定向井用PDC鉆頭研究

劉海軍

勝利石油管理局石油工程技術開發(fā)中心，山東東營 257000

隨著定向井理論與方法的發(fā)展，對于定向井的工具提出了更高的要求，PDC 鉆頭通過不斷的改進和完善，在定向井鉆井中發(fā)揮著重要的作用。由于定向井鉆井在地表之下，井下地層條件復雜，定向井對于鉆井的質(zhì)量要求較高，因此需要進行定向井專用工具的優(yōu)化改進，保證定向井鉆井的質(zhì)量和速度。井下PDC 鉆頭的結(jié)構和參數(shù)是否合適，直接影響到定向井鉆井的準確性和速度，因此需要開展定向井用PDC 鉆頭的研究，提高定向井PDC 鉆頭的效率和壽命。

1 定向井PDC 鉆頭和地層相互作用的模型分析

影響到定向井PDC 鉆頭與地層相互作用的影響因素較多，為了能夠表示地層巖石的定量參數(shù)，首先要對地層巖石的參數(shù)進行定量分析，地層各向異性參數(shù)就是地層巖石主要參數(shù)之一，由于地層巖石特殊的形成原因，地層巖石的強度和硬度在地層的各個方向上，具有不同數(shù)值，所以石油鉆井鉆遇的地層一般都會各個方向上存在區(qū)別，這就指的是地層的各向異性。在沉積巖地層中由于沉積條件的不同，一般會存著各向異性。在石油鉆井過程中，鉆遇較多的就是沉積巖地層。由于地層各向異性現(xiàn)象的存在，導致了定向井鉆井過程中，容易產(chǎn)生井下鉆頭偏離預定軌跡的現(xiàn)象，影響了定向井鉆井的質(zhì)量和效率。在PDC 鉆頭鉆進過程中，不但會存在鉆頭軸向鉆進的趨勢，同時也會存在著鉆頭側(cè)向鉆進的趨勢，PDC 鉆頭這種在軸向和側(cè)向上鉆井趨勢的不同，就是PDC 鉆頭的軸側(cè)方向鉆進的不同性能。在實際PDC 鉆井過程中，鉆頭的設計一般都會側(cè)重于鉆頭的軸向鉆進，避免鉆頭側(cè)向鉆進的現(xiàn)象。在進行鉆頭水力結(jié)構設計時，也是向利于鉆頭軸向鉆進的方面設計，不同類型鉆頭的軸側(cè)鉆性能也不相同。為了能夠獲得特定地層與PDC 鉆頭之間的軸側(cè)鉆性能參數(shù)，通常采用根據(jù)地層的實際參數(shù)，進行理論計算的方式，有時也會采用通過室內(nèi)巖石破巖實驗，來獲得相應的軸側(cè)鉆參數(shù)。定向井PDC 鉆頭在實際鉆井中，主要存在著三種類型的側(cè)向力，首先是井下鉆具結(jié)構對于PDC 鉆頭的側(cè)向力，其次是PDC 鉆頭結(jié)構本身造成的側(cè)向力，第三是由于地層巖石結(jié)構的不同，而對鉆進鉆頭產(chǎn)生側(cè)向力。通過鉆頭對于地層巖石機械作用力的分析，以及鉆頭的井底的位移變化，經(jīng)過一定的坐標變換，考慮到PDC 結(jié)構參數(shù)對于側(cè)向力的影響，最后在加上地層巖石的各向異性參數(shù)，就可以得到井底鉆頭與地層巖石之間相互作用的模型。通常情況下，在實際鉆井過程中鉆遇地層大多數(shù)都是非均質(zhì)的，不論地層的均質(zhì)性如何，而且即使是鉆頭軸側(cè)鉆指數(shù)相同，定向井井下鉆頭產(chǎn)生的合力的方向也不能完全和鉆頭的位移方向一致。鉆頭合力的方向總會和鉆頭位移的方向有一定的夾角，通過利用簡化后的鉆頭三維鉆速模型，可以分析地層巖石的非均質(zhì)性對于PDC 鉆頭力的影響。在進行力學分析時，地層受到的力僅僅為力的形式，而不是真實的力，這和實際機械作用力區(qū)別較大，在地層受力分析時，將地層的特性參數(shù)，轉(zhuǎn)換成力的表達形式，便于分析研究。地層巖石的力學性質(zhì)主要是有巖石的各向異性決定，在鉆井過程中才顯現(xiàn)出力的作用。通過對鉆井井眼軌跡的分析研究可得，利用井底鉆頭上部的鉆具結(jié)構，得到由上部鉆具結(jié)構對鉆頭產(chǎn)生的側(cè)向力和旋轉(zhuǎn)角度。通過對鉆頭結(jié)構參數(shù)的分析研究，可以得到水平井鉆井的鉆頭結(jié)構特性參數(shù)，將以上分析的特性參數(shù)帶入到鉆頭與巖石作用的模型中，從而可以得到相應鉆頭在實際工作中的側(cè)向力，進而可以確定定向井鉆井中，鉆頭的鉆進的方法。

