蘆秀茹

(中石化華北分公司,河南鄭州450006)

針對大牛地氣田定向段PDC鉆頭選型的實踐

蘆秀茹*

(中石化華北分公司,河南鄭州450006)

對大牛地氣田定向井在定向過程中由于PDC鉆頭結(jié)構(gòu)和使用方面的原因造成的托壓及工具面不穩(wěn)定的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，對PDC鉆頭的保徑結(jié)構(gòu)、冠部輪廓形狀的設(shè)計提出了自己的見解。

PDC鉆頭；單彎螺桿；工具面；托壓

1 概述

西部公司鄂北項目部自2013年率先使用PDC鉆頭與配合使用1.5°單彎、單扶螺桿定向技術(shù)在大牛地工區(qū)完成定向段施工，并取得了良好的應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益，針對施工中遇到的托壓現(xiàn)象及工具面不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行分析：

PDC鉆頭在定向鉆進(jìn)過程中扭矩受鉆壓、泵排量、地層巖性變化影響比較大，當(dāng)鉆壓、排量不變的情況下，如果鉆遇夾層，扭矩沒有牙輪鉆頭那樣的緩沖余地，所以容易造成工具面不穩(wěn)定及托壓現(xiàn)象。大牛地氣田定向段地層具有巖性雜、軟硬交錯、夾層多等特點(diǎn)，如果PDC鉆頭選型不當(dāng)，很容易產(chǎn)生托壓、工具面不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重影響定向鉆進(jìn)機(jī)械鉆速和造斜率。

2 PDC鉆頭影響工具面不穩(wěn)定的因素

實例一：

武漢億斯達(dá)工具有限公司所生產(chǎn)的8-3/4″EDM1615SE型PDC鉆頭在大牛地工區(qū)DPT-57井定向段的應(yīng)用：該鉆頭尺寸8-3/4″、五刀翼、16mm齒、螺旋保徑，從設(shè)計上看該型號鉆頭配合螺桿使用具有較高的穩(wěn)定性，鼻部切削齒攻擊性強(qiáng)定向鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速快。淺內(nèi)錐設(shè)計，使它具有良好的抗地質(zhì)導(dǎo)向能力和較高的造斜率。但實際應(yīng)用中出現(xiàn)鉆遇夾層工具面不穩(wěn)定，擺工具面作業(yè)較頻繁，同時托壓現(xiàn)象也比較嚴(yán)重（這一點(diǎn)從鉆井參數(shù)鉆壓不變、泵壓下降，工具面穩(wěn)定上可以觀察出來，在對鉆井液采取混入潤滑劑等措施后沒有明顯好轉(zhuǎn)）。雖1只鉆頭完成了水平段在太2組的造斜施工，整體機(jī)械鉆速也較快，但定向鉆進(jìn)擺工具面、穩(wěn)工具面可操作性不理想。

針對上述實例工具面不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行分析：PDC鉆頭定向鉆進(jìn)過程中形成的反扭矩是冠部破巖鉆進(jìn)過程中來自地層的反作用力和保徑部與井壁之間的摩擦力之和，這個摩擦阻力所占反扭矩比例越大，鉆頭在鉆遇夾層時來自冠部的影響就越小，鉆頭工作就越穩(wěn)定，工具面也就越穩(wěn)定。較寬、較長的保徑部可以與地層有較大的接觸面積，從而產(chǎn)生較大的摩擦阻力，來提高鉆頭及工具面的穩(wěn)定性。

實例二：

武漢億斯達(dá)工具有限公司所生產(chǎn)的8-3/4″EDM1625SE型鉆頭在大牛地工區(qū)DPS-72井定向段的應(yīng)用：8-3/4″EDM1625SE型PDC鉆頭尺寸8-3/4″、五刀翼、16mm齒、螺旋保徑，該鉆頭是在8-3/4″EDM1615SE型PDC鉆頭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，主要是改進(jìn)了保徑部，使其加寬0.5cm，加長2cm。在DPS-72井定向段鉆遇夾層時擺工具面、穩(wěn)工具面可操作性明顯好轉(zhuǎn)，鉆壓也可成倍放大，造斜率較8-3/4″EDM1615SE型鉆頭也有顯著提高，縮短了定向徑段提高了復(fù)合井段。

