■ 申守慶 劉 莉

自從幾十年前被首次引入到石油天然氣鉆井工業(yè)界以來，聚晶金剛石（PDC）鉆頭在發(fā)展過程中經(jīng)歷了無數(shù)次的技術(shù)改進(jìn)，比如切削齒技術(shù)的飛速發(fā)展和抗回旋技術(shù)的成功應(yīng)用等，但最近所出現(xiàn)的一種新型PDC鉆頭技術(shù)則是切削深度（DOC）控制技術(shù)。這種切削深度控制技術(shù)是于2000年以后被應(yīng)用于PDC鉆頭上的，其目的是通過管理鉆頭的切削攻擊能力從而有效降低井下扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。然而，當(dāng)今鉆井工業(yè)界所面臨的重大挑戰(zhàn)之一是用單只鉆頭一次下井鉆完地層巖性完全不同的各個(gè)井段，基于這種要求，固定式PDC鉆頭卻始終不能完美地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，根據(jù)固定式PDC鉆頭本身結(jié)構(gòu)的固有特性，在鉆井過程中不得不在某些井段中容忍一定的振動(dòng)，或者在另一些井段中無法實(shí)現(xiàn)理想的機(jī)械鉆速（ROP）。

而切削深度（DOC）控制技術(shù)卻能夠有效地提高鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性以及鉆井效率，這對(duì)其技術(shù)本身而言是一種重大的突破，但是，傳統(tǒng)的切削深度控制元件是被固定化在鉆頭上某個(gè)固定的位置且通常也只適用于一種特定的巖石硬度，這樣，隨著鉆井深度的增加，就可能會(huì)需要更換鉆頭，這也就增加了鉆井過程中的浪費(fèi)性非生產(chǎn)時(shí)間。

為了解決這一實(shí)際問題，美國(guó)貝克休斯公司技術(shù)人員開發(fā)出一種能夠在鉆井過程中自動(dòng)調(diào)節(jié)切削深度的PDC鉆頭，這種鉆頭不但能夠延緩鉆頭的損壞并提高綜合機(jī)械鉆速，同時(shí)還有利于自動(dòng)鉆井作業(yè)的發(fā)展并有望使用單只鉆頭一次性鉆完各種難鉆井段。

這種新型鉆頭技術(shù)的工作特點(diǎn)是通過使切削深度控制特征隨時(shí)適應(yīng)不斷變化的鉆井環(huán)境、最大程度地減少鉆井過程中的粘/滑現(xiàn)象并有效提高機(jī)械鉆速。其自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置實(shí)際上是一種被封裝在自帶式套筒內(nèi)的被動(dòng)式液體力學(xué)反饋機(jī)構(gòu)，裝置套筒安裝在鉆頭的刀翼中，見下圖。

自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的基本工作原理是，切削深度控制元件安裝在套筒上，套筒通過專門設(shè)計(jì)的基于鉆進(jìn)速度的收縮和快速擴(kuò)展動(dòng)作而對(duì)外部載荷產(chǎn)生反應(yīng)，這樣，只有在鉆頭出現(xiàn)有害振動(dòng)時(shí)其切削深度控制功能才會(huì)被啟動(dòng)，而在正常的穩(wěn)態(tài)鉆井條件下該功能不會(huì)發(fā)生作用，從而能夠?qū)崿F(xiàn)快速和更為有效的鉆井進(jìn)程。

鉆頭可設(shè)計(jì)帶有三個(gè)裝置套筒，它們使切削深度控制機(jī)構(gòu)與鉆井液相互隔離，并具有壓力和溫度補(bǔ)償能力。整個(gè)裝置為精致小巧的可更換型模塊設(shè)計(jì)，便于在鉆頭刀翼上的安裝和拆卸。另外，該控制裝置為故障安全型設(shè)計(jì)，套筒組件本身的失效不會(huì)使鉆頭失效，也不會(huì)對(duì)鉆井進(jìn)程造成嚴(yán)重的影響，鉆頭可以照樣像標(biāo)準(zhǔn)的PDC鉆頭那樣繼續(xù)鉆進(jìn)。

如果遇到對(duì)鉆井進(jìn)程不利的情況，比如產(chǎn)生了會(huì)引起鉆柱粘/滑現(xiàn)象的周期性切削深度波動(dòng)、在夾層地層中切削深度發(fā)生突然變化、或因鉆壓變化而造成切削深度波動(dòng)時(shí)，切削深度控制元件就會(huì)快速擴(kuò)展與地層相互嚙合并吸收部分鉆壓，從而以最快的速度達(dá)到使振動(dòng)減小的目的。

