PDC鉆頭粘滑控制技術現狀及發展趨勢

王宏偉，韓　飛，紀友哲，石紅玫

(1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 102200；2.金川集團股份有限公司 生產環保部，甘肅 金昌 737104)①

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PDC鉆頭粘滑控制技術現狀及發展趨勢

王宏偉1，韓飛1，紀友哲1，石紅玫2

(1.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 102200；2.金川集團股份有限公司 生產環保部，甘肅 金昌 737104)①

摘要：隨著石油工業的發展，石油勘探開發的重點逐步轉向深井、超深井。PDC鉆頭在非均質地層鉆進時“粘滑”現象嚴重，導致PDC鉆頭過早損壞，致使機械鉆速低、起下鉆換鉆頭次數多，單位鉆井進尺成本上升。如何有效控制PDC鉆頭的粘滑現象已經成為國內外石油公司研究的熱點。介紹了國內外PDC鉆頭粘滑控制技術的主要研究進展及其未來發展趨勢，為國內PDC鉆頭粘滑控制技術的研究提供參考。

關鍵詞：PDC鉆頭；粘滑；控制

隨著石油工業的發展，石油勘探開發的重點逐步轉向深井、超深井，例如我國四川、塔里木等區塊有大量的石油資源位于深部地層。隨著井深的增加，巖石的硬度和塑性增大，可鉆性變差，機械鉆速降低?，F場鉆井資料表明，深井段的平均機械鉆速僅是其上部井段平均機械鉆速的15%～30% ，部分地區甚至低于8%。研究表明，粘滑振動是造成機械鉆速降低的重要原因之一[1-3]。

筆者認為PDC鉆頭剪切破巖的特性直接導致了粘滑現象的發生。PDC鉆頭在鉆進瞬間的轉矩能量不能滿足破巖轉矩時，PDC鉆頭將處于停鉆狀態；BHA在頂驅(或者轉盤、井下動力鉆具)的作用下繼續旋轉，當BHA扭轉積蓄在鉆頭的能量足以破碎巖層時，積蓄的能量瞬間釋放，此時鉆頭將以相對于數倍頂驅或轉盤的轉速旋轉。

粘滑是造成鉆井功能紊亂的主要原因，其給鉆井工程造成的主要影響有4個方面：

1)增大鉆頭的磨損，PDC鉆頭瞬間高速沖擊運動將加速鉆頭失效。

2)粘滑造成的鉆頭無序運動將降低鉆井破巖能量效率，消耗鉆機井下驅動裝置提供的能量。

3)粘滑本身及其引起的其他振動加快下部鉆具組合疲勞失效或粘扣，并引發井下電子儀器的早期失效。

4)降低鉆進連續性及井身質量，增加純鉆進時間及起下鉆次數，降低鉆進效率。

綜上所述，深井、復雜井等復雜層PDC鉆頭鉆進時粘滑現象普遍存在，且粘滑對鉆井影響十分嚴重，造成了大量的人力及物力和成本的浪費。如何解決鉆井粘滑問題已成為國內外石油公司爭相研發的熱點。筆者認為粘滑產生的根本原因是鉆井鉆壓和轉矩能量不匹配造成的。目前，國內外粘滑控制技術大多是基于優化鉆壓轉矩能量機理發展起來的?；诳刂品绞降牟煌饕譃楸粍右种坪椭鲃右种苾纱箢悺?/p>

本文介紹了國內外粘滑控制技術的主要進展和現狀，通過對PDC鉆頭粘滑控制技術主要發展趨勢的分析，為國內外粘滑控制技術的研發方向提供建議和參考。

1被動抑制粘滑控制技術

被動抑制粘滑控制技術是目前最常使用的一種手段，其主要是通過鉆頭優化及配套井下粘滑抑制工具來直接控制鉆具的動態特性。

1.1鉆頭優化

鉆頭是鉆井的關鍵部件，其性能的好壞直接影響鉆井效率。國內外研究人員通過對螺旋刀翼、高后傾角切削齒、布置抗沖擊齒、非對稱刀翼布置等進行了大量研究，在提高鉆頭抗沖擊性、減少粘滑對鉆頭破壞影響方面取得了一定的進展，但不能有效抑制粘滑。本文主要介紹2種能夠抑制粘滑的新式鉆頭。

