(中國(guó)石化集團(tuán) 新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083)

剪切帽技術(shù)對(duì)PDC切削齒的保護(hù)原理及應(yīng)用

同輝

(中國(guó)石化集團(tuán) 新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083)

套管開(kāi)窗側(cè)鉆施工或套管鉆井結(jié)束后，需要使用專門的鉆頭或磨銑工具磨銑套管或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件，然后才能進(jìn)行后續(xù)地層的鉆進(jìn)。傳統(tǒng)工藝是采用兩趟鉆或一趟鉆完成，兩趟鉆浪費(fèi)時(shí)間和成本，一趟鉆對(duì)PDC切削齒的傷害較大。Varel鉆頭公司研發(fā)的剪切帽技術(shù)，其原理是在套管開(kāi)窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件時(shí)可提供剪切作用，同時(shí)保護(hù)主PDC切削齒面。進(jìn)入地層后，剪切帽快速磨損脫落，使切削齒高效鉆進(jìn)地層?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，剪切帽可有效保護(hù)PDC切削齒不受損壞，提高機(jī)械鉆速。介紹了剪切帽技術(shù)原理及其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，以期推動(dòng)我國(guó)用于套管開(kāi)窗和套管鉆井施工的一趟鉆系統(tǒng)的發(fā)展。

套管開(kāi)窗；PDC鉆頭；保護(hù)；剪切帽

Abstract：When the window milling operation or casing drilling is over，to drill the next section of the wellbore，the casing or casing component such as casing drill bit and float equipment must be drilled out by using specially designed drill bit or milling tool.Traditionally，this is done by using two trips or one trip.With the two trips，additional time and costs are required，while the one trip has the potential to damage the PDC cutters.Varel International developed shearing cap technology，the technology provides a shearing action during the window milling or casing component such as casing drill bit and float equipment drill out process while protecting the primary PDC face cutters.Once in the formation，the shearing caps wear away quickly to expose cutter in virtually pristine condition .Field testing result shows that shearing cap can effective protect PDC cutter from damage and improve rate of penetration.In this paper，the technology principle and field testing situations are presented in order to promote the development of our country’s single trip system used for window milling and casing drilling operation.

Keywords：window milling；PDC bit；protection；shearing cap

套管開(kāi)窗側(cè)鉆施工過(guò)程中，首先要磨銑一定壁厚的套管，進(jìn)入地層后才能進(jìn)行正常的定向鉆進(jìn)[1-2]。同樣，套管鉆井結(jié)束后，為了鉆進(jìn)后續(xù)地層，通常要鉆穿套管鉆井使用的鉆頭和浮鞋等套管組件[3-4]。對(duì)于以上2種施工，一般采用以下2種方法：第1種方法是先采用專門的鉆頭或磨銑工具磨銑套管或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件，然后更換PDC鉆頭，進(jìn)行下一井段的鉆進(jìn)；第2種方法是使用一趟鉆系統(tǒng)，即直接使用1個(gè)新的PDC鉆頭或磨銑工具磨銑套管或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件，并使用該鉆頭繼續(xù)進(jìn)行下一井段的鉆進(jìn)。但是，第1種方法會(huì)增加額外的起下鉆更換鉆頭的時(shí)間，第2種方法會(huì)對(duì)PDC鉆頭的切削齒傷害較大。

PDC鉆頭切削齒的金剛石層極為耐磨，但是在運(yùn)輸、裝卸、入井和鉆磨過(guò)程中會(huì)受到?jīng)_擊載荷，造成甭齒現(xiàn)象。另外，在套管開(kāi)窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦高溫，切削齒尖端極易石墨化。其它材料，例如碳化鎢和立方氮化硼在切削鐵質(zhì)材料時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，然而在套管開(kāi)窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件后，再切削巖石并不有效。

