定向井復合鉆頭技術研究與現場應用

李和清 單巍

摘要：定向井復合鉆頭技術主要有鉆頭的設計和在實際鉆進中遇到的問題，在現場應用中主要有地質導向和計算機軟件以及現場鉆進試驗等。本文就淺談定向井復合鉆頭技術研究與現場應用。

關鍵詞：定向井復合鉆頭；技術研究；現場應用

隨著油氣田的逐漸開發，淺部油氣藏的資源越來越少，進行深部油氣藏的開發是一種必然的趨勢。但是在深部油氣藏的開發中，對于鉆頭的要求是非常高的，現階段使用的PDC鉆頭和牙輪鉆頭都不足以應對這種情況，因此復合鉆頭的使用逐漸登上鉆井的舞臺。

一、復合鉆頭技術

復合鉆頭技術和核心就是PDC鉆頭，但是由于PDC鉆頭不能夠面對質地比較堅硬的巖石夾層，因此在結構上增加了牙齒鉆頭的設計，兩者組合在一起也就成了復合鉆頭。復合鉆頭技術已經成為常用的鉆探工具，為地質鉆探和石油開采技術的發展做出了巨大的貢獻。PDC鉆頭作為常用的鉆井工藝，切削齒的形狀和質量一直在改進和完善，鉆頭能夠承受的沖擊力和沖蝕力都得到了大幅度的提升，尤其是牙輪鉆頭之間的結合，使得PDC鉆頭能夠應對各種巖石層，而不會遭受大的損壞。并且，PDC鉆頭的改進，也增強了它在可定向性方面的性能，對鉆頭在工作中的控制更加精準。

二、復合鉆頭的設計

復合鉆頭的設計主要有三個方面，分別是牙齒設計、結構設計和水利設計。牙齒設計主要是在鉆頭實際的工作中，由于需要承受巖石的反沖擊力，在加上切削過程的不足，使得鉆頭不能很好的完成工作的目標。因此在復合鉆頭設計的過程中，將齒的邊緣進行轉移，可減少齒排在沖擊中破裂的可能性。除此之外還加強了金剛石的厚度和斜邊的長度，這樣一來，鉆頭就不會因為強大的沖擊力而損壞。另外在齒面的設計中加強了拋光的措施，降低了巖屑對鉆頭的摩擦力，也減少了扭矩。結構設計主要是采取了短拋物線冠部的設計，也增加了磨損節，還采用了螺旋設計，也有的是增加了非對稱刀片設計。這樣的設計不僅僅加強了鉆頭的轉速，也加強了鉆頭抗扭矩的能力和穩定性。水力設計主要是增加了鉆頭過流的體積，還有高傾斜的中央噴嘴設計，還采用了最先進的技術，設計出恰到好處的鉆頭口徑和流線型外表，保證在液體動力學和空氣動力學中的科學性。

三、PDC鉆頭在以往定向井中存在的問題

（1）傾斜變化

在以往定向井的施工過程中，尤其是在一些特殊的環境或者是地形中，比如說孤島和壯西這樣的環境下，如果保證相同的鉆井條件，PDC鉆頭比其他鉆頭表現出更加明顯的漂移現象。PDC在設計中鉆壓和轉速有著很嚴格的要求，低鉆壓高鉆速是設計的標準。在PDC鉆頭和牙輪鉆頭進行鉆進實驗中，PDC鉆頭的鉆壓僅僅是鉆頭的五分之一到五分之二之間，鉆壓的差異會導致在其他鉆進環境和條件一致的情況下，鉆進的效果有著非常大的差異，具體的表形是牙輪鉆頭會出現增斜的效果，PDC鉆頭則表現出降斜的現象。因此，通過多方數據表明，PDC鉆頭在進行施工作業的過程中，鉆進參數的影響比較大，整體的性能不太穩定。

（2）鉆頭進尺

在定向井的鉆進過程中，由于PDC本身的特性，會導致鉆頭在定向井中出現傾斜或者是鉆進方位出現偏差等情況。但是PDC鉆頭的進尺大，比牙輪鉆頭的進尺效果更加明顯，能夠保證在施工進度內完成施工的計劃。

