定向井用PDC鉆頭研究

劉海軍

勝利石油管理局石油工程技術開發中心，山東東營 257000

隨著定向井理論與方法的發展，對于定向井的工具提出了更高的要求，PDC 鉆頭通過不斷的改進和完善，在定向井鉆井中發揮著重要的作用。由于定向井鉆井在地表之下，井下地層條件復雜，定向井對于鉆井的質量要求較高，因此需要進行定向井專用工具的優化改進，保證定向井鉆井的質量和速度。井下PDC 鉆頭的結構和參數是否合適，直接影響到定向井鉆井的準確性和速度，因此需要開展定向井用PDC 鉆頭的研究，提高定向井PDC 鉆頭的效率和壽命。

1 定向井PDC 鉆頭和地層相互作用的模型分析

影響到定向井PDC 鉆頭與地層相互作用的影響因素較多，為了能夠表示地層巖石的定量參數，首先要對地層巖石的參數進行定量分析，地層各向異性參數就是地層巖石主要參數之一，由于地層巖石特殊的形成原因，地層巖石的強度和硬度在地層的各個方向上，具有不同數值，所以石油鉆井鉆遇的地層一般都會各個方向上存在區別，這就指的是地層的各向異性。在沉積巖地層中由于沉積條件的不同，一般會存著各向異性。在石油鉆井過程中，鉆遇較多的就是沉積巖地層。由于地層各向異性現象的存在，導致了定向井鉆井過程中，容易產生井下鉆頭偏離預定軌跡的現象，影響了定向井鉆井的質量和效率。在PDC 鉆頭鉆進過程中，不但會存在鉆頭軸向鉆進的趨勢，同時也會存在著鉆頭側向鉆進的趨勢，PDC 鉆頭這種在軸向和側向上鉆井趨勢的不同，就是PDC 鉆頭的軸側方向鉆進的不同性能。在實際PDC 鉆井過程中，鉆頭的設計一般都會側重于鉆頭的軸向鉆進，避免鉆頭側向鉆進的現象。在進行鉆頭水力結構設計時，也是向利于鉆頭軸向鉆進的方面設計，不同類型鉆頭的軸側鉆性能也不相同。為了能夠獲得特定地層與PDC 鉆頭之間的軸側鉆性能參數，通常采用根據地層的實際參數，進行理論計算的方式，有時也會采用通過室內巖石破巖實驗，來獲得相應的軸側鉆參數。定向井PDC 鉆頭在實際鉆井中，主要存在著三種類型的側向力，首先是井下鉆具結構對于PDC 鉆頭的側向力，其次是PDC 鉆頭結構本身造成的側向力，第三是由于地層巖石結構的不同，而對鉆進鉆頭產生側向力。通過鉆頭對于地層巖石機械作用力的分析，以及鉆頭的井底的位移變化，經過一定的坐標變換，考慮到PDC 結構參數對于側向力的影響，最后在加上地層巖石的各向異性參數，就可以得到井底鉆頭與地層巖石之間相互作用的模型。通常情況下，在實際鉆井過程中鉆遇地層大多數都是非均質的，不論地層的均質性如何，而且即使是鉆頭軸側鉆指數相同，定向井井下鉆頭產生的合力的方向也不能完全和鉆頭的位移方向一致。鉆頭合力的方向總會和鉆頭位移的方向有一定的夾角，通過利用簡化后的鉆頭三維鉆速模型，可以分析地層巖石的非均質性對于PDC 鉆頭力的影響。在進行力學分析時，地層受到的力僅僅為力的形式，而不是真實的力，這和實際機械作用力區別較大，在地層受力分析時，將地層的特性參數，轉換成力的表達形式，便于分析研究。地層巖石的力學性質主要是有巖石的各向異性決定，在鉆井過程中才顯現出力的作用。通過對鉆井井眼軌跡的分析研究可得，利用井底鉆頭上部的鉆具結構，得到由上部鉆具結構對鉆頭產生的側向力和旋轉角度。通過對鉆頭結構參數的分析研究，可以得到水平井鉆井的鉆頭結構特性參數，將以上分析的特性參數帶入到鉆頭與巖石作用的模型中，從而可以得到相應鉆頭在實際工作中的側向力，進而可以確定定向井鉆井中，鉆頭的鉆進的方法。

2 影響定向井PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素研究分析

在定向井鉆井過程中，影響PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素很多，主要包括鉆頭上部的鉆具組合、鉆頭的形狀參數、地層巖石的性質、實際鉆井的參數等。各因素對于影響鉆頭鉆進的作用機理不同，表現形式各種各樣。通過采用理論研究結合軟件分析的方式對影響鉆頭鉆進的因素進行了研究，當井下鉆具組合中扶正器的直徑增加時，對于鉆頭的井斜力具有一定的影響，但是不會造成較大的影響，通過分析可得扶正器直徑的增加，會加大井眼軌跡的斜率，但是對于鉆頭方位力的影響較小，所以在大斜度井鉆井中，不能只通過增加扶正器的直徑方法，來達到穩定井眼斜度和方位的目的。在PDC 鉆頭結構方面，當PDC 鉆頭的保徑齒長度加長時，鉆頭的井斜力始終向上，而數值的大小逐漸的減小，所以保徑齒的加長可以達到降低井斜的目的，所以在利用PDC 鉆頭鉆定向井時，可以采用減小保徑齒長度的方法，來達到穩定井眼斜度和方位的目的。在定向井鉆井參數方面，當鉆井的鉆壓增加時，鉆頭的井斜力始終向下，而數值也在逐漸的增加，因此鉆壓的增加會增加井斜，而且增加的幅度隨著鉆壓的增大而增大。而鉆頭的方位力則為零，所以在大斜度井鉆井中，鉆壓的增大可以增加井眼的斜率，同時可以穩定井眼軌跡的方位。當鉆頭的轉速增加時，井眼的斜度減小，可以達到井斜的目的。在定向井PDC 鉆頭造斜的過程中，當鉆頭從較硬的地層轉到較軟地層時，鉆頭的鉆進方向會向軟地層偏移一定的距離。通過對影響定向井PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素研究，可以提高定向井鉆井的質量和速度。

3 結論

PDC 鉆頭在定向井鉆井中得到廣泛的應用，隨著定向井PDC 鉆頭理論和技術的不斷發展，PDC 鉆頭的使用會不斷的提升定向井鉆井的準確性和鉆井效率。由于地層各向異性的存在，導致了定向井鉆井中，容易產生井下鉆頭偏離預定軌跡的現象。定向井PDC 鉆頭在工作時存在三種類型的側向力，鉆具結構產生的側向力，鉆頭結構本身產生的側向力和地層特性產生的側向力。通過對PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素研究，得到各因素對于PDC 鉆頭鉆進趨勢的影響規律，可以更好的提高定向井鉆井的質量和速度。

[1]齊林,周大千,江勝宗.用鉆頭與地層相互作用模式預測井眼軌道[J].大慶石油學院學報，1995，19(4)：113-116.

[2]楊慶理.復雜地層 PDC 鉆頭個性化設計及應用研究[D].東營：中國石油大學（華東），2007.