淺析鋼體PDC鉆頭修復(fù)與應(yīng)用

陳 楠

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院, 黑龍江大慶 163413）

大慶油田鉆井行業(yè)中, 鋼體PDC鉆頭因為在鉆井中表現(xiàn)出的良好性能而被各個鉆井單位所使用。鋼體PDC鉆頭與其他種類的鉆頭相比較, 結(jié)構(gòu)簡單而耐用, 其性能強大, 在使用過程中表現(xiàn)出很高的抗沖擊性以及耐磨性。鋼體PDC鉆頭主要由五部分組成, 包括鉆頭體、切削齒、噴嘴、保徑面和接頭。雖然其結(jié)構(gòu)簡單, 但是鋼體PDC鉆頭表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果。尤其是在軟中硬地層中, 鋼體PDC鉆頭應(yīng)用效果明顯, 對比鄰井, 鉆速得到很大提升, 且在鉆進過程中工作平穩(wěn), 單位時間內(nèi)進尺多, 因而出現(xiàn)的事故較少。但部分特殊地層會使鋼體PDC鉆頭產(chǎn)生較大磨損, 因此在之前的鉆井行業(yè)中, 鋼體PDC鉆頭主要是被應(yīng)用在軟巖地層中。隨著鋼體PDC鉆頭技術(shù)的突破以及在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和鉆頭材料方面的科研進展, 鋼體PDC鉆頭可以應(yīng)用在更廣泛的地層中, 包括較之前很少應(yīng)用的硬巖地層, 且目前看來, 在硬巖地層的鉆進過程中, 仍然可以取得良好的應(yīng)用效果, 包括鉆速和穩(wěn)定性方面的提升。鋼體PDC鉆頭具有良好的應(yīng)用效果以及被更廣泛的應(yīng)用的另一重要因素是切削齒質(zhì)量的提升, 以及切削齒的布齒密度及方式的合理設(shè)計, 這些設(shè)計可以極大限度地降低切削齒的磨損并且提高鋼體PDC鉆頭的使用壽命。因此鋼體PDC鉆頭被更廣泛的推廣以及應(yīng)用。同時鋼體PDC鉆頭在可定向性也有了很大的改善, 而且在現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中, 一次又一次取得了良好的應(yīng)用效果。

鋼體PDC成本高, 相對而言傳統(tǒng)牙輪鉆頭成本低, 因此為了降低生產(chǎn)成本, 很多企業(yè)開始進行鋼體PDC鉆頭的修復(fù)方面的科研攻關(guān)。大慶油田也開展了鋼體PDC鉆頭的修復(fù)和應(yīng)用試驗, 并且修復(fù)后的鋼體PDC鉆頭具有仍然不低于出廠效果的良好應(yīng)用性能, 在現(xiàn)場的應(yīng)用試驗過程中, 修復(fù)后的鋼體PDC鉆頭具有很好的技術(shù)指標(biāo)。修復(fù)后的鋼體PDC鉆頭可以獲得顯著的經(jīng)濟和社會效益。

1 鉆頭損壞原因分析

對已經(jīng)磨損的鋼體PDC鉆頭分類與統(tǒng)計, 可以得知鋼體PDC鉆頭的損壞可以是很多方面因素導(dǎo)致的, 其中影響最大的損壞包括復(fù)合片的掉落, 以及部分復(fù)合片出現(xiàn)的碎裂。引起這些損壞的主要原因是在鉆進過程中, 地下情況通常較為復(fù)雜, 鋼體PDC鉆頭會受到反作用力、與地層巖石之間的摩擦損耗、額外作用力的影響。其中引起鋼體PDC鉆頭損壞最主要的原因通常是額外作用力。對已經(jīng)產(chǎn)生磨損的鋼體PDC鉆頭進行觀察試驗與分析總結(jié), 可以得知下面的幾點是在鉆進過程中導(dǎo)致鋼體PDC鉆頭以及切削齒出現(xiàn)破損的最主要因素：

（1）鉆進過程中遇到礫石層, 或者所遇到礫石層的厚度不均勻。鋼體PDC鉆頭在鉆進到礫石層時, 會導(dǎo)致復(fù)合片產(chǎn)生碎裂、崩片等損壞狀況, 這也是鋼體PDC鉆頭切削齒出現(xiàn)磨損狀況的主要因素。

（2）鉆進過程中地層中的硬夾層較多也會導(dǎo)致鋼體PDC鉆頭切削齒掉齒與復(fù)合片的碎裂。鋼體PDC鉆頭在通過不同的地層的過程中, 地層與地層的硬度具有很大的區(qū)別, 在這種情況下鋼體PDC鉆頭切削齒容易出現(xiàn)受力不均的狀況, 這種狀態(tài)下會出現(xiàn)憋鉆或者跳鉆的狀況。同時, 如果鋼體PDC鉆頭的基體與復(fù)合片焊接質(zhì)量不合格導(dǎo)致焊接不牢固, 在鉆頭所受到的力產(chǎn)生變化時或者突然受力增大的情況下, 就會產(chǎn)生復(fù)合片破裂或者掉片。因此可知, 在鉆進的過程中, 即使使用相同的鉆井參數(shù), 在硬巖地層中鋼體PDC鉆頭也更容易導(dǎo)致?lián)p壞。

