減小粘-滑振動可提高PDC鉆頭鉆井效率

■ 徐 昉

1989年間，美國阿莫科石油公司的研究人員發現，回旋現象是PDC鉆頭經常會遇到的一種振動模式，用PDC鉆頭鉆井時如發生回旋能在幾秒鐘內徹底損壞鉆頭。從那時起至今，PDC鉆頭設計師們就一直致力于開發能夠有效實現抗回旋的PDC鉆頭。

然而，在目前的常規旋轉鉆井中，回旋還是造成PDC鉆頭損壞的主要原因嗎？答案是否定的。科學研究人員經過長期的研究和試驗后發現，在常規旋轉鉆井中，尤其是在硬巖直井鉆井過程中，最常見的振動形式是粘-滑而非回旋。同時，PDC切削齒技術的飛速發展也使得在鉆井過程中能夠給鉆頭施加更大的鉆壓，以便提高鉆井效率，但鉆壓越大則越容易引起粘-滑振動，所以，與以前的鉆井實踐相比，現在的PDC鉆頭更容易受到粘-滑振動的影響。因此，在石油與天然氣鉆井過程中，無論是勘探井還是生產井，有效防止鉆柱的扭轉振動或粘-滑振動都是十分重要的。

實際上，鉆井研究人員對鉆井過程中的粘-滑現象進行研究已有二十多年的歷史，并認為它是造成各種鉆井問題（如過度的鉆頭磨損、早期鉆具失效以及鉆井速度過慢等）的一個主要原因。原因之一就是在粘-滑振動的滑動相中會產生很高的峰值速度，而這種過高的旋轉速度又會帶來極端的軸向和側向加速度和作用力。

在實際鉆井過程中，由于在鉆頭上施加的扭矩（一般大約為500～10000 Nm）過程中鉆柱會被扭轉好幾圈，鉆柱同時還會體現出一種復雜的動態行為，包括軸向振動、側向振動以及扭轉振動。在地面和在鉆頭處對鉆井旋轉情況所進行的同步測量表明，鉆柱的行為常常就像是一個扭轉鐘擺，也就是說，鉆柱在其頂部是以恒定的角速度旋轉的，而在鉆頭處則是以變化的角速度旋轉的，其中包括一個恒定的部分，同時還呈現出扭轉振動。如果出現極端情況，其扭轉振動情況會變得很嚴重，以至于使鉆頭會周期性的完全停止轉動，而在此期間鉆柱的扭矩則會迅速增大，直到鉆頭突然以比在地面上測量到的角速度快很多的角速度再度旋轉，這種現象在鉆井過程中就被稱為粘-滑振動。

因此，目前在石油及天然氣鉆井設計過程中，粘-滑振動現象已成為一個需要評價的重要因素，其主要原因是現代鉆井技術的特點是常常要求采用包括PDC鉆頭在內的全套先進井下工具，以便能夠一次下井即可鉆完整個井段，然而在難鉆地層中，PDC鉆頭卻經常會面臨著嚴重的粘-滑振動，因而使得鉆井過程效率很低甚至有時會具有破壞性。因此，在鉆井過程中有效的控制粘-滑振動現象可以在很大程度上延緩鉆頭失效，提高機械鉆速，降低鉆井成本。

目前國內外已有多家廠商推出了各種防粘-滑鉆井工具，其中美國Ulterra（阿特拉）公司和挪威Tomax公司的產品很有代表性。Ulterra公司的TorkBuster防粘滑工具可直接配置在用于旋轉或定向鉆井的底部鉆具組合的PDC鉆頭上方，特點是能夠向鉆頭施加旋轉沖擊力，通過加大鉆頭切削齒與巖層之間界面的能量而提高鉆井效率（機械鉆速）、延長鉆頭壽命并減小與鉆頭有關的粘-滑振動。在鉆井過程中，使用TorkBuster防粘滑工具可通過改善鉆頭性能而降低鉆井成本，可以使用進攻性更強且效率更高的PDC切削結構，在硬地層鉆井實踐中能夠實現更高的機械鉆速（ROP），同時能夠延長PDC鉆頭的工作壽命從而減少起下鉆次數。另外，應用這種防粘-滑工具還能夠最大程度地減少與扭轉振動相關的損壞，延長整個底部鉆具組合的工作壽命，而且在定向鉆井中還能夠改善PDC鉆頭的工具面控制。

Ulterra公司的TorkBuster防粘滑工具

Tomax公司的專用防粘-滑工具（AST）則是一種獨立的、可用螺栓上緊的工具，不需要增加井隊人員即可輕松。這種專用防粘-滑工具在使用時一般是被置于隨鉆測量工具或底部鉆具組合的非磁性部分的上方，可以與PDC劃眼工具一同使用。AST在外觀上非常像是一個減振器，但實際上它更像是一個牽引控制裝置，供給鉆頭的全部重量和扭矩都會通過這種防粘-滑工具，而該防粘-滑工具則應用其內部機構連續控制所施加的重量，從而使得能夠保持一個穩定的負載，進而防止鉆柱被卡滯或是積聚過大的扭轉能量。據Tomax公司介紹，由于其專用防粘-滑工具（AST）是一種能有效防止鉆柱超載并使鉆頭穩定的井下裝置，所以，使用該防粘-滑工具后可在PDC鉆頭上設計更為鋒利的切削齒以提高鉆速。通過采用Tomax公司設計制造的專用防粘-滑工具AST，可為鉆井創造一種沒有粘-滑振動的平穩鉆井環境。

Tomax公司的專用防粘滑工具（AST）

總之，在采用PDC鉆頭進行實際鉆井的過程中，如果能夠有效地抑制鉆頭與鉆柱的粘-滑振動，形成穩定的井下鉆井工況，且同時又能釋放出一定的鉆柱能量的話，就可以有效的延長PDC鉆頭的使用壽命并實現更高的機械鉆速。