多年來(lái)，為了緩解切削齒損壞程度，在套管開(kāi)窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件后，能夠繼續(xù)高效鉆進(jìn)地層，業(yè)內(nèi)研究人員對(duì)一趟鉆系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，提出了諸多解決方案，主要包括以下幾種，第1種是優(yōu)化金剛石組分，克服熱量和振動(dòng)，并采用浸出法去除金屬中的鈷，提高硬度、耐磨性和溫度穩(wěn)定性[1-2]；第2種是改變切削齒的形狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了錐形切削齒和圓頭切削齒，并進(jìn)行了測(cè)試[5-6]；第3種的情形最多，是使用1個(gè)附加的硬質(zhì)合金獨(dú)立結(jié)構(gòu)在軸向上保護(hù)主PDC切削齒，完成初始磨銑作業(yè)，但鑲嵌的硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)很難磨損掉，殘余部分極大影響了地層中的機(jī)械鉆速[7-9]。Varel鉆頭公司研發(fā)的剪切帽技術(shù)可剪切銑削鐵質(zhì)材料，同時(shí)保護(hù)主PDC切削齒面，進(jìn)入地層后，剪切帽快速磨損脫落，從而使切削齒高效鉆進(jìn)地層。本文對(duì)剪切帽技

術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況進(jìn)行了介紹，以期推動(dòng)我國(guó)用于套管開(kāi)窗和套管鉆井施工的一趟鉆系統(tǒng)的發(fā)展。

1 剪切帽技術(shù)原理

剪切帽技術(shù)是在一趟鉆系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，套管開(kāi)窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件的過(guò)程中提供剪切作用銑削鐵質(zhì)材料，同時(shí)保護(hù)主PDC切削齒面，使切削齒幾乎不受磨損。一旦接觸到地層，剪切帽快速磨損脫落，露出切削齒最原始的狀態(tài)，從而在鉆進(jìn)地層時(shí)保持最優(yōu)的性能。

剪切帽(如圖1)由極為堅(jiān)硬、耐磨性差的硬質(zhì)合金材料(鈷含量為14%～18%)制成，與鉆頭連接時(shí)將其覆蓋在PDC切削齒金剛石表層外緣，而不是與之相連，并和圓柱形切削齒基底固定在一起(如圖2)。首選方法是使用釬焊材料，該材料比焊接PDC切削齒至鉆頭本體內(nèi)所用的材料熔點(diǎn)低，這樣可確保剪切帽與每個(gè)PDC切削齒基底之間良好的焊接效果，同時(shí)不會(huì)影響切削齒與鉆頭之間的焊接效果。金剛石表層與標(biāo)準(zhǔn)的釬焊材料不潤(rùn)濕，確保剪切帽只能釬焊至硬質(zhì)合金基底。然而，釬焊材料和剪切帽的內(nèi)表面相連，提供了緩沖層，從而限制鉆進(jìn)過(guò)程中沖擊載荷向金剛石表層的傳遞。

圖1 剪切帽示意

圖2 切削齒上面覆蓋有剪切帽的PDC鉆頭

剪切帽頂部設(shè)置有1個(gè)孔眼，有利于改善釬焊材料向內(nèi)配合面的流動(dòng)，并在磨銑完成后剪切帽開(kāi)始遇到地層時(shí)加速剪切帽的分離脫落。剪切帽也可設(shè)置有排屑槽，利于提高套管或相關(guān)附件的鉆磨效率。剪切帽相對(duì)于磨銑目標(biāo)產(chǎn)生的后傾角要比PDC切削齒產(chǎn)生的后傾角要小。

剪切帽完好無(wú)損時(shí)，由于其覆蓋部分金剛石表層，可作為一個(gè)局部熱絕緣體，不與金剛石表層相連，不易傳遞應(yīng)力開(kāi)裂力至金剛石表層中，而且，剪切帽產(chǎn)生的支承面很小或幾乎沒(méi)有，不會(huì)降低機(jī)械鉆速，且在本質(zhì)上不改變鉆頭設(shè)計(jì)或最優(yōu)的鉆頭選擇，也不改變鉆頭潛在的力平衡。另外，剪切帽不會(huì)明顯改變鉆頭總體水力結(jié)構(gòu)，對(duì)鉆頭水力特性影響最小，當(dāng)鉆進(jìn)地層的時(shí)候，該影響隨著剪切帽的脫落也隨之消失。

