PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王宏偉，韓　飛，紀(jì)友哲，石紅玫

(1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200；2.金川集團(tuán)股份有限公司 生產(chǎn)環(huán)保部，甘肅 金昌 737104)①

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PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王宏偉1，韓飛1，紀(jì)友哲1，石紅玫2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200；2.金川集團(tuán)股份有限公司 生產(chǎn)環(huán)保部，甘肅 金昌 737104)①

摘要：隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油勘探開發(fā)的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向深井、超深井。PDC鉆頭在非均質(zhì)地層鉆進(jìn)時(shí)“粘滑”現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致PDC鉆頭過(guò)早損壞，致使機(jī)械鉆速低、起下鉆換鉆頭次數(shù)多，單位鉆井進(jìn)尺成本上升。如何有效控制PDC鉆頭的粘滑現(xiàn)象已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外石油公司研究的熱點(diǎn)。介紹了國(guó)內(nèi)外PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的主要研究進(jìn)展及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為國(guó)內(nèi)PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；粘滑；控制

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油勘探開發(fā)的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向深井、超深井，例如我國(guó)四川、塔里木等區(qū)塊有大量的石油資源位于深部地層。隨著井深的增加，巖石的硬度和塑性增大，可鉆性變差，機(jī)械鉆速降低。現(xiàn)場(chǎng)鉆井資料表明，深井段的平均機(jī)械鉆速僅是其上部井段平均機(jī)械鉆速的15%～30% ，部分地區(qū)甚至低于8%。研究表明，粘滑振動(dòng)是造成機(jī)械鉆速降低的重要原因之一[1-3]。

筆者認(rèn)為PDC鉆頭剪切破巖的特性直接導(dǎo)致了粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。PDC鉆頭在鉆進(jìn)瞬間的轉(zhuǎn)矩能量不能滿足破巖轉(zhuǎn)矩時(shí)，PDC鉆頭將處于停鉆狀態(tài)；BHA在頂驅(qū)(或者轉(zhuǎn)盤、井下動(dòng)力鉆具)的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)BHA扭轉(zhuǎn)積蓄在鉆頭的能量足以破碎巖層時(shí)，積蓄的能量瞬間釋放，此時(shí)鉆頭將以相對(duì)于數(shù)倍頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

粘滑是造成鉆井功能紊亂的主要原因，其給鉆井工程造成的主要影響有4個(gè)方面：

1)增大鉆頭的磨損，PDC鉆頭瞬間高速?zèng)_擊運(yùn)動(dòng)將加速鉆頭失效。

2)粘滑造成的鉆頭無(wú)序運(yùn)動(dòng)將降低鉆井破巖能量效率，消耗鉆機(jī)井下驅(qū)動(dòng)裝置提供的能量。

3)粘滑本身及其引起的其他振動(dòng)加快下部鉆具組合疲勞失效或粘扣，并引發(fā)井下電子儀器的早期失效。

4)降低鉆進(jìn)連續(xù)性及井身質(zhì)量，增加純鉆進(jìn)時(shí)間及起下鉆次數(shù)，降低鉆進(jìn)效率。

綜上所述，深井、復(fù)雜井等復(fù)雜層PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)粘滑現(xiàn)象普遍存在，且粘滑對(duì)鉆井影響十分嚴(yán)重，造成了大量的人力及物力和成本的浪費(fèi)。如何解決鉆井粘滑問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外石油公司爭(zhēng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。筆者認(rèn)為粘滑產(chǎn)生的根本原因是鉆井鉆壓和轉(zhuǎn)矩能量不匹配造成的。目前，國(guó)內(nèi)外粘滑控制技術(shù)大多是基于優(yōu)化鉆壓轉(zhuǎn)矩能量機(jī)理發(fā)展起來(lái)的?；诳刂品绞降牟煌饕譃楸粍?dòng)抑制和主動(dòng)抑制兩大類。

本文介紹了國(guó)內(nèi)外粘滑控制技術(shù)的主要進(jìn)展和現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)的分析，為國(guó)內(nèi)外粘滑控制技術(shù)的研發(fā)方向提供建議和參考。

1被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)