（3）鋼體PDC鉆頭在鉆進過程中選擇的水力參數(shù)不當(dāng)。在使用鋼體PDC鉆頭鉆進時, 如果選擇的參數(shù)不正確或者偏小, 對鉆頭切削齒上雜物的清理和鋼體PDC鉆頭的冷卻降溫便會達不到預(yù)期效果, 都會使鋼體PDC鉆頭在鉆進過程中難以發(fā)揮出本有的性能效果, 如果比水功率過小, 反而讓會因溫度的影響使得鋼體PDC鉆頭在鉆進過程中加大熱磨損。反之, 選用的水比功率偏大, 會造成在鉆進過程中噴嘴掉落, 更嚴(yán)重的會導(dǎo)致切削齒掉落。

2 可修復(fù)性評定

在修復(fù)之前需要對磨損的鉆頭進行可修復(fù)性的評定, 用來判別鋼體PDC鉆頭是否有修復(fù)的必要性及經(jīng)濟價值。如果經(jīng)過評定后達到可修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn), 可以進行修復(fù)。在生產(chǎn)過程中, 鋼體PDC鉆頭在鉆進后最經(jīng)常出現(xiàn)的耗損是切削齒的磨損。在生產(chǎn)中常用的鋼體PDC鉆頭切削齒通常設(shè)計為最小齒距布齒、等切削體積布齒、等切削功率布齒、等磨損布齒等布齒方式,但是這幾種方式的布齒, 都會因為布齒空間、模型誤差等一些外在的原因而產(chǎn)生不同的影響,便會使得不同位置的切削齒在鉆進過程中出現(xiàn)的損耗不同, 在制造與生產(chǎn)過程中, 切削齒也會存在加工而產(chǎn)生的偏差。其次鋼體PDC鉆頭經(jīng)過作業(yè)后外徑變小, 尺寸變小, 在實際工作中磨損最嚴(yán)重的部位通常是鋼體PDC鉆頭冠部外圈齒。具體而言鋼體PDC鉆頭能否進行修復(fù)可以通過以下幾個方面進行判斷：

（1）可利用切削齒總數(shù)是否符合要求。如果可以修復(fù)的切削齒數(shù)量大于切削齒總數(shù)的四分之一則通常認(rèn)為是有必要進行修復(fù)。同時不同尺寸的切削齒對應(yīng)的要求的磨損量也不能超過限度。具體可參照表1。

表1 切削齒是否可進行修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)

（2）所有切削齒磨損不能超過原本直徑尺寸的一半, 否則不能進行修復(fù)。

（3）鉆頭保徑面磨損輕微, 保徑面直徑磨損量在4mm以內(nèi)。

（4）對鋼體PDC鉆頭內(nèi)活動噴嘴進行檢查, 如有嚴(yán)重沖蝕現(xiàn)象不能進行修復(fù)。

3 修復(fù)方案及方法

經(jīng)過評定后, 如果確定鋼體PDC鉆頭可以進行修復(fù), 則根據(jù)相應(yīng)的鉆頭磨損情況進行具體的修復(fù)方案的制定。修復(fù)的一般步驟是先將要修復(fù)的鋼體PDC鉆頭清洗干凈, 再將鋼體PDC鉆頭利用中頻加熱設(shè)備進行加熱。當(dāng)鋼體PDC鉆頭溫度達到600℃時取下切削齒, 把經(jīng)過評定認(rèn)為可以直接再次使用的部分放到保溫設(shè)備中, 等待再次使用。對于不能直接進行再次使用的部分, 則需要進行修復(fù)。根據(jù)鋼體PDC鉆頭磨損情況不同, 通常采用以下幾種常規(guī)方案。

3.1 切削齒磨損嚴(yán)重

通常采用更換復(fù)合片。要求產(chǎn)生損耗的復(fù)合片與新復(fù)合片的相同。

3.2 切削齒掉片

如果齒窩和齒托磨損不嚴(yán)重, 采用噴砂方式進行修復(fù)處理, 然后選用新的復(fù)合片進行焊接。如果磨損嚴(yán)重便不能進行修復(fù)。如果齒托磨損嚴(yán)重, 首先需要預(yù)熱, 預(yù)熱之后再加熱取下齒托進行更換, 然后焊接新的復(fù)合片。

3.3 可利用切削齒

部分原切削齒可不進行處理進行使用, 但是有一些磨損的切削齒可以用氣焊進行加熱后對切削齒進行旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度, 將磨損量大的部位轉(zhuǎn)到內(nèi)部, 磨損量小的部位轉(zhuǎn)到切削面上。

3.4 活動噴嘴

鋼體PDC鉆頭上活動噴嘴結(jié)構(gòu)如果損壞可以更換為同規(guī)格型號的噴嘴。首先將原噴嘴及密封圈取下, 再進行清洗。之后再安裝上同等規(guī)格型號的噴嘴和密封圈。

3.5 鉆頭體強化層修復(fù)

