PDC 鉆頭與螺桿鉆具參數(shù)匹配技術分析及應用

樊思成，李 勇，李洪利，張 衡

（中國石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

在定向井施工中，目前主要通過螺桿鉆具或旋轉(zhuǎn)導向工具實現(xiàn)定向作業(yè)：旋轉(zhuǎn)導向工具仍然主要依靠進口，作業(yè)成本高，特殊工況下使用風險高，應用受限；螺桿鉆具則應用更加廣泛，開展PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復合片）鉆頭與螺桿鉆具參數(shù)匹配技術研究，可以提高破巖效率，降低鉆井成本，縮短建井周期，實現(xiàn)定向井規(guī)模效益開發(fā)。

1 定向井復合鉆進工況分析

復合鉆進是在鉆具組合中加入井下動力鉆具，為井底鉆頭提供輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，動力鉆具提供的轉(zhuǎn)速與排量有關，扭矩與動力鉆具工作特性相關。復合鉆井分別有井上動力源（頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤）和井下動力源兩部分組成，可以大幅提升鉆井效率。

在螺桿鉆具中，泥漿是自上而下流進馬達的，理論轉(zhuǎn)速計算公式如下[1]，即：

式中 RL——螺桿鉆具理論轉(zhuǎn)速，r/min

Q——排量，L/s

q——螺桿鉆具每轉(zhuǎn)排出的流量，L/r

如果鉆井平臺頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為Rs，則鉆頭的理論總轉(zhuǎn)速為[2]：

依據(jù)能量守恒定律，則有[3]：

式中 ωt——鉆頭理論角速度，rad/s

ΔPp——鉆具進出口的壓力降，MPa

由上式可以得出：

因此，鉆頭理論總扭矩可表示為[4]：

式中 Ts——鉆井平臺上的測量扭矩，kN·m

由于定向井可以提升鉆遇率，是目前油氣開發(fā)的主流井型，而定向井中采用PDC 鉆頭與螺桿鉆具組合的復合鉆進模式是實現(xiàn)高效破巖的主要手段，而鉆頭在井底所獲得的實際鉆壓與鉆柱的摩阻大小有直接關系，間接影響鉆頭與螺桿鉆具匹配關系。國內(nèi)外資料檢索發(fā)現(xiàn)，相關學者進行了該方面的研究并建立了理論計算模型[5]。

在定向井中，取長度為Δl的鉆柱微元段為研究對象，根據(jù)微元段的力平衡和力矩平衡方程可由式（6）表示摩阻[6]。

式中 Ft——鉆柱的軸向力，kN

μ——鉆柱的軸向摩擦系數(shù)，無因次

Nn——鉆柱受到的正壓力在方向上的分量，kN

Nb——鉆柱受到的正壓力在方向上的分量，kN

E——鉆柱彈性模量，MPa

I——鉆柱的截面慣性矩，m4

We——單位長度鉆柱的浮重，kN/m

α——井斜角，°

Kb——井眼曲率，°/30 m

Kn——鉆柱彈性變形線上一點的曲率，m-1

Nσ——任一點井壁的地基反力，kN

φ——鉆柱合運動方向與周向運動方向的夾角，°

下鉆工況時，式（6）取“+”，起鉆時取“-”。

對上述公式進行積分即可求得在起下鉆過程中鉆柱微元段受到的摩阻fi。假設整個鉆柱包含n 個微元段，則各微元段受到的摩阻疊加即可得到鉆柱的總摩阻為[7]：

根據(jù)微元段的力平衡和力矩平衡方程可表示扭矩如下：

式中 μa——鉆柱的軸向摩擦系數(shù)，無因次

μt——鉆柱的周向摩擦系數(shù)，無因次

r——鉆柱的外徑，m

N——鉆柱受到的正壓力，kN

結合已知邊界條件，在旋轉(zhuǎn)鉆進過程中，鉆頭處鉆壓為F0，鉆頭與地層作用的扭矩為Mt0，則鉆柱受到的總摩阻f 和扭矩Mt分別為：

2 PDC 鉆頭與螺桿鉆具參數(shù)匹配技術分析

當前頁巖油氣、致密油氣是我國油氣增儲上產(chǎn)的主戰(zhàn)場，四川長寧—威遠頁巖氣區(qū)塊是國家級頁巖氣示范區(qū)，采用“工廠化”作業(yè)模式，單個平臺布置6～8 口井，均為定向井/水平井，以威202H11-3 井為例，該井采用三開井身結構，設計井深4212 m，如圖1 所示。三開井段鉆具組合采用“PDC鉆頭+螺桿鉆具+水力振蕩器”結構，見表1。

表1 三開井段鉆具組合表

圖1 井身結構

該井所使用的PDC 鉆頭基本技術特征：中錐冠型，五刀翼，單排齒，Φ16 mm 復合片，中等布齒密度，倒劃眼防卡設計。

該井選用的螺桿鉆具基本技術特征：外徑172 mm，1.25°彎螺桿，7/8 頭，4.5 級馬達，不帶旁通閥，耐溫120 ℃，十字式萬向軸總成，每轉(zhuǎn)排量q=13 L/r。

在威202H11-3 井8 1/2″井段施工中，泥漿泵排量Q 為30～32 L/s，利用上面公式，計算出螺桿鉆具理論輸出轉(zhuǎn)速為138～148 r/min。地面頂驅(qū)轉(zhuǎn)速一般為40～60 r/min，計算出鉆頭上接收的理論轉(zhuǎn)速在178～208 r/min。工作壓降4 MPa，最大壓降6.6 MPa，則該螺桿鉆具的理論輸出扭矩為8280 N·m，最大輸出扭矩12617 N·m。利用鉆柱摩阻扭矩計算公式，本井摩阻扭矩在5000～9000 N·m，則鉆頭上承受的理論總扭矩在13 280～21 617 N·m。

3 現(xiàn)場應用效果

表2 現(xiàn)場應用數(shù)據(jù)表

4 結論

（1）通過分析定向井復合鉆進工況，研究了PDC 鉆頭與螺桿鉆具參數(shù)匹配的理論計算方法。

（2）通過對四川頁巖氣水平井8 1/2″井段PDC 鉆頭與螺桿鉆具參數(shù)匹配技術分析，獲得了參數(shù)匹配推薦值，經(jīng)過三口井現(xiàn)場應用效果評價，機械鉆速同比均有提升，提高了破巖效率，也為螺桿鉆具設計選型提供了技術參考。