1.1.1復合鉆頭

復合鉆頭(如圖1)是將牙輪鉆頭和PDC鉆頭合二為一，實現牙輪鉆頭和PDC鉆頭優劣勢互補。目前，國外Bakerhughs、Smith及Reed公司的類似產品已進入了商業化應用階段。其中Bakerhughs公司研制的Kymera復合鉆頭在Western Oklahoma油田的Atoka到Des Moines井段大量的夾層使用，鉆井周期從82 d縮短到25 d，每英尺費用減少40%左右[4-6]。

國內西南石油大學、江漢四機廠、寶雞石油機械有限責任公司等也開展了相關研究，并形成了自主知識產權產品，但是該技術尚處于現場試驗階段，未達到商業化應用水平。

圖1　復合鉆頭

1.1.2SpeedDrill鉆頭

目前，國內尚無相關技術研究報道。

圖2　SpeedDrill鉆頭

1.2井下粘滑抑制工具

目前，國內外井下粘滑抑制工具種類繁多，本文僅介紹具有代表性的2種典型產品。

1.2.1扭轉沖擊器

我國勝利油田鉆采院、大慶油田鉆采院等單位也先后開展了相關技術的研究，形成的相關系列產品已具備了商業化推廣水平。其中，大慶鉆采院的類似產品已現場應用41口井，進尺17 884 m，純鉆時間5 500 h，平均機械鉆速3.25 m/h，平均提速214%，獲得經濟效益￥8 000萬元，提速提效顯著。

圖3　扭轉沖擊器

1.2.2衡轉矩鉆井工具

Tomax公司的衡轉矩鉆井工具(如圖4)是基于對鉆頭轉矩能量的存儲和釋放，進而實現鉆頭轉矩的實時自平衡，實現鉆頭轉矩波動的“消峰填谷”。Tomax公司的衡轉矩鉆井工具已形成系列化、商業化應用，現場應用效果良好，比較典型的案例是在Norway的Gyda區塊使用時，節省3 d鉆井時間，節約成本＄225萬美元[9]。

國內只有中國石油集團鉆井工程技術研究院開展類似工具的研究，并且已經先后在吉林、長慶油田進行了3口井的應用，抑制粘滑效果明顯。其中在長慶油田隴8井，單只鉆頭進尺同比提高600%，平均機械鉆速同比提高20%以上。

圖4衡轉矩鉆井工具樣機

1.3小結

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被動抑制粘滑控制技術的優勢是結構簡單、成本低。但其在使用過程中無法準確獲得井底轉矩、鉆壓及振動參數等信息，不同區塊地層參數及泥漿等參數的差異有時會導致粘滑抑制技術的失效。

2主動抑制粘滑控制技術

主動抑制粘滑控制技術主要是通過實時獲得準確的井底鉆壓、轉矩、振動等參數，并通過井口或者井下直接閉環控制。目前，井底參數測量技術發展迅速，從記憶存儲到實時通信，從鉆壓、轉矩參數測量到振動參數測量，有力地推動了主動抑制粘滑控制技術的發展。

2.1軟轉矩鉆井系統

國外Shell、NOV及Bentec公司已先后研制出用于抑制粘滑的軟轉矩系統，如圖5。該系統主要通過井底井底鉆壓、轉矩、振動等參數傳感器+鉆柱動力學分析軟件，閉環控制鉆柱轉速，使井底工具串組合避開臨界鉆壓及危險轉速區間。借助軟轉矩系統，粘滑現象能夠得到有效控制[10-11]。

國內北京石油機械廠也已研制出了具有獨立知識產權的產品，并在沙特、尼日利亞等地得到成功應用，得到了用戶的認可。

圖5　軟轉矩鉆井系統

2.2井下自適應振動阻尼器

國外APS公司研制的井下自適應振動阻尼器(如圖6)是通過測量井下沖擊和振動的方式主動調整井下沖擊減震器的阻尼特性(阻尼特性調整通過線圈電流控制磁流變體粘性實現)，從而改變BHA自身的軸向和隨機扭轉剛度，響應井下瞬間功能障礙，并且不會延遲原有的井下數據傳輸。該工具的主要特點是通過近鉆頭閉環控制，可快速準確抑制粘滑?，F場應用中提高機械鉆速21%以上，提高鉆頭進尺125%[12]。

