剪切帽技術對PDC切削齒的保護原理及應用

(中國石化集團 新星石油有限責任公司，北京 100083)

剪切帽技術對PDC切削齒的保護原理及應用

同輝

(中國石化集團 新星石油有限責任公司，北京 100083)

套管開窗側鉆施工或套管鉆井結束后，需要使用專門的鉆頭或磨銑工具磨銑套管或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件，然后才能進行后續地層的鉆進。傳統工藝是采用兩趟鉆或一趟鉆完成，兩趟鉆浪費時間和成本，一趟鉆對PDC切削齒的傷害較大。Varel鉆頭公司研發的剪切帽技術，其原理是在套管開窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件時可提供剪切作用，同時保護主PDC切削齒面。進入地層后，剪切帽快速磨損脫落，使切削齒高效鉆進地層。現場測試結果表明，剪切帽可有效保護PDC切削齒不受損壞，提高機械鉆速。介紹了剪切帽技術原理及其現場測試情況，以期推動我國用于套管開窗和套管鉆井施工的一趟鉆系統的發展。

套管開窗；PDC鉆頭；保護；剪切帽

Abstract：When the window milling operation or casing drilling is over，to drill the next section of the wellbore，the casing or casing component such as casing drill bit and float equipment must be drilled out by using specially designed drill bit or milling tool.Traditionally，this is done by using two trips or one trip.With the two trips，additional time and costs are required，while the one trip has the potential to damage the PDC cutters.Varel International developed shearing cap technology，the technology provides a shearing action during the window milling or casing component such as casing drill bit and float equipment drill out process while protecting the primary PDC face cutters.Once in the formation，the shearing caps wear away quickly to expose cutter in virtually pristine condition .Field testing result shows that shearing cap can effective protect PDC cutter from damage and improve rate of penetration.In this paper，the technology principle and field testing situations are presented in order to promote the development of our country’s single trip system used for window milling and casing drilling operation.

Keywords：window milling；PDC bit；protection；shearing cap

套管開窗側鉆施工過程中，首先要磨銑一定壁厚的套管，進入地層后才能進行正常的定向鉆進[1-2]。同樣，套管鉆井結束后，為了鉆進后續地層，通常要鉆穿套管鉆井使用的鉆頭和浮鞋等套管組件[3-4]。對于以上2種施工，一般采用以下2種方法：第1種方法是先采用專門的鉆頭或磨銑工具磨銑套管或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件，然后更換PDC鉆頭，進行下一井段的鉆進；第2種方法是使用一趟鉆系統，即直接使用1個新的PDC鉆頭或磨銑工具磨銑套管或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件，并使用該鉆頭繼續進行下一井段的鉆進。但是，第1種方法會增加額外的起下鉆更換鉆頭的時間，第2種方法會對PDC鉆頭的切削齒傷害較大。

PDC鉆頭切削齒的金剛石層極為耐磨，但是在運輸、裝卸、入井和鉆磨過程中會受到沖擊載荷，造成甭齒現象。另外，在套管開窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件時，會產生摩擦高溫，切削齒尖端極易石墨化。其它材料，例如碳化鎢和立方氮化硼在切削鐵質材料時表現出了優異的性能，然而在套管開窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件后，再切削巖石并不有效。

多年來，為了緩解切削齒損壞程度，在套管開窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件后，能夠繼續高效鉆進地層，業內研究人員對一趟鉆系統進行了大量研究，提出了諸多解決方案，主要包括以下幾種，第1種是優化金剛石組分，克服熱量和振動，并采用浸出法去除金屬中的鈷，提高硬度、耐磨性和溫度穩定性[1-2]；第2種是改變切削齒的形狀，設計開發了錐形切削齒和圓頭切削齒，并進行了測試[5-6]；第3種的情形最多，是使用1個附加的硬質合金獨立結構在軸向上保護主PDC切削齒，完成初始磨銑作業，但鑲嵌的硬質合金結構很難磨損掉，殘余部分極大影響了地層中的機械鉆速[7-9]。Varel鉆頭公司研發的剪切帽技術可剪切銑削鐵質材料，同時保護主PDC切削齒面，進入地層后，剪切帽快速磨損脫落，從而使切削齒高效鉆進地層。本文對剪切帽技

術及現場測試情況進行了介紹，以期推動我國用于套管開窗和套管鉆井施工的一趟鉆系統的發展。

1 剪切帽技術原理

剪切帽技術是在一趟鉆系統的基礎上發展起來的，套管開窗或鉆穿浮鞋、套管鉆頭等套管組件的過程中提供剪切作用銑削鐵質材料，同時保護主PDC切削齒面，使切削齒幾乎不受磨損。一旦接觸到地層，剪切帽快速磨損脫落，露出切削齒最原始的狀態，從而在鉆進地層時保持最優的性能。