由實例二進(jìn)一步驗證了我們對大牛地工區(qū)定向過程中工具面不穩(wěn)定現(xiàn)象的分析，對我們以后的定向鉆頭選型具有較強(qiáng)的參考意義。但我們也要看到保徑部越寬、越長，螺桿負(fù)荷也越重，螺桿壽命也相應(yīng)的縮短，在鉆遇復(fù)雜情況時也較難處理，如何改進(jìn)保徑部使鉆頭更經(jīng)濟(jì)、實用地配合單彎螺桿進(jìn)行定向鉆進(jìn)，有待我們進(jìn)一步摸索。

3 PDC鉆頭在托壓現(xiàn)象產(chǎn)生中的因素

針對實例一托壓現(xiàn)象進(jìn)行分析：我認(rèn)為造成PDC鉆頭定向過程中產(chǎn)生托壓現(xiàn)象是PDC鉆頭工作原理和采用單彎螺桿滑動鉆進(jìn)的定向井工藝決定的，我們平時說的托壓是托壓現(xiàn)象加劇后的一種叫法，這種現(xiàn)象主要由井壁規(guī)則度、井眼軌跡狗腿度、地層巖性、鉆頭選型、鉆具鋼性、扶正器與井壁接觸面積及泥漿性能決定。在定向鉆進(jìn)過程中不管多大井斜完全避免托壓在原理上是行不通的，也是定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)在鉆時上相差較大的主要原因，我們只能不斷地改善和減小托壓現(xiàn)象。

針對大牛地工區(qū)主要原因是PDC鉆頭保徑部及肩部修整井壁速度過快，地層總體較軟且夾層多、軟硬交錯，滑動鉆進(jìn)過程中井壁不規(guī)則，無法給予鉆頭一個穩(wěn)定的、很大的向上托的力，使得定向鉆具鉆頭部位被迅速地打空，鉆壓迅速轉(zhuǎn)移至螺桿扶正器上，加劇了托壓現(xiàn)象（這一點(diǎn)可以從定向過程中鉆壓不變，螺桿壓降降低直至與空轉(zhuǎn)泵壓相同，工具面變化小或不變等參數(shù)上判斷出來）。在托壓現(xiàn)象加劇后由于螺桿扶正器修復(fù)井壁速度較慢，繼續(xù)加壓出現(xiàn)工具面很穩(wěn)定，但鉆壓越大機(jī)械鉆速越慢，甚至無進(jìn)尺（原因分析：原本螺桿在循環(huán)過程中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動，小鉆壓接觸井底震動會更劇烈，這一點(diǎn)可以用來修整井壁，但出現(xiàn)托壓后鉆壓轉(zhuǎn)移到扶正器上，造成鉆壓加的越大，螺桿扶正器在井壁上壓的就越死，螺桿震動就越小，修整井壁能力就越弱，但這個鉆壓一般有個極限，如果壓過去就可以繼續(xù)鉆進(jìn)，壓不過去就托死了，沒有進(jìn)尺）。選用較寬、較長的保徑部可以獲得來自地層更多的托升力，也不容易吃入地層，可以有效改善這種托壓現(xiàn)象。