（3）鉆機負荷

PDC鉆機的原理是通過高強度的金剛石材料制成的鉆頭來對演示進行切削，針對巖石層的抗剪性能差的情況進行切削震碎，達到鉆進的效果。但是盡管現在鉆頭增加了磨損節的設計，卻因為鉆頭是一個統一的整體，沒有其他可以進行活動的部件，造成鉆機在工作的過程中負荷比較嚴重。在鉆機工作的過程中，一些井斜角大的位置會造成鉆機更嚴重的負荷量，嚴重的會導致鉆具扭斷的情況。

四、定向井復合鉆頭技術在現場施工應用

（1）地質導向

地質導向鉆進技術，顧名思義就是能夠在進行鉆進的過程中還能夠通過地質以及方向的測量來進行鉆進軌跡的測量，并進行相應的方向導航。事實證明，地質導向能夠進行多種地質和工程方面的測量，并進行分析和評價，然后根據分析的結果對定向井井眼的軌跡進行控制和調整，保證鉆進能夠達到預定的鉆進效果。由于鉆具在工作的過程中，因為各種各樣的外在因素，包括巖石、摩擦、沖擊還有機械等問題，導致并不能精準的按照設定的軌跡進行鉆進作業，而地質導向鉆進技術可以有效的解決這方面的問題。

（2）計算機軟件技術

現階段油田開發的企業除了使用自己的設計的或者是現場應用的軟件之外，還有著非常多的工藝井軟件和鉆井軟件，能夠完成在鉆井或城中的軌道測量和扭矩分析、防碰監測和計算參數以及控制調節等多方面的應用，保證定向井的準確性。

（3）定向井完井工藝技術

定向井在完工工藝中主要有三部分組成，分別是套管射孔完井、篩管完井、復合完井三種，一下進行詳細說明：

1）套管射孔完井

套管射孔完井主要是針對復雜油層的區域，尤其是氣頂和薄油層、底油與鹽井及油水之間錯綜復雜的關系，導致出砂不是特別嚴重，在這樣的區域中由于后期需要進行酸化技術或者是壓力技術，因此要適用套管射孔完井的技術，來保證出油量。

2）篩管完結技術

篩管完結技術也是定向井中常用的技術，通常采用的是管外封在機上篩管的方式，通過鉆頭的鉆進，直接在定向井的隔油層進行隔離，從而避免砂漿或者是其他的施工液體對油氣層污染，并且還能夠擴充泄油的面積，增加開采量。篩管完結技術主要用在砂巖稠油的油氣藏中。

3）復合完井

復合完井工藝主要是通過了上述兩種完井技術的有機結合，上半段為套管，下半段為篩管，實現了對尤其藏的封端開采。復合完井的第一步就是通過裸眼水平段進行開采作業，如果開采效果不理想就采用復合鉆進的方式進行開采。

（4）現場應用實例

大北12一斜30井是勝利油田大北區塊一口定向井，定向點2460m，位于東營組底部，完鉆斜深3435m，斜井段長975m，設計最大井斜57.51度，從定向開始鉆具組合如下：

PDC鉆頭（型號P355M）+彎動力鉆具（1.25度）+回壓閥+定向直接頭+無磁鉆慨+加重鉆桿（五柱）+普通鉆桿（?127.00mm）

定向結束后繼續使用該鉆具組合復合鉆鉆進鉆壓3～4t，轉盤轉速50r/min，復合鉆鉆時平均在4～5min/m左右，而在該地區使用常規鉆具鉆進一般鉆時都在12～15min/m左右，這不僅加快了鉆井速度，而且還減少了起下鉆的次數。

通過在勝利油田大北區塊的大8-12-斜9井、大北12一斜28井、大北15-斜29井和大373一斜9井都使用上述鉆具組合并進行復合鉆試驗，效果都很好。因此，復合鉆頭的實際應用效果是非常明顯的。

結束語：隨著定向井復合鉆頭理論和技術的不斷發展，復合鉆頭的使用會不斷的提升定向井鉆井的準確性和鉆井效率。由于地層各向異性的存在，導致了定向井鉆井中，容易產生井下鉆頭偏離預定軌跡的現象。因此，我們需要不斷的更新技術，以便更好的開展鉆井作業。

參考文獻：

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[2]楊瑤；定向井復合鉆頭技術研究與現場應用[D]；西南石油大學；2016年