鋼體PDC鉆頭的強化層沖蝕剝離會導(dǎo)致鉆頭的壽命大大降低并且引起鉆頭縮徑的問題, 因此在修復(fù)過程中也需要對鋼體PDC鉆頭強化層再次進行強化處理。再次進行鋼體PDC鉆頭表面強化處理前需要將全部的合金齒托和復(fù)合片通過氧—乙炔加熱的方式烤下來, 然后用石墨的齒托和替片進行鑲嵌占位, 再開始對鋼體PDC鉆頭表面強化。之所以要先將復(fù)合片和金剛石齒托烤下來的原因是, 強化過程中溫度較高, 會導(dǎo)致金剛石復(fù)合片表面碳化, 下井后直接影響復(fù)合片使用壽命。

3.6 鋼體PDC鉆頭修復(fù)后保溫及后處理

冷卻是為了保證焊接效果, 使得在以后的鉆進過程中能夠滿足生產(chǎn)需要, 達到現(xiàn)場要求的效果, 同時也可以降低鉆頭內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力。進行焊接修復(fù)過后的鋼體PDC鉆頭也要進行保溫, 保溫時間要滿足要求, 一般不低于6h。修復(fù)過后的鋼體PDC鉆頭部分位置需要進行打磨才能使鉆頭尺寸符合要求, 一般的方法是將其安在磨床上方便修整, 在修整的過程中所使用的工具為金剛砂輪, 修整的主要目的是使鋼體PDC鉆頭的外徑符合要求, 防止修復(fù)過后鋼體PDC鉆頭的尺寸產(chǎn)生變化而影響使用。然后再進行出廠檢測。同時需要對所修復(fù)的鋼體PDC鉆頭進行編號, 方便進行修復(fù)樣品的跟蹤處理以及信息反饋工作, 在后續(xù)的工作中跟蹤鋼體PDC鉆頭的使用以及損壞情況, 進行詳細分析對比研究以便于完善修復(fù)工藝, 為以后的鋼體PDC鉆頭修復(fù)提供更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。需要收集的使用情況包括在后續(xù)的使用過程中鋼體PDC鉆頭的應(yīng)用時間、進尺、損壞情況、事故概率等。

4 現(xiàn)場應(yīng)用與結(jié)論

（1）通過在大慶油田鉆井公司中的鋼體PDC鉆頭的現(xiàn)場使用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù), 表明修復(fù)后的鋼體PDC鉆頭具有很好的性能, 且在鉆進過程中的表現(xiàn)不低于原鉆頭, 較大限度地增加了同一鉆頭的使用壽命。

（2）相比于大量應(yīng)用新鉆頭, 使用可修復(fù)式的鋼體PDC鉆頭可以大程度降低每一口井的綜合成本, 在為單位帶來良好的經(jīng)濟效益的同時也取得了很好的社會效益。

（3）修復(fù)后的鋼體PDC鉆頭在現(xiàn)場應(yīng)用時, 同樣需要根據(jù)地層的不同選用不同的類型的鋼體PDC鉆頭, 發(fā)揮不同類型的鋼體PDC鉆頭的優(yōu)點與優(yōu)勢, 來取得良好的應(yīng)用效果, 達到鉆進要求。

（4）在鋼體PDC鉆頭修復(fù)過程中, 需要改進修復(fù)技術(shù), 減少修復(fù)過程中所包含工序, 縮短修復(fù)所用時間, 降低修復(fù)工作的生產(chǎn)成本, 在此之上需要保證修復(fù)質(zhì)量, 進而提高修復(fù)的所帶來的經(jīng)濟價值與效益。

（5）鋼體PDC鉆頭在使用過程中應(yīng)及時與使用單位建立溝通與聯(lián)絡(luò), 動態(tài)了解鋼體PDC鉆頭的使用情況, 在使用過程中及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的損壞情況, 防止在后續(xù)的工作中鋼體PDC鉆頭出現(xiàn)更嚴(yán)重的損壞, 導(dǎo)致后續(xù)修復(fù)工作難度增大成本增加或者修復(fù)工作無法進行。

（6）油田開發(fā)后期, 勘探、開發(fā)對象越來越復(fù)雜,水平井、三維繞障井以及大位移井逐年增多；為降低成本、提高效益, 技術(shù)套管變淺；漏失、坍塌、擴徑等復(fù)雜、惡劣井況增多；井眼軌跡復(fù)雜, 狗腿度大。針對上述問題,鋼體PDC鉆頭達到滿足現(xiàn)場施工工藝的要求, 減少起下鉆, 縮短鉆完井周期, 降低測井時井下風(fēng)險。

（7）目前國內(nèi)很多鉆頭生產(chǎn)公司以及應(yīng)用公司都已經(jīng)掌握了鋼體PDC鉆頭的修復(fù)技術(shù), 且技術(shù)熟練, 修復(fù)后的鋼體PDC鉆頭在各個油田的使用過程都產(chǎn)生良好的應(yīng)用效果, 經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)的反饋與實驗室內(nèi)研發(fā), 鋼體PDC鉆頭的修復(fù)技術(shù)會得到更大的提高。