■ 徐 昉

1989年間，美國(guó)阿莫科石油公司的研究人員發(fā)現(xiàn)，回旋現(xiàn)象是PDC鉆頭經(jīng)常會(huì)遇到的一種振動(dòng)模式，用PDC鉆頭鉆井時(shí)如發(fā)生回旋能在幾秒鐘內(nèi)徹底損壞鉆頭。從那時(shí)起至今，PDC鉆頭設(shè)計(jì)師們就一直致力于開(kāi)發(fā)能夠有效實(shí)現(xiàn)抗回旋的PDC鉆頭。

然而，在目前的常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井中，回旋還是造成PDC鉆頭損壞的主要原因嗎？答案是否定的?？茖W(xué)研究人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井中，尤其是在硬巖直井鉆井過(guò)程中，最常見(jiàn)的振動(dòng)形式是粘-滑而非回旋。同時(shí)，PDC切削齒技術(shù)的飛速發(fā)展也使得在鉆井過(guò)程中能夠給鉆頭施加更大的鉆壓，以便提高鉆井效率，但鉆壓越大則越容易引起粘-滑振動(dòng)，所以，與以前的鉆井實(shí)踐相比，現(xiàn)在的PDC鉆頭更容易受到粘-滑振動(dòng)的影響。因此，在石油與天然氣鉆井過(guò)程中，無(wú)論是勘探井還是生產(chǎn)井，有效防止鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)或粘-滑振動(dòng)都是十分重要的。

實(shí)際上，鉆井研究人員對(duì)鉆井過(guò)程中的粘-滑現(xiàn)象進(jìn)行研究已有二十多年的歷史，并認(rèn)為它是造成各種鉆井問(wèn)題（如過(guò)度的鉆頭磨損、早期鉆具失效以及鉆井速度過(guò)慢等）的一個(gè)主要原因。原因之一就是在粘-滑振動(dòng)的滑動(dòng)相中會(huì)產(chǎn)生很高的峰值速度，而這種過(guò)高的旋轉(zhuǎn)速度又會(huì)帶來(lái)極端的軸向和側(cè)向加速度和作用力。

在實(shí)際鉆井過(guò)程中，由于在鉆頭上施加的扭矩（一般大約為500～10000 Nm）過(guò)程中鉆柱會(huì)被扭轉(zhuǎn)好幾圈，鉆柱同時(shí)還會(huì)體現(xiàn)出一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為，包括軸向振動(dòng)、側(cè)向振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在地面和在鉆頭處對(duì)鉆井旋轉(zhuǎn)情況所進(jìn)行的同步測(cè)量表明，鉆柱的行為常常就像是一個(gè)扭轉(zhuǎn)鐘擺，也就是說(shuō)，鉆柱在其頂部是以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)的，而在鉆頭處則是以變化的角速度旋轉(zhuǎn)的，其中包括一個(gè)恒定的部分，同時(shí)還呈現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。如果出現(xiàn)極端情況，其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況會(huì)變得很?chē)?yán)重，以至于使鉆頭會(huì)周期性的完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而在此期間鉆柱的扭矩則會(huì)迅速增大，直到鉆頭突然以比在地面上測(cè)量到的角速度快很多的角速度再度旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象在鉆井過(guò)程中就被稱(chēng)為粘-滑振動(dòng)。

因此，目前在石油及天然氣鉆井設(shè)計(jì)過(guò)程中，粘-滑振動(dòng)現(xiàn)象已成為一個(gè)需要評(píng)價(jià)的重要因素，其主要原因是現(xiàn)代鉆井技術(shù)的特點(diǎn)是常常要求采用包括PDC鉆頭在內(nèi)的全套先進(jìn)井下工具，以便能夠一次下井即可鉆完整個(gè)井段，然而在難鉆地層中，PDC鉆頭卻經(jīng)常會(huì)面臨著嚴(yán)重的粘-滑振動(dòng)，因而使得鉆井過(guò)程效率很低甚至有時(shí)會(huì)具有破壞性。因此，在鉆井過(guò)程中有效的控制粘-滑振動(dòng)現(xiàn)象可以在很大程度上延緩鉆頭失效，提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本。

目前國(guó)內(nèi)外已有多家廠(chǎng)商推出了各種防粘-滑鉆井工具，其中美國(guó)Ulterra（阿特拉）公司和挪威Tomax公司的產(chǎn)品很有代表性。Ulterra公司的TorkBuster防粘滑工具可直接配置在用于旋轉(zhuǎn)或定向鉆井的底部鉆具組合的PDC鉆頭上方，特點(diǎn)是能夠向鉆頭施加旋轉(zhuǎn)沖擊力，通過(guò)加大鉆頭切削齒與巖層之間界面的能量而提高鉆井效率（機(jī)械鉆速）、延長(zhǎng)鉆頭壽命并減小與鉆頭有關(guān)的粘-滑振動(dòng)。在鉆井過(guò)程中，使用TorkBuster防粘滑工具可通過(guò)改善鉆頭性能而降低鉆井成本，可以使用進(jìn)攻性更強(qiáng)且效率更高的PDC切削結(jié)構(gòu)，在硬地層鉆井實(shí)踐中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的機(jī)械鉆速（ROP），同時(shí)能夠延長(zhǎng)PDC鉆頭的工作壽命從而減少起下鉆次數(shù)。另外，應(yīng)用這種防粘-滑工具還能夠最大程度地減少與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)相關(guān)的損壞，延長(zhǎng)整個(gè)底部鉆具組合的工作壽命，而且在定向鉆井中還能夠改善PDC鉆頭的工具面控制。

Ulterra公司的TorkBuster防粘滑工具

Tomax公司的專(zhuān)用防粘-滑工具（AST）則是一種獨(dú)立的、可用螺栓上緊的工具，不需要增加井隊(duì)人員即可輕松。這種專(zhuān)用防粘-滑工具在使用時(shí)一般是被置于隨鉆測(cè)量工具或底部鉆具組合的非磁性部分的上方，可以與PDC劃眼工具一同使用。AST在外觀上非常像是一個(gè)減振器，但實(shí)際上它更像是一個(gè)牽引控制裝置，供給鉆頭的全部重量和扭矩都會(huì)通過(guò)這種防粘-滑工具，而該防粘-滑工具則應(yīng)用其內(nèi)部機(jī)構(gòu)連續(xù)控制所施加的重量，從而使得能夠保持一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)載，進(jìn)而防止鉆柱被卡滯或是積聚過(guò)大的扭轉(zhuǎn)能量。據(jù)Tomax公司介紹，由于其專(zhuān)用防粘-滑工具（AST）是一種能有效防止鉆柱超載并使鉆頭穩(wěn)定的井下裝置，所以，使用該防粘-滑工具后可在PDC鉆頭上設(shè)計(jì)更為鋒利的切削齒以提高鉆速。通過(guò)采用Tomax公司設(shè)計(jì)制造的專(zhuān)用防粘-滑工具AST，可為鉆井創(chuàng)造一種沒(méi)有粘-滑振動(dòng)的平穩(wěn)鉆井環(huán)境。

Tomax公司的專(zhuān)用防粘滑工具（AST）

總之，在采用PDC鉆頭進(jìn)行實(shí)際鉆井的過(guò)程中，如果能夠有效地抑制鉆頭與鉆柱的粘-滑振動(dòng)，形成穩(wěn)定的井下鉆井工況，且同時(shí)又能釋放出一定的鉆柱能量的話(huà)，就可以有效的延長(zhǎng)PDC鉆頭的使用壽命并實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械鉆速。