪種形式被破壞，與切削齒的后傾角有密切的關(guān)系。PDC在定向井施工中飽受詬病的原因就是工具面的不穩(wěn)定，有人提出通過增加鉆頭切削齒的后傾角，達(dá)到降低鉆頭對(duì)巖石的侵入程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)工具面穩(wěn)定性的控制，從而達(dá)到想要的機(jī)械鉆速。

2.2巖石的各向異性。

地層的復(fù)雜性是難以預(yù)計(jì)的，特別是一些深井超深井。當(dāng)鉆進(jìn)從硬地層進(jìn)入軟地層，或者從軟地層進(jìn)入硬地層時(shí)，都會(huì)對(duì)PDC鉆頭產(chǎn)生一定的側(cè)向力。原因是，當(dāng)鉆頭在各向同性的巖層里鉆進(jìn)時(shí)，各切削齒破壞同樣巖性的地層，這時(shí)就不會(huì)有側(cè)向力產(chǎn)生；而一部分切削齒切削軟地層而當(dāng)一部分切削硬地層時(shí)，這時(shí)側(cè)向力產(chǎn)生，導(dǎo)致鉆頭偏移。

2.3定向井的鉆進(jìn)方式

鉆進(jìn)方式分為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和依靠馬達(dá)的滑動(dòng)鉆進(jìn)。在傳統(tǒng)的定向鉆進(jìn)中，也就是我們通常所說的滑動(dòng)鉆進(jìn)中，鉆柱是不旋轉(zhuǎn)的，鉆頭連接上馬達(dá)的彎接頭上鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)工具面的穩(wěn)定。而轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)鉆進(jìn)，允許鉆出直井眼。隨著井斜角和位移的增加，鉆柱上的摩擦阻力增大，鉆壓不能有效的全部加到鉆頭上，尤其是在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，由于磨阻的增加，時(shí)常造成脫壓。因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱運(yùn)動(dòng)是切線方式，磨阻產(chǎn)生的扭矩，用于產(chǎn)生鉆柱的旋轉(zhuǎn)。而滑動(dòng)鉆進(jìn)，磨阻全部加在鉆頭上，隨著磨阻的不斷變化，鉆頭上的鉆壓也時(shí)大時(shí)小，由于PDC切削式的破巖方式，就容易造成鉆頭的劇烈震動(dòng)，從而使得工具面非常難控制。

2.4鉆井相關(guān)參數(shù)影響

鉆井相關(guān)參數(shù)包括鉆壓，排量，機(jī)械鉆速，外部剖面長(zhǎng)度等。鉆壓是鉆井行業(yè)中最常用的詞匯，在鉆井中是十分重要的。鉆壓增加時(shí)，在一般常見地層鉆進(jìn)中，都會(huì)增加井斜，同時(shí)隨著鉆壓的逐漸增加，井斜也隨之增加；同時(shí)隨著鉆壓的增大，鉆頭的方位力接近消失，有利于維持方位的穩(wěn)定。鉆進(jìn)過程中，排量越大，井底的破巖速度就會(huì)增加，井底鉆井液的攜巖能力也會(huì)增強(qiáng)，井底清潔度會(huì)變好，有利于減少鉆頭的振動(dòng)和側(cè)向偏移。國(guó)外研究表明PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中容易左漂移，其中PDC鉆頭的外部剖面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，漂移趨勢(shì)越明顯。

3　定向施工中PDC鉆頭的發(fā)展趨勢(shì)

定向井日趨增多，而PDC鉆頭有著提速耐用的核心優(yōu)勢(shì)，但是在定向井施工中，工具面不穩(wěn)影響機(jī)械鉆速。未來的發(fā)展趨勢(shì)就是要向在保證機(jī)械鉆速的同時(shí)，通過改變鉆頭的結(jié)構(gòu)，能夠減少鉆頭振動(dòng)和發(fā)生側(cè)向偏移的可能，達(dá)到工具面穩(wěn)定的目的。

3.1改變?cè)绣F形設(shè)計(jì)，換成平坦冠部輪廓

實(shí)際施工中，PDC冠部錐度越高，鉆頭受到的側(cè)向力就越大，越容易發(fā)生橫向偏移。可以將錐形部分設(shè)計(jì)改成平坦的輪廓，減少側(cè)向力的出現(xiàn)，防止橫向偏移的發(fā)生。

3.2改變刀翼形狀和布置形式

PDC的破巖機(jī)理就是切削式，切削齒普遍分布在刀翼上，這種分布雖然在一定程度上能夠保持切削巖石的高效，但是容易受到側(cè)向力的干擾，給工具面的穩(wěn)定性帶來不利影響。可以將刀翼設(shè)計(jì)成螺旋式，這樣就減少了鉆頭發(fā)生回旋的可能。

3.3改變切削齒的布置方式

采用軌徑布齒，就是在鉆頭半徑上布置數(shù)量不均的切削齒，減少同心圓環(huán)之間切削齒重疊的幾率，這樣可以使PDC鉆頭在井底形成不平滑的輪廓，減少偏移情況的發(fā)生。

現(xiàn)在常用的PDC鉆頭的布齒密度較大，在較大的鉆壓下，井底的鉆具組合容易發(fā)生扭曲變形。采用小密度的布齒，配上小鉆壓，一樣可以達(dá)到期望的機(jī)械鉆速，又有助于減少鉆頭振動(dòng)，保持井下鉆具的安全。

4　結(jié)語

PDC鉆頭在定向井施工中廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果。雖然在使用過程中存在工具面不穩(wěn)影響施工進(jìn)度的情況，但是隨著PDC鉆頭理論的革新和技術(shù)的發(fā)展，相信PDC鉆頭能不斷的提升定向井的施工效率。

［1］定向井PDC鉆頭的發(fā)展趨勢(shì)。孫金潮，劉海洋，宋永芳。中國(guó)化工貿(mào)易，2014.5.

［2］影響PDC鉆頭在定向井中性能的原因分析。徐建飛。價(jià)值工程，2012.2.

［3］復(fù)合PDC鉆頭在樁西地區(qū)定向井中的應(yīng)用。范兆祥。鉆采工藝，2003.4.