相反，在正常穩(wěn)態(tài)鉆井中變換操作參數(shù)時(shí)，則切削深度控制元件會(huì)逐漸縮回，從而不會(huì)吸收鉆壓并使鉆頭能夠以較大的切削深度向下鉆進(jìn)。如此，在較軟的井段、在鉆壓受到限制的水平井段以及在以較高機(jī)械鉆速為鉆井目標(biāo)的相似情況下鉆井進(jìn)程就會(huì)更快且效率更高。

自調(diào)節(jié)式PDC鉆頭在剛開始鉆進(jìn)時(shí)其切削深度控制元件處于伸展位置。在一口具有三種不同井段的井內(nèi)，比如最上部的井段較軟且不容易發(fā)生粘/滑現(xiàn)象，而下面兩個(gè)井段的巖層則是不同的、容易發(fā)生粘/滑現(xiàn)象的巖性，則鉆頭的切削深度控制元件會(huì)針對(duì)每個(gè)井段的地層情況作出不同的響應(yīng)。

在較軟的頂部井段巖層中，切削深度控制元件會(huì)在幾分鐘以內(nèi)逐漸縮回，直到其接觸力達(dá)到一個(gè)較小的值后為止，此時(shí)，鉆頭就像一只標(biāo)準(zhǔn)的PDC鉆頭那樣以一定的鉆壓（WOB）平穩(wěn)地向下鉆進(jìn)，而切削深度控制元件則不與地層相嚙合。在鉆頭鉆到下面的地層后，如果切削深度控制元件開始快速波動(dòng)，則整個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就會(huì)快速伸展從而使切削深度控制元件與地層相嚙合，阻止鉆頭上突發(fā)的內(nèi)向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)較大的接觸力。

阻止切削深度加大的結(jié)果是能夠防止粘/滑現(xiàn)象的發(fā)生，但是，如果無論如何都還是會(huì)發(fā)生粘/滑現(xiàn)象的話，則調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就會(huì)針對(duì)每個(gè)粘/滑周期進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)，直到這種粘/滑現(xiàn)象被消除或是其嚴(yán)重性得以有效減小后為止。

為了對(duì)這種新型自調(diào)節(jié)式PDC鉆頭的設(shè)計(jì)概念進(jìn)行實(shí)用性驗(yàn)證，貝克休斯公司設(shè)計(jì)制造出一只83/4英寸的原型鉆頭并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了圍壓鉆井試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，無論是在快速還是在慢速情況下鉆頭對(duì)切削深度變化的響應(yīng)都很好；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功后，又在美國(guó)俄克拉荷馬州一個(gè)具有多種變化地層的井場(chǎng)對(duì)該鉆頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中觀察到，該鉆頭不但能夠在鉆進(jìn)過程中有效的減小鉆柱的粘/滑現(xiàn)象且同時(shí)還能提高鉆井機(jī)械鉆速。

由于這種新型自調(diào)節(jié)式鉆頭能夠在多種地層中有效減小粘/滑現(xiàn)象，因而使鉆頭工作更加穩(wěn)定，可以向鉆頭輸送更大的功率，進(jìn)而大幅提高了鉆頭的綜合鉆井性能。通過與固定式PDC鉆頭的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以便以較低的機(jī)械比能和更高的機(jī)械鉆速實(shí)現(xiàn)更快和更為有效的鉆井進(jìn)程，在機(jī)械鉆速超過每小時(shí)10.40米后，固定式PDC鉆頭便會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的粘/滑現(xiàn)象，而這種新型自調(diào)節(jié)式PDC鉆頭在機(jī)械鉆速達(dá)到每小時(shí)27.40米時(shí)卻仍然沒有發(fā)生粘/滑現(xiàn)象。

這種新型自調(diào)節(jié)式PDC鉆頭的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中不含任何電子傳感元件，因而成本不高但可靠性卻更好。通過各種試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了這種新型鉆頭結(jié)構(gòu)的發(fā)展?jié)摿Γ@為在更為惡劣的鉆井環(huán)境中對(duì)這種新型鉆頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)奠定了牢固的基礎(chǔ)，同時(shí)也向建造全套的自動(dòng)鉆井系統(tǒng)又邁進(jìn)了一大步。