剪切帽可以與現(xiàn)有的任何標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭集成為一體。剪切帽不需要特殊的PDC切削齒或者在切削齒基底上添加特殊的非圓柱體，也不需要金剛石和其他超研磨材料的特殊混合。因此，作業(yè)者和服務(wù)公司在鉆頭選型上比較自由，可以選擇所鉆地層最適合的鉆頭類型。選擇鉆頭時(shí)可應(yīng)用鄰井起下鉆數(shù)據(jù)、測(cè)井分析、力平衡準(zhǔn)則、水力學(xué)分析等所有的傳統(tǒng)鉆頭選型輸入數(shù)據(jù)，不會(huì)影響包含單獨(dú)的硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)的鉆頭設(shè)計(jì)。

鉆頭安裝剪切帽不需要任何特殊的設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)和工藝，只根據(jù)預(yù)鉆地層需要，按照正常步驟確定切削齒類型、尺寸、數(shù)量以及刀翼和噴嘴數(shù)量即可，唯一需要設(shè)計(jì)師決定的是哪一個(gè)外肩切削齒應(yīng)安裝剪切帽。剪切帽通常安裝在錐部、鼻部和肩部切削齒上，而不是安裝在保徑齒上[10]。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

剪切帽技術(shù)是在一趟鉆系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，可剪切銑削鐵質(zhì)材料，同時(shí)保護(hù)主PDC切削齒面，進(jìn)入地層后，剪切帽快速磨損脫落，從而使切削齒高效鉆進(jìn)地層。目前，剪切帽技術(shù)在南美洲的哥倫比亞和西非的加蓬進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了顯著的效果[10]。

2.1哥倫比亞

剪切帽技術(shù)的首次應(yīng)用測(cè)試是在哥倫比亞進(jìn)行的，測(cè)試時(shí)使用一只裝有剪切帽的?222.25 mm VTD519SUXPDC型鉆頭，用時(shí)1.67 h，成功鉆磨掉1個(gè)套管鉆頭系統(tǒng)。如果使用標(biāo)準(zhǔn)鉆頭，平均需要2 h。2種鉆頭對(duì)比如圖3所示。剪切帽鉆頭與1.5°彎馬達(dá)配合僅用，不到15 min就完成了套管鉆頭鉆出部分。鉆穿后，剪切帽鉆頭成功鉆進(jìn)砂巖、粘土巖和粉砂巖地層約1 493 m，至下一個(gè)套管深度，沒(méi)有發(fā)生任何事故。鉆穿后，鉆頭機(jī)械鉆速?zèng)]有降低的跡象，起至地面后鉆頭完好，磨損等級(jí)為1-2-CT-G-X-I-BT-BHA(如圖4)。

a 剪切帽鉆頭b 標(biāo)準(zhǔn)鉆頭

圖3 剪切帽鉆頭與標(biāo)準(zhǔn)鉆頭對(duì)比

圖4 剪切帽鉆頭入井前后切削齒對(duì)比

通常，由于鉆頭切削齒有明顯的崩齒現(xiàn)象，鉆穿后機(jī)械鉆速降低。剪切帽的使用明顯減輕了切削齒的過(guò)早損壞，使切削齒在進(jìn)入地層后保持最優(yōu)狀態(tài)。18個(gè)被剪切帽保護(hù)起來(lái)的切削齒有16個(gè)在完成約 1 493 m的鉆進(jìn)后完好無(wú)損，機(jī)械鉆速高達(dá)42 m/h。鄰井平均機(jī)械鉆速只有40 m/h，鉆進(jìn)進(jìn)尺比鄰井平均進(jìn)尺長(zhǎng)約18.3 m(鉆進(jìn)井段較長(zhǎng)的鄰井，機(jī)械鉆速也比較低)，如圖5所示。

圖5 鉆頭應(yīng)用性能對(duì)比

2.2加蓬

在加蓬陸上油田，對(duì)剪切帽技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這也是剪切帽技術(shù)在東半球的首次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，目標(biāo)是一趟鉆鉆穿套管鉆頭，并鉆進(jìn)約633 m的目標(biāo)井段，機(jī)械鉆速應(yīng)高于10 m/h。

試驗(yàn)選取1只?311.15 mm R813P2DG1X 型胎體鉆頭，并安裝了剪切帽(如圖6)。該鉆頭專為過(guò)渡帶鉆進(jìn)開(kāi)發(fā)，在肩部裝有13 mm耐沖擊切削齒，且布齒密度較高，以減少夾互層鉆進(jìn)時(shí)切削結(jié)構(gòu)的磨損或損壞。

