PDC鉆頭在定向井施工中的特點及發展趨勢

吳云平（中原石油勘探局鉆井三公司SINO21隊，河南濮陽457001）

PDC鉆頭在定向井施工中的特點及發展趨勢

吳云平（中原石油勘探局鉆井三公司SINO21隊，河南濮陽457001）

隨著國家油氣資源勘探開發的深入，很多油田都進入開發的中后期，為了提高采收率，定向井越來越多。PDC鉆頭憑借鉆頭壽命長，機械鉆速高，耐高溫等優勢，廣泛應用于鉆井行業。但是PDC鉆頭在用于定向井施工中，出現了造斜困難，工具面不穩等現象，嚴重影響了機械鉆速和井深軌跡。

定向井；PDC；鉆速；工具面；趨勢

1　概述

隨著老油田勘探開發的需要，為了盡可能的提高采收率，節約開發成本，定向井、水平井等特殊工藝井持續增多。面對超薄油氣藏，分塊小油氣藏等，定向井的技術優勢就顯現出來。

PDC鉆頭與原來采用的牙輪鉆頭相比，由于破巖機理，鑄造材料及設計方便的不同，在機械鉆速和耐磨性上，PDC鉆頭有著巨大的優勢，很多井隊都愿意采用PDC鉆頭。但是油田定向井持續增多，很多井隊在使用PDC鉆頭施工時，都會出現工具面不穩定，造斜困難等現象，機械鉆速降低，嚴重影響著施工進度。牙輪鉆頭雖然造斜容易，工具面比較穩定，但是由于鉆頭壽命較短，施工70多個小時就要擔心井下安全，不得不起鉆更換鉆頭，也影響著施工速度。

因此，目前國內外都在研究適合定向施工的PDC鉆頭，滿足日益增多的定向井施工的需要。

2　PDC鉆頭在定向井施工中影響因素分析

PDC鉆頭的破巖機理是切削式，加上PDC本身設計特點，巖石的各向異性，定向井的鉆進方式，鉆頭的振動，鉆井的相關參數等的影響，都會對PDC在定向施工中的性能產生影響。

2.1PDC結構特點

PDC是以切削齒對巖石的破壞來實現鉆進的。巖石究竟以哪種形式被破壞，與切削齒的后傾角有密切的關系。PDC在定向井施工中飽受詬病的原因就是工具面的不穩定，有人提出通過增加鉆頭切削齒的后傾角，達到降低鉆頭對巖石的侵入程度，實現對工具面穩定性的控制，從而達到想要的機械鉆速。

2.2巖石的各向異性。

地層的復雜性是難以預計的，特別是一些深井超深井。當鉆進從硬地層進入軟地層，或者從軟地層進入硬地層時，都會對PDC鉆頭產生一定的側向力。原因是，當鉆頭在各向同性的巖層里鉆進時，各切削齒破壞同樣巖性的地層，這時就不會有側向力產生；而一部分切削齒切削軟地層而當一部分切削硬地層時，這時側向力產生，導致鉆頭偏移。

2.3定向井的鉆進方式

鉆進方式分為轉盤轉動的旋轉鉆進和依靠馬達的滑動鉆進。在傳統的定向鉆進中，也就是我們通常所說的滑動鉆進中，鉆柱是不旋轉的，鉆頭連接上馬達的彎接頭上鉆進，實現工具面的穩定。而轉盤轉動鉆進，允許鉆出直井眼。隨著井斜角和位移的增加，鉆柱上的摩擦阻力增大，鉆壓不能有效的全部加到鉆頭上，尤其是在滑動鉆進時，由于磨阻的增加，時常造成脫壓。因為轉動轉盤鉆進時，鉆柱運動是切線方式，磨阻產生的扭矩，用于產生鉆柱的旋轉。而滑動鉆進，磨阻全部加在鉆頭上，隨著磨阻的不斷變化，鉆頭上的鉆壓也時大時小，由于PDC切削式的破巖方式，就容易造成鉆頭的劇烈震動，從而使得工具面非常難控制。

2.4鉆井相關參數影響

鉆井相關參數包括鉆壓，排量，機械鉆速，外部剖面長度等。鉆壓是鉆井行業中最常用的詞匯，在鉆井中是十分重要的。鉆壓增加時，在一般常見地層鉆進中，都會增加井斜，同時隨著鉆壓的逐漸增加，井斜也隨之增加；同時隨著鉆壓的增大，鉆頭的方位力接近消失，有利于維持方位的穩定。鉆進過程中，排量越大，井底的破巖速度就會增加，井底鉆井液的攜巖能力也會增強，井底清潔度會變好，有利于減少鉆頭的振動和側向偏移。國外研究表明PDC鉆頭在鉆進過程中容易左漂移，其中PDC鉆頭的外部剖面長度越長，漂移趨勢越明顯。

3　定向施工中PDC鉆頭的發展趨勢

定向井日趨增多，而PDC鉆頭有著提速耐用的核心優勢，但是在定向井施工中，工具面不穩影響機械鉆速。未來的發展趨勢就是要向在保證機械鉆速的同時，通過改變鉆頭的結構，能夠減少鉆頭振動和發生側向偏移的可能，達到工具面穩定的目的。

3.1改變原有錐形設計，換成平坦冠部輪廓

實際施工中，PDC冠部錐度越高，鉆頭受到的側向力就越大，越容易發生橫向偏移。可以將錐形部分設計改成平坦的輪廓，減少側向力的出現，防止橫向偏移的發生。

3.2改變刀翼形狀和布置形式

PDC的破巖機理就是切削式，切削齒普遍分布在刀翼上，這種分布雖然在一定程度上能夠保持切削巖石的高效，但是容易受到側向力的干擾，給工具面的穩定性帶來不利影響。可以將刀翼設計成螺旋式，這樣就減少了鉆頭發生回旋的可能。

3.3改變切削齒的布置方式

采用軌徑布齒，就是在鉆頭半徑上布置數量不均的切削齒，減少同心圓環之間切削齒重疊的幾率，這樣可以使PDC鉆頭在井底形成不平滑的輪廓，減少偏移情況的發生。

現在常用的PDC鉆頭的布齒密度較大，在較大的鉆壓下，井底的鉆具組合容易發生扭曲變形。采用小密度的布齒，配上小鉆壓，一樣可以達到期望的機械鉆速，又有助于減少鉆頭振動，保持井下鉆具的安全。

4　結語

PDC鉆頭在定向井施工中廣泛應用，取得了良好的效果。雖然在使用過程中存在工具面不穩影響施工進度的情況，但是隨著PDC鉆頭理論的革新和技術的發展，相信PDC鉆頭能不斷的提升定向井的施工效率。

［1］定向井PDC鉆頭的發展趨勢。孫金潮，劉海洋，宋永芳。中國化工貿易，2014.5.

［2］影響PDC鉆頭在定向井中性能的原因分析。徐建飛。價值工程，2012.2.

［3］復合PDC鉆頭在樁西地區定向井中的應用。范兆祥。鉆采工藝，2003.4.