定向井用PDC鉆頭研究

展新

摘要：定向井技術可以更好地對油藏進行開發利用，定向井作業采用PDC鉆頭可以有效提高鉆井效率，保證鉆井質量。在實際的定向井鉆井作業過程中，采用PDC鉆頭進行作業，存在著方位和軌跡與設計產生偏移的問題，影響著鉆井作業質量。本文對定向井PDC鉆頭與地下儲層作用力建立起模型，并對鉆頭受力進行深入地分析，并對定向井PDC鉆頭鉆井趨勢影響因素進行了探討。

關鍵詞：定向井鉆井;PDC鉆頭;影響因素

隨著定向井鉆井技術的不斷進步，對定向井作業采用的工具提出了新的要求。定向井鉆井作業需要面對較為復雜的地質條件，還需要保證較好的鉆井質量，需要對PDC鉆性能通過不斷優化和提升，確定出最為合理的鉆頭結構方式和配置參數，可以更好地保證鉆井作業速度。所以，需要對定向井用PDC鉆頭進行深入地研究，保證鉆頭具備較高的鉆井作業效率和使用壽命。

1定向井PDC鉆頭與地下儲層作用力模型分析

PDC鉆頭應用到定向井鉆井作業時，與地下儲層產生的作用存在著較多的影響因素，需要確定出地下儲層巖體具備的定量參數，采用定量分析辦法對不同方向的參數進行確定。由于地下儲層巖體形成原因比較復雜，具備的強度和硬度在不同方向上有著較大的不同，存在的各向異性會對PDC鉆頭產生影響。定向井鉆井作業過程中，鉆遇機率最高的就是沉積巖地層，該地層的地質條件有著各向異性現象，會使得鉆井作業過程中出現鉆頭偏離設計井眼軌跡的問題，會對鉆井質量造成影響，也會降低鉆井施工作業效率。在PDC鉆井向前挺進過程中，會具備軸向鉆井趨勢，還會形成側向鉆進趨勢，該種鉆頭會在軸向、側向形成兩個挺進趨勢，使得形成的井眼軌跡偏離原計劃軌跡。在對鉆頭進行設計時，多注重軸向鉆進性能，防止鉆井作業過程中存在側向鉆井問題。對PDC鉆頭水力結構進行設計，也多考慮軸向鉆進性能，規格型號不同的鉆頭在軸、側鉆性能方面也有著很大差異，會結合地下儲層參數，采用理論計算的辦法，也可以在實驗內開展破裂試驗，從而得到PDC軸、側方向鉆進參數。定向井鉆井作業利用PDC鉆頭會形成三種不同類型的側向力，鉆井工具結構方式會使其具備側向力，鉆頭結構也會產生側向力，再就是地下儲層巖層產生的側向力。把鉆頭對地下儲層巖石形成的作用力進行深入分析，并對鉆頭在井身底部位移改變進行研究，通過坐標變換來分析PDC鉆頭結構對側向力的產生的影響，再考慮到地下儲層巖石具備的每個方向異性參數，可以建立起井筒底部鉆頭和地下儲層間的作用力模型。

一般情況下，鉆井作業過程中遇到的地下儲層都具備均值質性特點，但不管均質性程度如何，如果鉆頭軸、側鉆性能參數一樣，在定向井作業環境下PDC鉆頭形成的合力方向，也無法完全保證與鉆頭位移方向相同。鉆頭合力的方向會與位移方向存在著一定的角度，可以簡化之后建立起三維鉆速模型，用于對地下儲層巖石具備的非均質性對外頭側向力的影響進行分析。地下儲層受到的力與機械作用力有著較大的差別，進行受力分析時需要把具備的特性參數變換成作用力，可以便于分析受力情況，而巖石受力情況與每個方向異性參數有著直接關系，只只有在鉆井作業時才能發現作用力的存在。對定向井井眼軌跡進行分析可以知道，鉆頭上鉆井工具的結構方式，可對PDC鉆頭形成側向力，并控制鉆頭旋轉的角度。把鉆井工具和鉆頭具備的特性參數引入到作用力模型，可以得到鉆頭挺進過程中側向力，可以為鉆井作業方案的制定提供參考。

2定向井PDC鉆頭鉆井趨勢影響因素

定向井鉆井作業過程中，對鉆頭鉆井趨勢產生的影響的因素比較多。主要有鉆井工具、鉆頭結構特點、地下儲層巖石特性、選用的鉆井參數等。每種影響因素對鉆頭鉆進趨熱影響機理有著較大的不同，結合相關理論知識，并應用分析軟件來對鉆頭鉆井趨勢影響因素進行分析。

如果鉆井組合工具中的扶正器直徑尺寸增加，則會對鉆頭井斜力產生一定影響，會使井眼軌跡斜度變大，但不會對鉆頭方位力產生太大的影響。如果在大斜度定向井施工時，不可以增大扶正器直徑尺寸來控制井眼斜度和方位。如果PDC鉆頭保徑齒長度變大，鉆頭旋轉形成的井斜力會向上，作用力隨著徑齒長度增加而不斷變小，合理提升保徑齒長度可以更好地控制井斜，應用PDC鉆井進行定向井鉆井作業過程中，可以利用合理的保徑齒長度可以控掉好井眼軌跡斜度和方位。鉆井壓力變大時，PDC鉆頭具備的井斜力會保持向下，隨著壓力的提高則作用力也會變大，鉆井壓力的增加會加大井傾斜的可能性，井斜程度會隨著鉆井壓力變大而增加，當PDC鉆頭具備的方位力達到零，在大斜度定向井鉆井作業過程中，鉆壓的提升會使井眼軌跡斜率變大，但可以更好地控制井眼方向。提高PDC鉆頭旋轉速度，定向井井眼軌跡變斜程度會相應地變小，可以對井斜角度進行適當地調整。在定向井造斜作業階段，如果鉆頭從質地比較硬的地下儲層轉換到軟地層過程中，鉆頭的前進方向會與預計角度產生一定程度的偏離，需要在及時調整鉆井速度和角度，可以更好地保證定向井鉆井質量。對定向井PDC鉆頭鉆井趨勢影響因素進行分析，制定出有效的預防辦法，可以更好地保證鉆井質量，提高鉆井作業效率。

3結束語

綜上所述，PDC鉆頭由于具備較高性能，已經在定向井鉆井作業中得到了大量的應用，隨著PDC鉆頭理論和生產技術的不斷進步，會進一步提高定向井鉆井作業效率，保證井眼軌跡的準確性。定向井作業過程中，鉆頭會受到地下儲層各響異性產生的影響，鉆頭前進方向會與設計軌跡產生偏離，同時，PDC鉆頭在前進過程中會受到鉆井工具、鉆頭結構和地下儲層特性產生的側向力，這就使得鉆頭鉆進趨勢受到影響，結合應用軟件和建立的三維模型對影響因素進行分析，采取相應的控制措施，可以更好地保證定向井鉆井質量和作業效率。

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