定向井用PDC鉆頭研究

展新

摘要：定向井技術(shù)可以更好地對(duì)油藏進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，定向井作業(yè)采用PDC鉆頭可以有效提高鉆井效率，保證鉆井質(zhì)量。在實(shí)際的定向井鉆井作業(yè)過(guò)程中，采用PDC鉆頭進(jìn)行作業(yè)，存在著方位和軌跡與設(shè)計(jì)產(chǎn)生偏移的問(wèn)題，影響著鉆井作業(yè)質(zhì)量。本文對(duì)定向井PDC鉆頭與地下儲(chǔ)層作用力建立起模型，并對(duì)鉆頭受力進(jìn)行深入地分析，并對(duì)定向井PDC鉆頭鉆井趨勢(shì)影響因素進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：定向井鉆井;PDC鉆頭;影響因素

隨著定向井鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)定向井作業(yè)采用的工具提出了新的要求。定向井鉆井作業(yè)需要面對(duì)較為復(fù)雜的地質(zhì)條件，還需要保證較好的鉆井質(zhì)量，需要對(duì)PDC鉆性能通過(guò)不斷優(yōu)化和提升，確定出最為合理的鉆頭結(jié)構(gòu)方式和配置參數(shù)，可以更好地保證鉆井作業(yè)速度。所以，需要對(duì)定向井用PDC鉆頭進(jìn)行深入地研究，保證鉆頭具備較高的鉆井作業(yè)效率和使用壽命。

1定向井PDC鉆頭與地下儲(chǔ)層作用力模型分析

PDC鉆頭應(yīng)用到定向井鉆井作業(yè)時(shí)，與地下儲(chǔ)層產(chǎn)生的作用存在著較多的影響因素，需要確定出地下儲(chǔ)層巖體具備的定量參數(shù)，采用定量分析辦法對(duì)不同方向的參數(shù)進(jìn)行確定。由于地下儲(chǔ)層巖體形成原因比較復(fù)雜，具備的強(qiáng)度和硬度在不同方向上有著較大的不同，存在的各向異性會(huì)對(duì)PDC鉆頭產(chǎn)生影響。定向井鉆井作業(yè)過(guò)程中，鉆遇機(jī)率最高的就是沉積巖地層，該地層的地質(zhì)條件有著各向異性現(xiàn)象，會(huì)使得鉆井作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)鉆頭偏離設(shè)計(jì)井眼軌跡的問(wèn)題，會(huì)對(duì)鉆井質(zhì)量造成影響，也會(huì)降低鉆井施工作業(yè)效率。在PDC鉆井向前挺進(jìn)過(guò)程中，會(huì)具備軸向鉆井趨勢(shì)，還會(huì)形成側(cè)向鉆進(jìn)趨勢(shì)，該種鉆頭會(huì)在軸向、側(cè)向形成兩個(gè)挺進(jìn)趨勢(shì)，使得形成的井眼軌跡偏離原計(jì)劃軌跡。在對(duì)鉆頭進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，多注重軸向鉆進(jìn)性能，防止鉆井作業(yè)過(guò)程中存在側(cè)向鉆井問(wèn)題。對(duì)PDC鉆頭水力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也多考慮軸向鉆進(jìn)性能，規(guī)格型號(hào)不同的鉆頭在軸、側(cè)鉆性能方面也有著很大差異，會(huì)結(jié)合地下儲(chǔ)層參數(shù)，采用理論計(jì)算的辦法，也可以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)開(kāi)展破裂試驗(yàn)，從而得到PDC軸、側(cè)方向鉆進(jìn)參數(shù)。定向井鉆井作業(yè)利用PDC鉆頭會(huì)形成三種不同類(lèi)型的側(cè)向力，鉆井工具結(jié)構(gòu)方式會(huì)使其具備側(cè)向力，鉆頭結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力，再就是地下儲(chǔ)層巖層產(chǎn)生的側(cè)向力。把鉆頭對(duì)地下儲(chǔ)層巖石形成的作用力進(jìn)行深入分析，并對(duì)鉆頭在井身底部位移改變進(jìn)行研究，通過(guò)坐標(biāo)變換來(lái)分析PDC鉆頭結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)向力的產(chǎn)生的影響，再考慮到地下儲(chǔ)層巖石具備的每個(gè)方向異性參數(shù)，可以建立起井筒底部鉆頭和地下儲(chǔ)層間的作用力模型。