被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)是目前最常使用的一種手段，其主要是通過(guò)鉆頭優(yōu)化及配套井下粘滑抑制工具來(lái)直接控制鉆具的動(dòng)態(tài)特性。

1.1鉆頭優(yōu)化

鉆頭是鉆井的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響鉆井效率。國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)對(duì)螺旋刀翼、高后傾角切削齒、布置抗沖擊齒、非對(duì)稱刀翼布置等進(jìn)行了大量研究，在提高鉆頭抗沖擊性、減少粘滑對(duì)鉆頭破壞影響方面取得了一定的進(jìn)展，但不能有效抑制粘滑。本文主要介紹2種能夠抑制粘滑的新式鉆頭。

1.1.1復(fù)合鉆頭

復(fù)合鉆頭(如圖1)是將牙輪鉆頭和PDC鉆頭合二為一，實(shí)現(xiàn)牙輪鉆頭和PDC鉆頭優(yōu)劣勢(shì)互補(bǔ)。目前，國(guó)外Bakerhughs、Smith及Reed公司的類似產(chǎn)品已進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。其中Bakerhughs公司研制的Kymera復(fù)合鉆頭在Western Oklahoma油田的Atoka到Des Moines井段大量的夾層使用，鉆井周期從82 d縮短到25 d，每英尺費(fèi)用減少40%左右[4-6]。

國(guó)內(nèi)西南石油大學(xué)、江漢四機(jī)廠、寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司等也開展了相關(guān)研究，并形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，但是該技術(shù)尚處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平。

圖1　復(fù)合鉆頭

1.1.2SpeedDrill鉆頭

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)技術(shù)研究報(bào)道。

圖2　SpeedDrill鉆頭

1.2井下粘滑抑制工具

目前，國(guó)內(nèi)外井下粘滑抑制工具種類繁多，本文僅介紹具有代表性的2種典型產(chǎn)品。

1.2.1扭轉(zhuǎn)沖擊器

我國(guó)勝利油田鉆采院、大慶油田鉆采院等單位也先后開展了相關(guān)技術(shù)的研究，形成的相關(guān)系列產(chǎn)品已具備了商業(yè)化推廣水平。其中，大慶鉆采院的類似產(chǎn)品已現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用41口井，進(jìn)尺17 884 m，純鉆時(shí)間5 500 h，平均機(jī)械鉆速3.25 m/h，平均提速214%，獲得經(jīng)濟(jì)效益￥8 000萬(wàn)元，提速提效顯著。

圖3　扭轉(zhuǎn)沖擊器

1.2.2衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具

Tomax公司的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具(如圖4)是基于對(duì)鉆頭轉(zhuǎn)矩能量的存儲(chǔ)和釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)自平衡，實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的“消峰填谷”。Tomax公司的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具已形成系列化、商業(yè)化應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，比較典型的案例是在Norway的Gyda區(qū)塊使用時(shí)，節(jié)省3 d鉆井時(shí)間，節(jié)約成本＄225萬(wàn)美元[9]。

國(guó)內(nèi)只有中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院開展類似工具的研究，并且已經(jīng)先后在吉林、長(zhǎng)慶油田進(jìn)行了3口井的應(yīng)用，抑制粘滑效果明顯。其中在長(zhǎng)慶油田隴8井，單只鉆頭進(jìn)尺同比提高600%，平均機(jī)械鉆速同比提高20%以上。

圖4衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具樣機(jī)

1.3小結(jié)

159 Clinical analysis on pregnancy complications of senile pregnant women

被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但其在使用過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確獲得井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)參數(shù)等信息，不同區(qū)塊地層參數(shù)及泥漿等參數(shù)的差異有時(shí)會(huì)導(dǎo)致粘滑抑制技術(shù)的失效。

2主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)

主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)主要是通過(guò)實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確的井底鉆壓、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)等參數(shù)，并通過(guò)井口或者井下直接閉環(huán)控制。目前，井底參數(shù)測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，從記憶存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)通信，從鉆壓、轉(zhuǎn)矩參數(shù)測(cè)量到振動(dòng)參數(shù)測(cè)量，有力地推動(dòng)了主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的發(fā)展。

2.1軟轉(zhuǎn)矩鉆井系統(tǒng)

