王宏偉，韓　飛，紀友哲，石紅玫

(1.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200；2.金川集團股份有限公司 生產(chǎn)環(huán)保部，甘肅 金昌 737104)①

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PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王宏偉1，韓飛1，紀友哲1，石紅玫2

(1.中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200；2.金川集團股份有限公司 生產(chǎn)環(huán)保部，甘肅 金昌 737104)①

摘要：隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油勘探開發(fā)的重點逐步轉(zhuǎn)向深井、超深井。PDC鉆頭在非均質(zhì)地層鉆進時“粘滑”現(xiàn)象嚴重，導致PDC鉆頭過早損壞，致使機械鉆速低、起下鉆換鉆頭次數(shù)多，單位鉆井進尺成本上升。如何有效控制PDC鉆頭的粘滑現(xiàn)象已經(jīng)成為國內(nèi)外石油公司研究的熱點。介紹了國內(nèi)外PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的主要研究進展及其未來發(fā)展趨勢，為國內(nèi)PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；粘滑；控制

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油勘探開發(fā)的重點逐步轉(zhuǎn)向深井、超深井，例如我國四川、塔里木等區(qū)塊有大量的石油資源位于深部地層。隨著井深的增加，巖石的硬度和塑性增大，可鉆性變差，機械鉆速降低。現(xiàn)場鉆井資料表明，深井段的平均機械鉆速僅是其上部井段平均機械鉆速的15%～30% ，部分地區(qū)甚至低于8%。研究表明，粘滑振動是造成機械鉆速降低的重要原因之一[1-3]。

筆者認為PDC鉆頭剪切破巖的特性直接導致了粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。PDC鉆頭在鉆進瞬間的轉(zhuǎn)矩能量不能滿足破巖轉(zhuǎn)矩時，PDC鉆頭將處于停鉆狀態(tài)；BHA在頂驅(qū)(或者轉(zhuǎn)盤、井下動力鉆具)的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當BHA扭轉(zhuǎn)積蓄在鉆頭的能量足以破碎巖層時，積蓄的能量瞬間釋放，此時鉆頭將以相對于數(shù)倍頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

粘滑是造成鉆井功能紊亂的主要原因，其給鉆井工程造成的主要影響有4個方面：

1)增大鉆頭的磨損，PDC鉆頭瞬間高速沖擊運動將加速鉆頭失效。

2)粘滑造成的鉆頭無序運動將降低鉆井破巖能量效率，消耗鉆機井下驅(qū)動裝置提供的能量。

3)粘滑本身及其引起的其他振動加快下部鉆具組合疲勞失效或粘扣，并引發(fā)井下電子儀器的早期失效。

4)降低鉆進連續(xù)性及井身質(zhì)量，增加純鉆進時間及起下鉆次數(shù)，降低鉆進效率。

綜上所述，深井、復雜井等復雜層PDC鉆頭鉆進時粘滑現(xiàn)象普遍存在，且粘滑對鉆井影響十分嚴重，造成了大量的人力及物力和成本的浪費。如何解決鉆井粘滑問題已成為國內(nèi)外石油公司爭相研發(fā)的熱點。筆者認為粘滑產(chǎn)生的根本原因是鉆井鉆壓和轉(zhuǎn)矩能量不匹配造成的。目前，國內(nèi)外粘滑控制技術(shù)大多是基于優(yōu)化鉆壓轉(zhuǎn)矩能量機理發(fā)展起來的?；诳刂品绞降牟煌饕譃楸粍右种坪椭鲃右种苾纱箢?。

本文介紹了國內(nèi)外粘滑控制技術(shù)的主要進展和現(xiàn)狀，通過對PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)主要發(fā)展趨勢的分析，為國內(nèi)外粘滑控制技術(shù)的研發(fā)方向提供建議和參考。

1被動抑制粘滑控制技術(shù)

被動抑制粘滑控制技術(shù)是目前最常使用的一種手段，其主要是通過鉆頭優(yōu)化及配套井下粘滑抑制工具來直接控制鉆具的動態(tài)特性。

1.1鉆頭優(yōu)化

鉆頭是鉆井的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響鉆井效率。國內(nèi)外研究人員通過對螺旋刀翼、高后傾角切削齒、布置抗沖擊齒、非對稱刀翼布置等進行了大量研究，在提高鉆頭抗沖擊性、減少粘滑對鉆頭破壞影響方面取得了一定的進展，但不能有效抑制粘滑。本文主要介紹2種能夠抑制粘滑的新式鉆頭。