剪切帽(如圖1)由極為堅硬、耐磨性差的硬質合金材料(鈷含量為14%～18%)制成，與鉆頭連接時將其覆蓋在PDC切削齒金剛石表層外緣，而不是與之相連，并和圓柱形切削齒基底固定在一起(如圖2)。首選方法是使用釬焊材料，該材料比焊接PDC切削齒至鉆頭本體內所用的材料熔點低，這樣可確保剪切帽與每個PDC切削齒基底之間良好的焊接效果，同時不會影響切削齒與鉆頭之間的焊接效果。金剛石表層與標準的釬焊材料不潤濕，確保剪切帽只能釬焊至硬質合金基底。然而，釬焊材料和剪切帽的內表面相連，提供了緩沖層，從而限制鉆進過程中沖擊載荷向金剛石表層的傳遞。

圖1 剪切帽示意

圖2 切削齒上面覆蓋有剪切帽的PDC鉆頭

剪切帽頂部設置有1個孔眼，有利于改善釬焊材料向內配合面的流動，并在磨銑完成后剪切帽開始遇到地層時加速剪切帽的分離脫落。剪切帽也可設置有排屑槽，利于提高套管或相關附件的鉆磨效率。剪切帽相對于磨銑目標產生的后傾角要比PDC切削齒產生的后傾角要小。

剪切帽完好無損時，由于其覆蓋部分金剛石表層，可作為一個局部熱絕緣體，不與金剛石表層相連，不易傳遞應力開裂力至金剛石表層中，而且，剪切帽產生的支承面很小或幾乎沒有，不會降低機械鉆速，且在本質上不改變鉆頭設計或最優的鉆頭選擇，也不改變鉆頭潛在的力平衡。另外，剪切帽不會明顯改變鉆頭總體水力結構，對鉆頭水力特性影響最小，當鉆進地層的時候，該影響隨著剪切帽的脫落也隨之消失。

剪切帽可以與現有的任何標準PDC鉆頭集成為一體。剪切帽不需要特殊的PDC切削齒或者在切削齒基底上添加特殊的非圓柱體，也不需要金剛石和其他超研磨材料的特殊混合。因此，作業者和服務公司在鉆頭選型上比較自由，可以選擇所鉆地層最適合的鉆頭類型。選擇鉆頭時可應用鄰井起下鉆數據、測井分析、力平衡準則、水力學分析等所有的傳統鉆頭選型輸入數據，不會影響包含單獨的硬質合金結構的鉆頭設計。

鉆頭安裝剪切帽不需要任何特殊的設計輸入數據和工藝，只根據預鉆地層需要，按照正常步驟確定切削齒類型、尺寸、數量以及刀翼和噴嘴數量即可，唯一需要設計師決定的是哪一個外肩切削齒應安裝剪切帽。剪切帽通常安裝在錐部、鼻部和肩部切削齒上，而不是安裝在保徑齒上[10]。

2 現場應用情況

剪切帽技術是在一趟鉆系統的基礎上發展起來的，可剪切銑削鐵質材料，同時保護主PDC切削齒面，進入地層后，剪切帽快速磨損脫落，從而使切削齒高效鉆進地層。目前，剪切帽技術在南美洲的哥倫比亞和西非的加蓬進行了現場試驗，取得了顯著的效果[10]。

2.1哥倫比亞

剪切帽技術的首次應用測試是在哥倫比亞進行的，測試時使用一只裝有剪切帽的?222.25 mm VTD519SUXPDC型鉆頭，用時1.67 h，成功鉆磨掉1個套管鉆頭系統。如果使用標準鉆頭，平均需要2 h。2種鉆頭對比如圖3所示。剪切帽鉆頭與1.5°彎馬達配合僅用，不到15 min就完成了套管鉆頭鉆出部分。鉆穿后，剪切帽鉆頭成功鉆進砂巖、粘土巖和粉砂巖地層約1 493 m，至下一個套管深度，沒有發生任何事故。鉆穿后，鉆頭機械鉆速沒有降低的跡象，起至地面后鉆頭完好，磨損等級為1-2-CT-G-X-I-BT-BHA(如圖4)。

a 剪切帽鉆頭b 標準鉆頭

圖3 剪切帽鉆頭與標準鉆頭對比

圖4 剪切帽鉆頭入井前后切削齒對比

通常，由于鉆頭切削齒有明顯的崩齒現象，鉆穿后機械鉆速降低。剪切帽的使用明顯減輕了切削齒的過早損壞，使切削齒在進入地層后保持最優狀態。18個被剪切帽保護起來的切削齒有16個在完成約 1 493 m的鉆進后完好無損，機械鉆速高達42 m/h。鄰井平均機械鉆速只有40 m/h，鉆進進尺比鄰井平均進尺長約18.3 m(鉆進井段較長的鄰井，機械鉆速也比較低)，如圖5所示。