圖6 R813P2DG1X型剪切帽胎體鉆頭

剪切帽鉆頭的首次應(yīng)用顯示了有史以來(lái)區(qū)域最好的鉆進(jìn)性能(如表1、圖7～8)，鉆穿套管鉆頭總共用時(shí)約3 h，而使用了2家不同的制造商提供的4只PDC鉆頭及1只牙輪鉆頭的5口鄰井卻平均耗時(shí)5.4 h，相比之下，剪切帽技術(shù)使時(shí)間縮短44%。其中，3口鄰井使用了相同的套管鉆頭，用時(shí)0.67 h完成了套管鉆頭鉆出部分，而剪切帽鉆頭完成套管鉆頭鉆出部分僅用時(shí)0.25 h。鉆穿后，剪切帽鉆頭完成了全部663 m井段的鉆進(jìn)施工，平均機(jī)械鉆速14.1 m/h，而5口鄰井的機(jī)械鉆速在8.1～10.4 m/h(平均機(jī)械鉆速9.5 m/h)。

表1 R813P2DG1XM型剪切帽鉆頭在加蓬試驗(yàn)井與鄰井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

注：第6號(hào)井使用R813P2DG1XM型剪切帽鉆頭。

圖8 剪切帽鉆頭在加蓬試驗(yàn)井與鄰井鉆磨時(shí)間對(duì)比

R813P2DG1X型鉆頭的磨損等級(jí)為3-4-BT-A-X-1-BU-TD。切削齒發(fā)生崩齒和磨損現(xiàn)象最集中的區(qū)域?yàn)榧绮?，該區(qū)域1/3的切削材料消失無(wú)蹤。在切削齒基底剩余部分上觀察到的熱裂可能是由于泥包、冷卻/清潔不充分造成的(如圖9～10)。

鉆頭基體周圍也觀察到相同的情況，整個(gè)輪廓上的斷齒和分層表明鉆頭在400 m處的燧石地層滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)遭受了嚴(yán)重的沖擊損壞。保徑/肩部過(guò)渡區(qū)域的切削齒也嚴(yán)重受損。

圖9 清洗后鉆頭顯示肩部磨損

圖10 泥包可能導(dǎo)致熱裂

剪切帽的殘余部分清晰可見(jiàn)，這些部分被釬焊在切削齒的后面，對(duì)整體性能的影響極為有限(所有上部地層鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓控制在50 kN以下)。在鉆頭中心位置觀察到1個(gè)噴嘴堵塞及1個(gè)切削齒損壞(如圖11)。

圖11 切削齒后部有剪切帽殘余物的鈍鉆頭

3 結(jié)論

1) 剪切帽技術(shù)使用硬質(zhì)合金帽結(jié)構(gòu)保護(hù)PDC切削齒，在套管開(kāi)窗或浮鞋、套管鉆頭等套管組件鉆穿時(shí)提供剪切作用，而PDC切削齒不會(huì)受到傷害。進(jìn)入地層后，剪切帽快速磨損脫落，從而使切削齒能以高機(jī)械鉆速鉆進(jìn)地層。

2) 剪切帽技術(shù)適用于套管開(kāi)窗或浮鞋、套管鉆頭等套管組件鉆穿作業(yè)，可減少起下鉆及更換鉆頭次數(shù)，節(jié)約時(shí)間和成本，實(shí)現(xiàn)一趟鉆的鉆進(jìn)目標(biāo)。

3) 隨著我國(guó)套管開(kāi)窗側(cè)鉆井的規(guī)模日益增大及套管鉆井技術(shù)的發(fā)展，建議開(kāi)展剪切帽技術(shù)的研發(fā)，為高效一趟鉆系統(tǒng)提供有效的技術(shù)手段。

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ProtectingPrincipleofPDCCutterTechnologyUsingShearingCapandItsApplication

TONG Hui

(XinxingOilLimitedLiabilityCompany，Sinopec，Beijing100083，China)

TE921.107

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.011

1001-3482(2017)05-0053-06

2017-04-05

中石化前瞻項(xiàng)目“非油氣領(lǐng)域科技成果的啟示作用跟蹤調(diào)研”(JP14023)部分內(nèi)容

同 輝(1979-)，男，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)，現(xiàn)主要從事工程項(xiàng)目管理工作，E-mail：13581541796@139.com。