新型自調節式PDC鉆頭

■ 申守慶 劉 莉

自從幾十年前被首次引入到石油天然氣鉆井工業界以來，聚晶金剛石（PDC）鉆頭在發展過程中經歷了無數次的技術改進，比如切削齒技術的飛速發展和抗回旋技術的成功應用等，但最近所出現的一種新型PDC鉆頭技術則是切削深度（DOC）控制技術。這種切削深度控制技術是于2000年以后被應用于PDC鉆頭上的，其目的是通過管理鉆頭的切削攻擊能力從而有效降低井下扭轉振動。然而，當今鉆井工業界所面臨的重大挑戰之一是用單只鉆頭一次下井鉆完地層巖性完全不同的各個井段，基于這種要求，固定式PDC鉆頭卻始終不能完美地實現這一目標，根據固定式PDC鉆頭本身結構的固有特性，在鉆井過程中不得不在某些井段中容忍一定的振動，或者在另一些井段中無法實現理想的機械鉆速（ROP）。

而切削深度（DOC）控制技術卻能夠有效地提高鉆井作業的穩定性以及鉆井效率，這對其技術本身而言是一種重大的突破，但是，傳統的切削深度控制元件是被固定化在鉆頭上某個固定的位置且通常也只適用于一種特定的巖石硬度，這樣，隨著鉆井深度的增加，就可能會需要更換鉆頭，這也就增加了鉆井過程中的浪費性非生產時間。

為了解決這一實際問題，美國貝克休斯公司技術人員開發出一種能夠在鉆井過程中自動調節切削深度的PDC鉆頭，這種鉆頭不但能夠延緩鉆頭的損壞并提高綜合機械鉆速，同時還有利于自動鉆井作業的發展并有望使用單只鉆頭一次性鉆完各種難鉆井段。

這種新型鉆頭技術的工作特點是通過使切削深度控制特征隨時適應不斷變化的鉆井環境、最大程度地減少鉆井過程中的粘/滑現象并有效提高機械鉆速。其自動調節裝置實際上是一種被封裝在自帶式套筒內的被動式液體力學反饋機構，裝置套筒安裝在鉆頭的刀翼中，見下圖。

自動調節裝置的基本工作原理是，切削深度控制元件安裝在套筒上，套筒通過專門設計的基于鉆進速度的收縮和快速擴展動作而對外部載荷產生反應，這樣，只有在鉆頭出現有害振動時其切削深度控制功能才會被啟動，而在正常的穩態鉆井條件下該功能不會發生作用，從而能夠實現快速和更為有效的鉆井進程。

鉆頭可設計帶有三個裝置套筒，它們使切削深度控制機構與鉆井液相互隔離，并具有壓力和溫度補償能力。整個裝置為精致小巧的可更換型模塊設計，便于在鉆頭刀翼上的安裝和拆卸。另外，該控制裝置為故障安全型設計，套筒組件本身的失效不會使鉆頭失效，也不會對鉆井進程造成嚴重的影響，鉆頭可以照樣像標準的PDC鉆頭那樣繼續鉆進。

如果遇到對鉆井進程不利的情況，比如產生了會引起鉆柱粘/滑現象的周期性切削深度波動、在夾層地層中切削深度發生突然變化、或因鉆壓變化而造成切削深度波動時，切削深度控制元件就會快速擴展與地層相互嚙合并吸收部分鉆壓，從而以最快的速度達到使振動減小的目的。

相反，在正常穩態鉆井中變換操作參數時，則切削深度控制元件會逐漸縮回，從而不會吸收鉆壓并使鉆頭能夠以較大的切削深度向下鉆進。如此，在較軟的井段、在鉆壓受到限制的水平井段以及在以較高機械鉆速為鉆井目標的相似情況下鉆井進程就會更快且效率更高。

自調節式PDC鉆頭在剛開始鉆進時其切削深度控制元件處于伸展位置。在一口具有三種不同井段的井內，比如最上部的井段較軟且不容易發生粘/滑現象，而下面兩個井段的巖層則是不同的、容易發生粘/滑現象的巖性，則鉆頭的切削深度控制元件會針對每個井段的地層情況作出不同的響應。

在較軟的頂部井段巖層中，切削深度控制元件會在幾分鐘以內逐漸縮回，直到其接觸力達到一個較小的值后為止，此時，鉆頭就像一只標準的PDC鉆頭那樣以一定的鉆壓（WOB）平穩地向下鉆進，而切削深度控制元件則不與地層相嚙合。在鉆頭鉆到下面的地層后，如果切削深度控制元件開始快速波動，則整個調節機構就會快速伸展從而使切削深度控制元件與地層相嚙合，阻止鉆頭上突發的內向運動，產生一個較大的接觸力。

阻止切削深度加大的結果是能夠防止粘/滑現象的發生，但是，如果無論如何都還是會發生粘/滑現象的話，則調節機構就會針對每個粘/滑周期進行具體的調節，直到這種粘/滑現象被消除或是其嚴重性得以有效減小后為止。

為了對這種新型自調節式PDC鉆頭的設計概念進行實用性驗證，貝克休斯公司設計制造出一只83/4英寸的原型鉆頭并在實驗室進行了圍壓鉆井試驗，在試驗過程中，無論是在快速還是在慢速情況下鉆頭對切削深度變化的響應都很好；實驗室試驗成功后，又在美國俄克拉荷馬州一個具有多種變化地層的井場對該鉆頭進行了現場試驗，在試驗中觀察到，該鉆頭不但能夠在鉆進過程中有效的減小鉆柱的粘/滑現象且同時還能提高鉆井機械鉆速。

由于這種新型自調節式鉆頭能夠在多種地層中有效減小粘/滑現象，因而使鉆頭工作更加穩定，可以向鉆頭輸送更大的功率，進而大幅提高了鉆頭的綜合鉆井性能。通過與固定式PDC鉆頭的對比試驗發現，隨著對鉆井參數進行調節以便以較低的機械比能和更高的機械鉆速實現更快和更為有效的鉆井進程，在機械鉆速超過每小時10.40米后，固定式PDC鉆頭便會發生嚴重的粘/滑現象，而這種新型自調節式PDC鉆頭在機械鉆速達到每小時27.40米時卻仍然沒有發生粘/滑現象。

這種新型自調節式PDC鉆頭的調節機構中不含任何電子傳感元件，因而成本不高但可靠性卻更好。通過各種試驗已經證實了這種新型鉆頭結構的發展潛力，這為在更為惡劣的鉆井環境中對這種新型鉆頭進行現場試驗奠定了牢固的基礎，同時也向建造全套的自動鉆井系統又邁進了一大步。