1.1.1復合鉆頭

復合鉆頭(如圖1)是將牙輪鉆頭和PDC鉆頭合二為一，實現(xiàn)牙輪鉆頭和PDC鉆頭優(yōu)劣勢互補。目前，國外Bakerhughs、Smith及Reed公司的類似產(chǎn)品已進入了商業(yè)化應用階段。其中Bakerhughs公司研制的Kymera復合鉆頭在Western Oklahoma油田的Atoka到Des Moines井段大量的夾層使用，鉆井周期從82 d縮短到25 d，每英尺費用減少40%左右[4-6]。

國內(nèi)西南石油大學、江漢四機廠、寶雞石油機械有限責任公司等也開展了相關(guān)研究，并形成了自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，但是該技術(shù)尚處于現(xiàn)場試驗階段，未達到商業(yè)化應用水平。

圖1　復合鉆頭

1.1.2SpeedDrill鉆頭

目前，國內(nèi)尚無相關(guān)技術(shù)研究報道。

圖2　SpeedDrill鉆頭

1.2井下粘滑抑制工具

目前，國內(nèi)外井下粘滑抑制工具種類繁多，本文僅介紹具有代表性的2種典型產(chǎn)品。

1.2.1扭轉(zhuǎn)沖擊器

我國勝利油田鉆采院、大慶油田鉆采院等單位也先后開展了相關(guān)技術(shù)的研究，形成的相關(guān)系列產(chǎn)品已具備了商業(yè)化推廣水平。其中，大慶鉆采院的類似產(chǎn)品已現(xiàn)場應用41口井，進尺17 884 m，純鉆時間5 500 h，平均機械鉆速3.25 m/h，平均提速214%，獲得經(jīng)濟效益￥8 000萬元，提速提效顯著。

圖3　扭轉(zhuǎn)沖擊器

1.2.2衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具

Tomax公司的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具(如圖4)是基于對鉆頭轉(zhuǎn)矩能量的存儲和釋放，進而實現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)矩的實時自平衡，實現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)矩波動的“消峰填谷”。Tomax公司的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具已形成系列化、商業(yè)化應用，現(xiàn)場應用效果良好，比較典型的案例是在Norway的Gyda區(qū)塊使用時，節(jié)省3 d鉆井時間，節(jié)約成本＄225萬美元[9]。

國內(nèi)只有中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院開展類似工具的研究，并且已經(jīng)先后在吉林、長慶油田進行了3口井的應用，抑制粘滑效果明顯。其中在長慶油田隴8井，單只鉆頭進尺同比提高600%，平均機械鉆速同比提高20%以上。

圖4衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具樣機

1.3小結(jié)

159 Clinical analysis on pregnancy complications of senile pregnant women

被動抑制粘滑控制技術(shù)的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但其在使用過程中無法準確獲得井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動參數(shù)等信息，不同區(qū)塊地層參數(shù)及泥漿等參數(shù)的差異有時會導致粘滑抑制技術(shù)的失效。

2主動抑制粘滑控制技術(shù)

主動抑制粘滑控制技術(shù)主要是通過實時獲得準確的井底鉆壓、轉(zhuǎn)矩、振動等參數(shù)，并通過井口或者井下直接閉環(huán)控制。目前，井底參數(shù)測量技術(shù)發(fā)展迅速，從記憶存儲到實時通信，從鉆壓、轉(zhuǎn)矩參數(shù)測量到振動參數(shù)測量，有力地推動了主動抑制粘滑控制技術(shù)的發(fā)展。

2.1軟轉(zhuǎn)矩鉆井系統(tǒng)

國外Shell、NOV及Bentec公司已先后研制出用于抑制粘滑的軟轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，如圖5。該系統(tǒng)主要通過井底井底鉆壓、轉(zhuǎn)矩、振動等參數(shù)傳感器+鉆柱動力學分析軟件，閉環(huán)控制鉆柱轉(zhuǎn)速，使井底工具串組合避開臨界鉆壓及危險轉(zhuǎn)速區(qū)間。借助軟轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，粘滑現(xiàn)象能夠得到有效控制[10-11]。

國內(nèi)北京石油機械廠也已研制出了具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并在沙特、尼日利亞等地得到成功應用，得到了用戶的認可。

圖5　軟轉(zhuǎn)矩鉆井系統(tǒng)

2.2井下自適應振動阻尼器

國外APS公司研制的井下自適應振動阻尼器(如圖6)是通過測量井下沖擊和振動的方式主動調(diào)整井下沖擊減震器的阻尼特性(阻尼特性調(diào)整通過線圈電流控制磁流變體粘性實現(xiàn))，從而改變BHA自身的軸向和隨機扭轉(zhuǎn)剛度，響應井下瞬間功能障礙，并且不會延遲原有的井下數(shù)據(jù)傳輸。該工具的主要特點是通過近鉆頭閉環(huán)控制，可快速準確抑制粘滑?，F(xiàn)場應用中提高機械鉆速21%以上，提高鉆頭進尺125%[12]。