另一個思路：定向鉆進(jìn)過程中靈活地選用合理的鉆井參數(shù)、及時地跟壓和選擇正確的剎把操作方法也是改善托壓現(xiàn)象提高機(jī)械鉆速的好辦法。PDC鉆頭配合單彎螺桿的定向工藝較牙輪鉆頭配合單彎螺桿使用要復(fù)雜得多，但它更靈活。大牛地工區(qū)定向段巖性雜、軟硬交錯、夾層多等特點(diǎn)決定了在定向過程中不可能選用一個鉆井參數(shù)完成定向鉆進(jìn)，這是剎把操作者對井下動力鉆具的了解、定向工藝、不同鉆壓下反扭矩大小的掌握、對不同鉆壓和下放速度下螺桿姿態(tài)變化的摸索和掌握、在鉆遇夾層及不同巖性地層時螺桿姿態(tài)的提前調(diào)整、泵壓微小變化時對螺桿姿態(tài)的判斷和提前調(diào)整等一系列問題的綜合判斷能力的一種考驗。合理的鉆井參數(shù)、及時地跟壓和選擇正確的剎把操作方法可以打出比較圓滑的井壁和井眼軌跡，可在一定程度上改善托壓現(xiàn)象，提高滑動鉆進(jìn)順暢度。

4 適應(yīng)于大牛地氣田定向段地層的PDC鉆頭輪廓設(shè)計分析

從PDC鉆頭冠部輪廓設(shè)計上分析：大牛地氣田定向段地層適合淺內(nèi)錐、雙圓弧冠部輪廓的短拋物線設(shè)計。

以全增斜為例，在PDC鉆頭鼻部鉆遇夾層時淺內(nèi)錐設(shè)計有利于內(nèi)錐部切削齒及時地跟進(jìn)，保持PDC鉆頭力矩的穩(wěn)定，從而提高工具面的穩(wěn)定性。淺內(nèi)錐可以減少來自地層的導(dǎo)向力，分擔(dān)一部分鼻部扭矩，有利于發(fā)揮螺桿的導(dǎo)向性，進(jìn)一步提高造斜率。

短拋物線設(shè)計鼻部居中，鼻部到鉆頭中心的距離較短，相對長拋物線設(shè)計力矩較小，有利于保持PDC鉆頭鉆遇夾層時扭矩的穩(wěn)定。目前大牛地工區(qū)普遍采用1.5°單彎螺桿進(jìn)行定向鉆進(jìn)，PDC鉆頭中心線與螺桿本體有個1.5°夾角，這就使得PDC鉆頭鼻部附近切削齒的攻擊性決定了定向鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速，外錐部對井眼高邊攻擊性較弱，但影響低邊較大，如果外錐部攻擊性較強(qiáng)在鉆遇夾層時采用大鉆壓容易將井眼低邊打空形成托壓現(xiàn)象。所以應(yīng)減弱外錐部接近保徑部切削齒的攻擊性。

5 結(jié)論

（1）較寬、較長的保徑部可以與地層有較大的接觸面積，從而產(chǎn)生較大的摩擦阻力，來提高鉆頭及工具面的穩(wěn)定性。

（2）PDC鉆頭保徑部及肩部修整井壁速度過快，地層無法給予鉆頭一個很大的向上托的力，使得定向鉆具鉆頭部位被迅速地打空，鉆壓迅速轉(zhuǎn)移至螺桿扶正器上，形成托壓現(xiàn)象。

（3）大牛地氣田定向段地層適合淺內(nèi)錐、雙圓弧冠部輪廓的短拋物線設(shè)計，同時應(yīng)減弱外錐部接近保徑部切削齒的攻擊性。

[1]張永弘.PDC鉆頭動力學(xué)[J].國外石油機(jī)械，1996，7（4）：60-69.

[2]李樹盛，馬德坤，侯季康.PDC鉆頭運(yùn)動學(xué)研究[J].石油礦場機(jī)械，1996（25）：26-29.

[3]王鎮(zhèn)全,周悅輝.PDC鉆頭切削齒切削角度對破巖效果影響規(guī)律的研究[J].煤礦機(jī)械，2009（8）：55-57.

TE921

B

1004-5716(2015)03-0111-02

2014-03-26

2014-03-28

蘆秀茹（1978-），女（漢族），河南鄧州人，助理工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)技術(shù)管理相關(guān)工作。