影響PDC鉆頭在定向井中性能的原因分析

　   1 定向井PDC鉆頭研制的目的及意義
　　PDC鉆頭在砂巖和泥巖地層機械鉆速高、鉆頭工作壽命長、耐高溫能力強于牙輪鉆頭，同樣適合定向井、水平井施工。現在PDC鉆頭已成為油氣鉆井的主力鉆頭。但在定向井作業中，常出現初始造斜困難、方位不穩、鉆頭偏移趨勢增加、鉆頭進尺緩慢等現象。在影響PDC鉆頭定向鉆進能力的因素中，其整體結構設計特點尤為關鍵。決定著定向造斜是否成功，穩斜階段能否保持平穩鉆進。
　　研究PDC鉆頭不同的結構參數對定向鉆進的影響，找出影響PDC鉆頭定向鉆進中不穩定的關鍵結構性因素，為定向井PDC鉆頭的設計提供一種依據，讓PDC鉆頭在定向鉆進中發揮出更大的優勢，提高定向鉆井速度，降低鉆井成本是一項有待解決的問題。
　　PDC鉆頭的結構變化多，設計靈活性大，對地層和使用條件敏感性很強。因而，針對特定地層和使用條件進行設計是PDC鉆頭的一項關鍵技術。本文針對長慶油田鄂爾多斯盆地的地層特點，研究設計適合該地層的定向井PDC鉆頭。
　　2 影響PDC鉆頭在定向井中性能的原因分析
　　2.1 PDC鉆頭漂移的因素分析 在數十年的石油鉆井中，已經發現鉆頭的偏轉現象。牙輪鉆頭一般向右偏轉，PDC鉆頭一般向左偏轉。1986年，Perry[1]在泰國灣用五種類型的PDC鉆頭做了一個關于鉆頭漂移超過200組實驗的系統分析，發現鉆頭的鉆進趨勢不但受到鉆頭切削剖面影響，還受到操作參數影響，例如鉆壓和轉速。Perry得出結論，鉆頭鉆進趨勢不會受到鉆頭保徑長度的影響。
　　鉆頭的偏移可能受到許多因素的影響。在給定的特定鉆進條件下確定鉆頭的向左偏移還是向右便宜是非常困難的。在定向鉆進中，僅僅了解鉆頭的偏移趨勢是不夠的，鉆頭偏移率尤其重要，它是鉆頭偏移力和鉆頭轉向率作用的結果。正偏移速率代表鉆頭向右偏移，負移位速率代表鉆頭向左偏移。模擬上述不同情況下鉆頭偏移的機理需要完全理解在定向鉆進中鉆頭/地層的相互作用。
　　鉆頭的定向行為主要受鉆頭的導向能力和漂移角度影響。對于定向要求設計的鉆頭必須要考慮到定向系統的應用。鉆頭的導向能力和鉆頭本身的能力相對應，依從于橫向和軸向的力，初始進行橫向的偏移。鉆頭的導向能力被定義為橫向鉆進能力和軸向鉆進能力的比值。
　　在定向系統造斜控制中另外的重要因素是鉆頭的旋轉軸線和井眼軌跡切線的夾角，主要是被定向系統控制的：包括旋轉底部鉆具組合，導向組合或定向系統。鉆井系統的定向性能是一個鉆頭定向響應和定向系統力學性能（側向力以及鉆頭偏移影響）的復雜的匹配，同時還有可能得巖石-地層影響（夾層巖石或頁巖巖層）。
　　綜上所述可以得出幾個有意義的結論：①牙輪鉆頭一般向右偏轉，PDC鉆頭一般向左偏轉。②地層各向異性影響鉆頭鉆進趨勢。③保徑長度或外部輪廓的長度對PDC鉆頭的鉆進趨勢有很大的影響，隨著保徑長度和外部剖面長度的增加，鉆頭在造斜時PDC鉆頭向左的偏移趨勢增加。④鉆頭的導向能力和PDC鉆頭的漂移角的評估顯得十分重要。⑤PDC鉆頭在過大的水平井中可能向右偏移。⑥綜合應用鉆頭和巖石作用模型和BHA力學模型來解決問題效果良好。