2 影響定向井PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素研究分析

在定向井鉆井過程中，影響PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素很多，主要包括鉆頭上部的鉆具組合、鉆頭的形狀參數(shù)、地層巖石的性質(zhì)、實際鉆井的參數(shù)等。各因素對于影響鉆頭鉆進的作用機理不同，表現(xiàn)形式各種各樣。通過采用理論研究結(jié)合軟件分析的方式對影響鉆頭鉆進的因素進行了研究，當井下鉆具組合中扶正器的直徑增加時，對于鉆頭的井斜力具有一定的影響，但是不會造成較大的影響，通過分析可得扶正器直徑的增加，會加大井眼軌跡的斜率，但是對于鉆頭方位力的影響較小，所以在大斜度井鉆井中，不能只通過增加扶正器的直徑方法，來達到穩(wěn)定井眼斜度和方位的目的。在PDC 鉆頭結(jié)構方面，當PDC 鉆頭的保徑齒長度加長時，鉆頭的井斜力始終向上，而數(shù)值的大小逐漸的減小，所以保徑齒的加長可以達到降低井斜的目的，所以在利用PDC 鉆頭鉆定向井時，可以采用減小保徑齒長度的方法，來達到穩(wěn)定井眼斜度和方位的目的。在定向井鉆井參數(shù)方面，當鉆井的鉆壓增加時，鉆頭的井斜力始終向下，而數(shù)值也在逐漸的增加，因此鉆壓的增加會增加井斜，而且增加的幅度隨著鉆壓的增大而增大。而鉆頭的方位力則為零，所以在大斜度井鉆井中，鉆壓的增大可以增加井眼的斜率，同時可以穩(wěn)定井眼軌跡的方位。當鉆頭的轉(zhuǎn)速增加時，井眼的斜度減小，可以達到井斜的目的。在定向井PDC 鉆頭造斜的過程中，當鉆頭從較硬的地層轉(zhuǎn)到較軟地層時，鉆頭的鉆進方向會向軟地層偏移一定的距離。通過對影響定向井PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素研究，可以提高定向井鉆井的質(zhì)量和速度。

3 結(jié)論

PDC 鉆頭在定向井鉆井中得到廣泛的應用，隨著定向井PDC 鉆頭理論和技術的不斷發(fā)展，PDC 鉆頭的使用會不斷的提升定向井鉆井的準確性和鉆井效率。由于地層各向異性的存在，導致了定向井鉆井中，容易產(chǎn)生井下鉆頭偏離預定軌跡的現(xiàn)象。定向井PDC 鉆頭在工作時存在三種類型的側(cè)向力，鉆具結(jié)構產(chǎn)生的側(cè)向力，鉆頭結(jié)構本身產(chǎn)生的側(cè)向力和地層特性產(chǎn)生的側(cè)向力。通過對PDC 鉆頭鉆進趨勢的因素研究，得到各因素對于PDC 鉆頭鉆進趨勢的影響規(guī)律，可以更好的提高定向井鉆井的質(zhì)量和速度。

[1]齊林,周大千,江勝宗.用鉆頭與地層相互作用模式預測井眼軌道[J].大慶石油學院學報，1995，19(4)：113-116.

[2]楊慶理.復雜地層 PDC 鉆頭個性化設計及應用研究[D].東營：中國石油大學（華東），2007.