目前，國內(nèi)尚無相關(guān)研究報道。

圖6　井底自適應振動減阻器

2.3小結(jié)

主動抑制粘滑控制技術(shù)的主要優(yōu)勢是能夠通過傳感器準確了解井底鉆井參數(shù)并加以精準控制，其不受地層參數(shù)及泥漿等參數(shù)外因的影響。主動抑制粘滑控制技術(shù)的關(guān)鍵是井底傳感器的工作可靠性及控制程序的準確算法。

3發(fā)展趨勢

通過國內(nèi)外PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的主要進展和現(xiàn)狀的介紹及分析，筆者認為其未來的主要發(fā)展趨勢如下：

1)主動抑制粘滑控制技術(shù)是主流發(fā)展趨勢。

相對于被動抑制粘滑控制技術(shù)，主動抑制粘滑控制技術(shù)能夠通過傳感器精準測量井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動等參數(shù)，經(jīng)過PLC控制器進行閉環(huán)精確控制，有效消除粘滑現(xiàn)象，實現(xiàn)PDC鉆頭的平穩(wěn)鉆進。另外，主動抑制粘滑控制技術(shù)將帶動井下測量及控制技術(shù)發(fā)展，為鉆井智能化、自動化奠定了基礎(chǔ)。因此，主動抑制粘滑控制技術(shù)是未來鉆井技術(shù)的主流發(fā)展趨勢。

2)抑制粘滑控制技術(shù)向綜合集成化應用方向發(fā)展。

抑制粘滑控制技術(shù)綜合集成化應用也是一個主要趨勢。一方面，能彌補復雜鉆井工況引起的主動抑制粘滑控制技術(shù)井下傳感器、電源等部件失效問題；另一方面，能通過對井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動等參數(shù)準確認識，實現(xiàn)被動粘滑控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計。兩類技術(shù)優(yōu)勢互補，有效保證對鉆井粘滑的抑制。

4結(jié)論

我國在鉆頭粘滑控制技術(shù)方面的研究剛起步，在難鉆、夾層等粘滑現(xiàn)象多發(fā)地層使用PDC鉆頭鉆進時，大多采用“輕吊慢打”、降低轉(zhuǎn)速，或直接采用牙輪鉆頭鉆進。這些做法在一定程度上減緩了粘滑對鉆頭的破壞，但是犧牲了機械轉(zhuǎn)速，造成大量時間及成本的浪費。隨著我國勘探開發(fā)的日趨深入，深井、復雜井等難鉆地層日益增多，對抑制粘滑控制技術(shù)十分急迫。筆者建議國內(nèi)在2個方面加強研究：

1)加強井下測量工具的技術(shù)攻關(guān)。井下測量工具通過精準測量井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動等參數(shù)，能夠有效保證抑制粘滑控制技術(shù)精準發(fā)力。筆者認為井下測量工具應重點攻關(guān)方向是測量參數(shù)多元及可靠性等方面。

2)加強抑制粘滑控制技術(shù)多元化及集成化應用研究。國外抑制粘滑控制技術(shù)種類繁多，但是基于技術(shù)保密，各石油公司之間的單項技術(shù)集成應用合作很少，尚未形成各單項技術(shù)的優(yōu)勢互補。筆者認為國內(nèi)石油公司應盡快加強和豐富抑制粘滑控制技術(shù)種類，加強合作，實現(xiàn)抑制粘滑控制技術(shù)的集成化應用，盡快縮短與國外石油公司技術(shù)差距。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0104-04

收稿日期：①2016-01-31

作者簡介：王宏偉(1965-)，男，山東濰坊人，高級工程師，從事石油鉆井裝備與工具研究，E-mail：wanghongweidri@cnpc.com.cn。

中圖分類號：TE921.107

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.024

Status and Development Tendency of Stick-slip Controlling Technology for PDC Bit

WANG Hongwei1，HAN Fei1，JI Youzhe1，SHI Hongmei2

(1.CNPCDrillingResearchInstitute，Beijing102200，China；2.ProductionEnvironmentalProtectionDepartment，JinchuanGroupCo.，Ltd.，Jinchang737104，China)

Abstract：PDC bit suffers serious stick-slip in drilling complicated rock formation，which limits the life-span of PDC bit and reduces the rate of penetration.By introducing and analyzing advanced PDC bit stick-slip controlling technology，in this paper some advices and references are given for the development a of domestic PDC bit stick-slip controlling technology.

Keywords：PDC bit；stick-slip；controlling