國(guó)外Shell、NOV及Bentec公司已先后研制出用于抑制粘滑的軟轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，如圖5。該系統(tǒng)主要通過(guò)井底井底鉆壓、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)等參數(shù)傳感器+鉆柱動(dòng)力學(xué)分析軟件，閉環(huán)控制鉆柱轉(zhuǎn)速，使井底工具串組合避開臨界鉆壓及危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速區(qū)間。借助軟轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，粘滑現(xiàn)象能夠得到有效控制[10-11]。

國(guó)內(nèi)北京石油機(jī)械廠也已研制出了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并在沙特、尼日利亞等地得到成功應(yīng)用，得到了用戶的認(rèn)可。

圖5　軟轉(zhuǎn)矩鉆井系統(tǒng)

2.2井下自適應(yīng)振動(dòng)阻尼器

國(guó)外APS公司研制的井下自適應(yīng)振動(dòng)阻尼器(如圖6)是通過(guò)測(cè)量井下沖擊和振動(dòng)的方式主動(dòng)調(diào)整井下沖擊減震器的阻尼特性(阻尼特性調(diào)整通過(guò)線圈電流控制磁流變體粘性實(shí)現(xiàn))，從而改變BHA自身的軸向和隨機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度，響應(yīng)井下瞬間功能障礙，并且不會(huì)延遲原有的井下數(shù)據(jù)傳輸。該工具的主要特點(diǎn)是通過(guò)近鉆頭閉環(huán)控制，可快速準(zhǔn)確抑制粘滑。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中提高機(jī)械鉆速21%以上，提高鉆頭進(jìn)尺125%[12]。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道。

圖6　井底自適應(yīng)振動(dòng)減阻器

2.3小結(jié)

主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是能夠通過(guò)傳感器準(zhǔn)確了解井底鉆井參數(shù)并加以精準(zhǔn)控制，其不受地層參數(shù)及泥漿等參數(shù)外因的影響。主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)的關(guān)鍵是井底傳感器的工作可靠性及控制程序的準(zhǔn)確算法。

3發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)國(guó)內(nèi)外PDC鉆頭粘滑控制技術(shù)的主要進(jìn)展和現(xiàn)狀的介紹及分析，筆者認(rèn)為其未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

1)主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)是主流發(fā)展趨勢(shì)。

相對(duì)于被動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)，主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)能夠通過(guò)傳感器精準(zhǔn)測(cè)量井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)等參數(shù)，經(jīng)過(guò)PLC控制器進(jìn)行閉環(huán)精確控制，有效消除粘滑現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭的平穩(wěn)鉆進(jìn)。另外，主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)將帶動(dòng)井下測(cè)量及控制技術(shù)發(fā)展，為鉆井智能化、自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。因此，主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)是未來(lái)鉆井技術(shù)的主流發(fā)展趨勢(shì)。

2)抑制粘滑控制技術(shù)向綜合集成化應(yīng)用方向發(fā)展。

抑制粘滑控制技術(shù)綜合集成化應(yīng)用也是一個(gè)主要趨勢(shì)。一方面，能彌補(bǔ)復(fù)雜鉆井工況引起的主動(dòng)抑制粘滑控制技術(shù)井下傳感器、電源等部件失效問(wèn)題；另一方面，能通過(guò)對(duì)井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)等參數(shù)準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)粘滑控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。兩類技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效保證對(duì)鉆井粘滑的抑制。

4結(jié)論

我國(guó)在鉆頭粘滑控制技術(shù)方面的研究剛起步，在難鉆、夾層等粘滑現(xiàn)象多發(fā)地層使用PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，大多采用“輕吊慢打”、降低轉(zhuǎn)速，或直接采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。這些做法在一定程度上減緩了粘滑對(duì)鉆頭的破壞，但是犧牲了機(jī)械轉(zhuǎn)速，造成大量時(shí)間及成本的浪費(fèi)。隨著我國(guó)勘探開發(fā)的日趨深入，深井、復(fù)雜井等難鉆地層日益增多，對(duì)抑制粘滑控制技術(shù)十分急迫。筆者建議國(guó)內(nèi)在2個(gè)方面加強(qiáng)研究：