　　2.2 地層各向異性因素分析 PDC鉆頭從軟地層鉆入硬地層，或從硬地層鉆入軟地層是形成井眼扭曲的主要成因。現場實踐顯示，井眼扭曲引發高扭矩和過大的拉力、下套管問題、扶正器磨損、套管破損以及軌道控制問題。在一些油田，泥質巖的形成導致井身向不符合要求的方向偏移。
　　現在通用的做法是將三維的BHA模型跟三維鉆頭—巖石作用模型結合，可在小范圍（小扭曲度）和大范圍（大扭曲度）內預測由于各向異性產生的扭曲度，評估各種定向鉆井系統（旋轉系統、導向馬達、或者可旋轉導向系統）的反應。
　　地層各向異性所產生的偏移分為兩種情況。最初的偏移源于鉆頭和巖石的相互作用。試驗和理論結果解釋了保徑長度、鉆頭剖面和傾角如何影響偏移。另一個偏移源于不同的扶正器穿過原有的扶正器位置時。 　　扶正器的數量和位置、BHA特性以及鉆頭導向性對于這些偏移有很大的影響。一些鉆井實例的顯示，對于考慮地層各向異性在內的鉆井條件而言，可以選擇最佳鉆井系統以降低井眼扭曲度。
　　地層各向異性能調整巖石和鉆頭及鉆頭和鉆柱的相互作用，因此有必要研究地層各向異性對鉆井系統定向特性的影響。PDC鉆頭在鉆入頁巖或者硬夾層時，偏移的首要原因是由于切削齒和鉆頭相互作用以及鉆頭和巖石相互作用。
　　PDC鉆頭在一塊各向同性的巖石上鉆進時，所有的切削齒都相似地切削相同的巖石，那么就不會產生一個側向力，鉆頭本身的不平衡力除外。但當鉆頭從軟地層鉆入硬地層或者從硬地層鉆入軟地層時，在軟硬分界面鉆進過程中，一些齒切削硬地層而其他的切削軟地層，就會導致一個側向力的產生。圖1描述了當鉆頭鉆入軟硬交錯地層時的兩種情況。在左圖中，鉆頭正在造斜，冠部上的切削齒吃入堅硬地層，其他切削齒切削軟地層，則鉆頭向左偏移。右圖描述了鉆頭從硬地層向軟地層中鉆進，它可能向右偏移。
　　當PDC鉆頭遇到堅硬的碎石時，偏移情況就復雜的多了。堅硬的碎石可能隨意的分布在地層中。下圖顯示當肩部切削齒沖擊非常堅硬的巖石時，鉆頭可能向左偏移。但是如果是鉆頭的錐部切削齒沖擊相同的巖石時，鉆頭可能的向右偏移。
　　鉆頭除了受巖石的各向異性產生的側向力外，一般還受井筒上的側向力。當鉆頭偏移的時候，井筒給鉆頭施加一個側向力，以使鉆頭回到垂向的位置。只要鉆頭只是垂直地鉆過軟地層，井筒上就不可能產生一個側向力，但是當它切削硬地層的時候，各向異性的側向力就產生了，并使它偏移。大多情況表明，（同巖石層列無關，無論是從軟到硬還是從硬到軟），開始時鉆頭朝軟地層偏移，而后向硬地層運動。
　　鉆頭在軟地層中鉆進，鉆壓保持相對恒定。然而，當鉆頭開始侵入硬地層中時（一些切削齒開始侵入），鉆壓增加且不居中并產生了一個彎矩使鉆頭朝向硬地層旋轉。這個彎矩的作用是輕微抵消側向力的作用的。一旦切削齒結構完全在硬地層中時，鉆壓就穩定和居中了。