圖5 鉆頭應用性能對比

2.2加蓬

在加蓬陸上油田，對剪切帽技術進行了現場試驗，這也是剪切帽技術在東半球的首次現場應用，目標是一趟鉆鉆穿套管鉆頭，并鉆進約633 m的目標井段，機械鉆速應高于10 m/h。

試驗選取1只?311.15 mm R813P2DG1X 型胎體鉆頭，并安裝了剪切帽(如圖6)。該鉆頭專為過渡帶鉆進開發，在肩部裝有13 mm耐沖擊切削齒，且布齒密度較高，以減少夾互層鉆進時切削結構的磨損或損壞。

圖6 R813P2DG1X型剪切帽胎體鉆頭

剪切帽鉆頭的首次應用顯示了有史以來區域最好的鉆進性能(如表1、圖7～8)，鉆穿套管鉆頭總共用時約3 h，而使用了2家不同的制造商提供的4只PDC鉆頭及1只牙輪鉆頭的5口鄰井卻平均耗時5.4 h，相比之下，剪切帽技術使時間縮短44%。其中，3口鄰井使用了相同的套管鉆頭，用時0.67 h完成了套管鉆頭鉆出部分，而剪切帽鉆頭完成套管鉆頭鉆出部分僅用時0.25 h。鉆穿后，剪切帽鉆頭完成了全部663 m井段的鉆進施工，平均機械鉆速14.1 m/h，而5口鄰井的機械鉆速在8.1～10.4 m/h(平均機械鉆速9.5 m/h)。

表1 R813P2DG1XM型剪切帽鉆頭在加蓬試驗井與鄰井數據對比

注：第6號井使用R813P2DG1XM型剪切帽鉆頭。

圖8 剪切帽鉆頭在加蓬試驗井與鄰井鉆磨時間對比

R813P2DG1X型鉆頭的磨損等級為3-4-BT-A-X-1-BU-TD。切削齒發生崩齒和磨損現象最集中的區域為肩部，該區域1/3的切削材料消失無蹤。在切削齒基底剩余部分上觀察到的熱裂可能是由于泥包、冷卻/清潔不充分造成的(如圖9～10)。

鉆頭基體周圍也觀察到相同的情況，整個輪廓上的斷齒和分層表明鉆頭在400 m處的燧石地層滑動鉆進時遭受了嚴重的沖擊損壞。保徑/肩部過渡區域的切削齒也嚴重受損。

圖9 清洗后鉆頭顯示肩部磨損

圖10 泥包可能導致熱裂

剪切帽的殘余部分清晰可見，這些部分被釬焊在切削齒的后面，對整體性能的影響極為有限(所有上部地層鉆進時，鉆壓控制在50 kN以下)。在鉆頭中心位置觀察到1個噴嘴堵塞及1個切削齒損壞(如圖11)。

圖11 切削齒后部有剪切帽殘余物的鈍鉆頭

3 結論

1) 剪切帽技術使用硬質合金帽結構保護PDC切削齒，在套管開窗或浮鞋、套管鉆頭等套管組件鉆穿時提供剪切作用，而PDC切削齒不會受到傷害。進入地層后，剪切帽快速磨損脫落，從而使切削齒能以高機械鉆速鉆進地層。

2) 剪切帽技術適用于套管開窗或浮鞋、套管鉆頭等套管組件鉆穿作業，可減少起下鉆及更換鉆頭次數，節約時間和成本，實現一趟鉆的鉆進目標。

3) 隨著我國套管開窗側鉆井的規模日益增大及套管鉆井技術的發展，建議開展剪切帽技術的研發，為高效一趟鉆系統提供有效的技術手段。

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ProtectingPrincipleofPDCCutterTechnologyUsingShearingCapandItsApplication

TONG Hui

(XinxingOilLimitedLiabilityCompany，Sinopec，Beijing100083，China)

TE921.107

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.011

1001-3482(2017)05-0053-06

2017-04-05

中石化前瞻項目“非油氣領域科技成果的啟示作用跟蹤調研”(JP14023)部分內容

同 輝(1979-)，男，工程師，碩士，2008年畢業于中國石油大學(北京)，現主要從事工程項目管理工作，E-mail：13581541796@139.com。