1)加強(qiáng)井下測(cè)量工具的技術(shù)攻關(guān)。井下測(cè)量工具通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量井底轉(zhuǎn)矩、鉆壓及振動(dòng)等參數(shù)，能夠有效保證抑制粘滑控制技術(shù)精準(zhǔn)發(fā)力。筆者認(rèn)為井下測(cè)量工具應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)方向是測(cè)量參數(shù)多元及可靠性等方面。

2)加強(qiáng)抑制粘滑控制技術(shù)多元化及集成化應(yīng)用研究。國(guó)外抑制粘滑控制技術(shù)種類繁多，但是基于技術(shù)保密，各石油公司之間的單項(xiàng)技術(shù)集成應(yīng)用合作很少，尚未形成各單項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。筆者認(rèn)為國(guó)內(nèi)石油公司應(yīng)盡快加強(qiáng)和豐富抑制粘滑控制技術(shù)種類，加強(qiáng)合作，實(shí)現(xiàn)抑制粘滑控制技術(shù)的集成化應(yīng)用，盡快縮短與國(guó)外石油公司技術(shù)差距。

參考文獻(xiàn)：

[1]張克勤，張金成，戴薇.西部深井超深井鉆井技術(shù)[J].鉆采工藝，2010，33(1)：36-39.

[2]張克勤.元壩地區(qū)鉆井難題分析與技術(shù)對(duì)策探討[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(3)：27-31.

[3]Jens Rudat ，Damitriy Dasheevskiy.Development of an innovative model-based stick/slip control system[C].SPE 139996，2006.

[4]Rolf pessier ，Michael Damschen.Hybrid Bits Offer Distinct Advantages in selected Roller-Cone and PDC-bit Application [C].SPE 128741，2011.

[5]Pasquale M D，Calvaresi E，Pecantet S，et al.A Breakthough Performance for an Inland Application with a Hybrid Bit [C].SPE 163436，2013.

[6]Ahmed ismail，Sameh Hussein，Darren Eckstorm，et al.Hybrid Drill Bit Combining Fixed-Cutter and Roller-Cone Elements Improve Drilling Performance in Challeging Application in the western desert [C].SPE 164319，2013.

[7]高航獻(xiàn)，瞿佳，曾鵬琿.元壩地區(qū)鉆井提速探索與實(shí)踐[J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(4)：26-29.

[8]孫起昱，張雨生，李少海，等.鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器在元壩10井的應(yīng)用 [J].石油鉆探技術(shù)，2010，38(6)：84-87.

[9]Knut Sigve Selnes.Drilling Difficult Formations Efficiently With the Use of an Anti-stall Tool [C].SPE 111874，2008.

[10]Frode Efteland，Andew R.Coit，Kirtland I.Surface Control Software Dramatically Mitigates Downhole Torsional Vibration in the Eagle For Shale Play as Validated by High-speed Downhole Dynamics Data [C].SPE 170925，2014.

[11]Runia D J，Wars S D.A Brief History of the Shell”Soft Torque Rotary System” and Some Recent Case studies [C].SPE 163548，2013.

[12]Hutchinson M，Burgess D，Tompson F，et al.Self-Adapting Bottom-Hole_Assembly Vibration Suppresstion[C].SPE 166071，2013.

文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0104-04

收稿日期：①2016-01-31

作者簡(jiǎn)介：王宏偉(1965-)，男，山東濰坊人，高級(jí)工程師，從事石油鉆井裝備與工具研究，E-mail：wanghongweidri@cnpc.com.cn。

中圖分類號(hào)：TE921.107

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.024

Status and Development Tendency of Stick-slip Controlling Technology for PDC Bit

WANG Hongwei1，HAN Fei1，JI Youzhe1，SHI Hongmei2

(1.CNPCDrillingResearchInstitute，Beijing102200，China；2.ProductionEnvironmentalProtectionDepartment，JinchuanGroupCo.，Ltd.，Jinchang737104，China)

Abstract：PDC bit suffers serious stick-slip in drilling complicated rock formation，which limits the life-span of PDC bit and reduces the rate of penetration.By introducing and analyzing advanced PDC bit stick-slip controlling technology，in this paper some advices and references are given for the development a of domestic PDC bit stick-slip controlling technology.

Keywords：PDC bit；stick-slip；controlling