目前，國內尚無相關研究報道。

圖6　井底自適應振動減阻器

2.3小結

主動抑制粘滑控制技術的主要優勢是能夠通過傳感器準確了解井底鉆井參數并加以精準控制，其不受地層參數及泥漿等參數外因的影響。主動抑制粘滑控制技術的關鍵是井底傳感器的工作可靠性及控制程序的準確算法。

3發展趨勢

通過國內外PDC鉆頭粘滑控制技術的主要進展和現狀的介紹及分析，筆者認為其未來的主要發展趨勢如下：

1)主動抑制粘滑控制技術是主流發展趨勢。

相對于被動抑制粘滑控制技術，主動抑制粘滑控制技術能夠通過傳感器精準測量井底轉矩、鉆壓及振動等參數，經過PLC控制器進行閉環精確控制，有效消除粘滑現象，實現PDC鉆頭的平穩鉆進。另外，主動抑制粘滑控制技術將帶動井下測量及控制技術發展，為鉆井智能化、自動化奠定了基礎。因此，主動抑制粘滑控制技術是未來鉆井技術的主流發展趨勢。

2)抑制粘滑控制技術向綜合集成化應用方向發展。

抑制粘滑控制技術綜合集成化應用也是一個主要趨勢。一方面，能彌補復雜鉆井工況引起的主動抑制粘滑控制技術井下傳感器、電源等部件失效問題；另一方面，能通過對井底轉矩、鉆壓及振動等參數準確認識，實現被動粘滑控制技術的優化設計。兩類技術優勢互補，有效保證對鉆井粘滑的抑制。

4結論

我國在鉆頭粘滑控制技術方面的研究剛起步，在難鉆、夾層等粘滑現象多發地層使用PDC鉆頭鉆進時，大多采用“輕吊慢打”、降低轉速，或直接采用牙輪鉆頭鉆進。這些做法在一定程度上減緩了粘滑對鉆頭的破壞，但是犧牲了機械轉速，造成大量時間及成本的浪費。隨著我國勘探開發的日趨深入，深井、復雜井等難鉆地層日益增多，對抑制粘滑控制技術十分急迫。筆者建議國內在2個方面加強研究：

1)加強井下測量工具的技術攻關。井下測量工具通過精準測量井底轉矩、鉆壓及振動等參數，能夠有效保證抑制粘滑控制技術精準發力。筆者認為井下測量工具應重點攻關方向是測量參數多元及可靠性等方面。

2)加強抑制粘滑控制技術多元化及集成化應用研究。國外抑制粘滑控制技術種類繁多，但是基于技術保密，各石油公司之間的單項技術集成應用合作很少，尚未形成各單項技術的優勢互補。筆者認為國內石油公司應盡快加強和豐富抑制粘滑控制技術種類，加強合作，實現抑制粘滑控制技術的集成化應用，盡快縮短與國外石油公司技術差距。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0104-04

收稿日期：①2016-01-31

作者簡介：王宏偉(1965-)，男，山東濰坊人，高級工程師，從事石油鉆井裝備與工具研究，E-mail：wanghongweidri@cnpc.com.cn。

中圖分類號：TE921.107

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.024

Status and Development Tendency of Stick-slip Controlling Technology for PDC Bit

WANG Hongwei1，HAN Fei1，JI Youzhe1，SHI Hongmei2

(1.CNPCDrillingResearchInstitute，Beijing102200，China；2.ProductionEnvironmentalProtectionDepartment，JinchuanGroupCo.，Ltd.，Jinchang737104，China)

Abstract：PDC bit suffers serious stick-slip in drilling complicated rock formation，which limits the life-span of PDC bit and reduces the rate of penetration.By introducing and analyzing advanced PDC bit stick-slip controlling technology，in this paper some advices and references are given for the development a of domestic PDC bit stick-slip controlling technology.

Keywords：PDC bit；stick-slip；controlling