一般情況下，鉆井作業(yè)過(guò)程中遇到的地下儲(chǔ)層都具備均值質(zhì)性特點(diǎn)，但不管均質(zhì)性程度如何，如果鉆頭軸、側(cè)鉆性能參數(shù)一樣，在定向井作業(yè)環(huán)境下PDC鉆頭形成的合力方向，也無(wú)法完全保證與鉆頭位移方向相同。鉆頭合力的方向會(huì)與位移方向存在著一定的角度，可以簡(jiǎn)化之后建立起三維鉆速模型，用于對(duì)地下儲(chǔ)層巖石具備的非均質(zhì)性對(duì)外頭側(cè)向力的影響進(jìn)行分析。地下儲(chǔ)層受到的力與機(jī)械作用力有著較大的差別，進(jìn)行受力分析時(shí)需要把具備的特性參數(shù)變換成作用力，可以便于分析受力情況，而巖石受力情況與每個(gè)方向異性參數(shù)有著直接關(guān)系，只只有在鉆井作業(yè)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)作用力的存在。對(duì)定向井井眼軌跡進(jìn)行分析可以知道，鉆頭上鉆井工具的結(jié)構(gòu)方式，可對(duì)PDC鉆頭形成側(cè)向力，并控制鉆頭旋轉(zhuǎn)的角度。把鉆井工具和鉆頭具備的特性參數(shù)引入到作用力模型，可以得到鉆頭挺進(jìn)過(guò)程中側(cè)向力，可以為鉆井作業(yè)方案的制定提供參考。

2定向井PDC鉆頭鉆井趨勢(shì)影響因素

定向井鉆井作業(yè)過(guò)程中，對(duì)鉆頭鉆井趨勢(shì)產(chǎn)生的影響的因素比較多。主要有鉆井工具、鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地下儲(chǔ)層巖石特性、選用的鉆井參數(shù)等。每種影響因素對(duì)鉆頭鉆進(jìn)趨熱影響機(jī)理有著較大的不同，結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)，并應(yīng)用分析軟件來(lái)對(duì)鉆頭鉆井趨勢(shì)影響因素進(jìn)行分析。

如果鉆井組合工具中的扶正器直徑尺寸增加，則會(huì)對(duì)鉆頭井斜力產(chǎn)生一定影響，會(huì)使井眼軌跡斜度變大，但不會(huì)對(duì)鉆頭方位力產(chǎn)生太大的影響。如果在大斜度定向井施工時(shí)，不可以增大扶正器直徑尺寸來(lái)控制井眼斜度和方位。如果PDC鉆頭保徑齒長(zhǎng)度變大，鉆頭旋轉(zhuǎn)形成的井斜力會(huì)向上，作用力隨著徑齒長(zhǎng)度增加而不斷變小，合理提升保徑齒長(zhǎng)度可以更好地控制井斜，應(yīng)用PDC鉆井進(jìn)行定向井鉆井作業(yè)過(guò)程中，可以利用合理的保徑齒長(zhǎng)度可以控掉好井眼軌跡斜度和方位。鉆井壓力變大時(shí)，PDC鉆頭具備的井斜力會(huì)保持向下，隨著壓力的提高則作用力也會(huì)變大，鉆井壓力的增加會(huì)加大井傾斜的可能性，井斜程度會(huì)隨著鉆井壓力變大而增加，當(dāng)PDC鉆頭具備的方位力達(dá)到零，在大斜度定向井鉆井作業(yè)過(guò)程中，鉆壓的提升會(huì)使井眼軌跡斜率變大，但可以更好地控制井眼方向。提高PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)速度，定向井井眼軌跡變斜程度會(huì)相應(yīng)地變小，可以對(duì)井斜角度進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。在定向井造斜作業(yè)階段，如果鉆頭從質(zhì)地比較硬的地下儲(chǔ)層轉(zhuǎn)換到軟地層過(guò)程中，鉆頭的前進(jìn)方向會(huì)與預(yù)計(jì)角度產(chǎn)生一定程度的偏離，需要在及時(shí)調(diào)整鉆井速度和角度，可以更好地保證定向井鉆井質(zhì)量。對(duì)定向井PDC鉆頭鉆井趨勢(shì)影響因素進(jìn)行分析，制定出有效的預(yù)防辦法，可以更好地保證鉆井質(zhì)量，提高鉆井作業(yè)效率。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，PDC鉆頭由于具備較高性能，已經(jīng)在定向井鉆井作業(yè)中得到了大量的應(yīng)用，隨著PDC鉆頭理論和生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，會(huì)進(jìn)一步提高定向井鉆井作業(yè)效率，保證井眼軌跡的準(zhǔn)確性。定向井作業(yè)過(guò)程中，鉆頭會(huì)受到地下儲(chǔ)層各響異性產(chǎn)生的影響，鉆頭前進(jìn)方向會(huì)與設(shè)計(jì)軌跡產(chǎn)生偏離，同時(shí)，PDC鉆頭在前進(jìn)過(guò)程中會(huì)受到鉆井工具、鉆頭結(jié)構(gòu)和地下儲(chǔ)層特性產(chǎn)生的側(cè)向力，這就使得鉆頭鉆進(jìn)趨勢(shì)受到影響，結(jié)合應(yīng)用軟件和建立的三維模型對(duì)影響因素進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的控制措施，可以更好地保證定向井鉆井質(zhì)量和作業(yè)效率。

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