　　側向力和硬地層和軟地層的地層傾角大小有關。當鉆過一個高地層傾角的界面時，鉆頭在鉆穿界面時停留的時間越長，越能產生更多側向力力和偏移。
　　巖石的層序（軟到硬或者硬到軟）同樣影響側向力和偏移。從硬到軟鉆進中產生較少的影響和偏移。當鉆頭開始接觸軟地層的時候，保徑仍然在硬地層中，難以產生偏移。
　　頁巖巖石和夾層巖石對鉆頭影響不同的根源在于側向力。對于夾層巖石，側向力在局部產生，而對于頁巖來說，只要鉆頭在巖石里，側向力就一直產生。因此，鉆頭在頁巖鉆進時，便會產生一個更大范圍的影響。
　　現場資料表明[2]，用相同的BHA鐘擺錘初始垂直鉆進，稍后在井深60m的時候鉆入頁巖，地層傾角為45°。鉆壓5ton，鉆頭的特性為Bs=0.05，Wa=12°。當僅僅鉆進100m的時候，井斜角急劇地增加到11°。
　　在頁巖巖層中鉆進時，同樣會對BHA的曲率平衡產生影響。配套的鉆頭的特性如下：Bs=0.05，Wa=12°。BHA 的平衡曲率為-2.75°/30m（降斜）。在井深62m時， BHA在各向同性的地層中鉆進突然遇到地層傾角是45°頁巖層的井斜變化。BHA的平衡曲率從-2.75°/30m到1.64°/30m。表明巖石的各向異性改變了定向系統的性能。
　　2.3 PDC鉆頭振動因素及提高穩定性措施 鉆頭的振動形式主要有回旋振動、扭轉振動及軸向振動。鉆頭的回旋主要指鉆頭的瞬時旋轉中心不再是鉆頭的幾何中心，而是鉆頭的保徑，這種現象稱為渦動。鉆頭渦動時，由于它的瞬時旋轉中心不斷變化，切削齒可能橫向甚至向后切削井底巖石，引起PDC鉆頭切削齒刃尖崩刃或者復合片成塊狀剝落，從而加快齒的磨損，縮短鉆頭的壽命。鉆頭產生渦動主要是有作用在鉆頭上的側向力不平衡引起的。
　　影響鉆頭渦動的因素主要有以下幾種：①鉆頭本身結構產生側向力。外錐越長，保徑越粗糙，則容易渦動。②地層的各向異性，例如鉆頭從軟地層鉆入硬地層或者從硬地層鉆入軟地層時受側向力的作用，則容易渦動。③鉆井參數的影響，如轉速越高，越易渦動。
　　通過合理的布齒設計，可控制鉆頭側向力的大小。設計低摩擦保徑塊減小鉆頭與井壁的接觸力也能減輕鉆頭的渦動。引起鉆頭扭轉振動的因素主要有兩個：一個是切削齒切削巖石使鉆具承受扭轉力，另一個鉆具和井壁之間有摩擦。當扭轉力和摩擦力達到一定數值，鉆頭發生扭轉振動。扭轉振動時，鉆頭出現卡滑現象，導致鉆頭轉速時大時小，甚至靜止不動，或反向旋轉。PDC切削齒承受很大的沖擊載荷，加速了切削齒的磨損甚至引起金剛石層脫落。
　　軸向振動是鉆頭在軸線方向上上下振動，稱為“跳鉆”。軸向振動使切削齒的切深時大時小，能引起扭矩波動，使切削齒承受受沖擊載荷。
　　目前來說，提高PDC鉆頭穩定性和切削效率的措施主要有以下幾種：①不平坦的鉆頭冠部形狀；②鉆頭冠部深內錐設計；③低摩阻保徑設計；④軌徑布齒設計；⑤力平衡設計；⑥螺旋狀刀翼設計；⑦刀翼非均勻布置設計；⑧保徑環結構設計；⑨大排屑槽結構設計；{10}低密度切削齒布置設計；{11} 混合切削結構設計。