PDC鉆頭實(shí)踐應(yīng)用分析與探索

勞達(dá)紜，胡家森，唐　濤

（中石化西南石油工程有限公司廣西鉆井分公司，廣西南寧530000）

PDC鉆頭實(shí)踐應(yīng)用分析與探索

勞達(dá)紜*，胡家森，唐濤

（中石化西南石油工程有限公司廣西鉆井分公司，廣西南寧530000）

PDC鉆頭具有提高鉆井速度、減少起下鉆次數(shù)、避免掉牙輪等復(fù)雜事故的優(yōu)點(diǎn)，目前在川西、川東北的針對性地層得到了普遍應(yīng)用。然而，在實(shí)際運(yùn)用中，仍然存在很多問題，如PDC鉆頭牙齒磨損、鉆頭環(huán)磨、噴嘴堵塞、掉齒—斷齒、復(fù)合片脫層、牙齒碎裂、鉆頭出芯、鉆頭泥包等，在一定程度上制約了機(jī)械鉆速的提高。通過對PDC鉆頭在川西、川東北實(shí)踐應(yīng)用過程的優(yōu)點(diǎn)、存在的問題進(jìn)行綜合分析，并從鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)、鉆井液性能、使用鉆頭輔助工具、施工操作等技術(shù)措施提出改善PDC鉆頭使用的建議。

PDC鉆頭；實(shí)踐應(yīng)用；應(yīng)用分析；牙齒磨損；技術(shù)措施

為滿足快速鉆進(jìn)的需要，目前在川西、川東北鉆井工程現(xiàn)場越來越多地使用PDC鉆頭。生產(chǎn)PDC鉆頭的廠家也不斷增加，PDC鉆頭的生產(chǎn)與應(yīng)用呈蓬勃發(fā)展態(tài)勢。從眾多廠家生產(chǎn)的PDC鉆頭結(jié)構(gòu)上看，基本上都采用平衡設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)要求每個(gè)復(fù)合片的受力、切削量、磨損量、受力沖洗力和扭矩盡量相等，因此一旦有一兩個(gè)切削齒出現(xiàn)先期損失，那么其余的切削齒就要承受額外的作用力，加快磨損，鉆頭的使用壽命大大降低；尤其是出現(xiàn)崩齒、聚晶金剛石層脫落、掉片等，PDC鉆頭就無法正常工作。

1　PDC鉆頭的實(shí)踐應(yīng)用

PDC鉆頭在川西、川東北的應(yīng)用比較普遍的主要尺寸有?311.2mm、?266.7mm、?241.3mm、?215.9mm、?165.1mm等，尤其以?311.2mm、?215.9mm大小的甚多。近兩年來，各鉆頭廠家提供的PDC鉆頭呈百花齊放之勢，?311.2mm和?215.9mm的PDC鉆頭使用均能達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。?311.2mmPDC鉆頭基本上使用在直井段，同一廠家的鉆頭在不同區(qū)塊的同一地層段機(jī)械鉆速也有明顯的區(qū)別，如綿陽1井在蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、上沙溪廟組的機(jī)械鉆速為5.43m/h，而綿陽2井在該層段的機(jī)械鉆速達(dá)到15.39m/h，與高沙306井同一層段的機(jī)械鉆速相當(dāng)。?311.2mmPDC鉆頭在直井段中應(yīng)用對比見表1。

表1　?311.2mmPDC鉆頭在直井段中應(yīng)用對比表

根據(jù)川東北地區(qū)海相地層的特點(diǎn)，鉆頭廠家優(yōu)選出適合海相地層PDC鉆頭的切削齒尺寸和后傾角，從剖面形狀設(shè)計(jì)、布齒設(shè)計(jì)、力平衡設(shè)計(jì)和水力設(shè)計(jì)等方面對PDC鉆頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在海相地層中，采用PDC鉆頭鉆進(jìn)也取得了較高的機(jī)械鉆速，?241.3mm PDC鉆頭在元壩211井以及?266.7mmPDC鉆頭在新黑池1井的應(yīng)用對比見表2。

表2　?241.3mm、?266.7mmPDC鉆頭在直井段海相地層中應(yīng)用對比表

陸相地層主產(chǎn)層以?215.9mm井眼居多，無論在直井段，還是在造斜段、水平段，?215.9mmPDC鉆頭使用廣泛。資料顯示，在不同區(qū)塊同一地層段的機(jī)械鉆速不同的鉆頭廠家機(jī)械鉆速相差較大，同一區(qū)塊同一地層段的機(jī)械鉆速相差較少，但差別仍然比較明顯；同一廠家的PDC鉆頭在不同區(qū)塊同一地層段的機(jī)械鉆速也有差別，同一區(qū)塊同一地層段的機(jī)械鉆速差別不大。?215.9mmPDC鉆頭在直井段、造斜段應(yīng)用對比見表3、表4。

表3　?215.9mmPDC鉆頭在直井段中應(yīng)用對比表

表4　?215.9mmPDC鉆頭在造斜段中應(yīng)用對比表

2　PDC鉆頭應(yīng)用存在的問題

PDC鉆頭在使用過程中不能正常工作的主要原因是復(fù)合片切削齒磨損嚴(yán)重，如牙齒磨損、掉齒—斷齒、鉆頭環(huán)磨、復(fù)合片脫層、牙齒碎裂、鉆頭出芯等造成鉆頭不能正常工作。當(dāng)然，鉆頭泥包、噴嘴堵塞等，也使鉆頭工作不正常。

2.1牙齒磨損

PDC鉆頭在使用過程中，由于牙齒高度減小而不能正常工作稱為牙齒磨損。牙齒磨損是正常失效，用0～8來表示牙齒磨損等級，0表示無磨損，8表示全部磨掉［1］。造成牙齒磨損的原因很多，若鉆頭使用時(shí)間不長，而出井鉆頭磨損嚴(yán)重，往往是由于鉆頭選型、鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速不當(dāng)，相對所用鉆頭地層太硬、研磨性太高、轉(zhuǎn)速過大所致；若鉆頭使用的有效時(shí)間長，符合正常牙齒磨損的情況，但是如果鉆進(jìn)過程中，排量不足，鉆進(jìn)巖屑未及時(shí)排離井底，巖屑反復(fù)在井底徘徊也會(huì)加速鉆頭牙齒磨損。

2.2掉齒—斷齒與鉆頭環(huán)磨

鉆頭環(huán)磨一般發(fā)生在鉆頭的鼻部以及鼻部以下內(nèi)側(cè)，是由于鉆頭上某一圈的切削齒磨損、斷裂或脫落后刀翼被地層明顯磨損［2］。鉆頭環(huán)磨的直接原因是斷齒，如井底有落物、鉆頭不適合高研磨地層、鉆壓過大以及用PDC鉆頭直接鉆套管附件等，都容易造成斷齒，斷齒后繼續(xù)長時(shí)間鉆進(jìn)就容易引起鉆頭環(huán)磨。

2.3復(fù)合片脫層

復(fù)合片脫層指金剛石層脫離基片。地層與鉆頭不匹配，相對鉆頭地層太硬、鉆壓過大、溜鉆、頓鉆、起下鉆或接單根時(shí)碰井壁、鉆頭振動(dòng)等都容易引起脫層［3］。脫層大多發(fā)生在鼻部，如果鉆頭復(fù)合片脫層出現(xiàn)肩部齒，主要是由于定向鉆井，鉆壓大，肩部齒相對普通鉆進(jìn)受力較大，同時(shí)肩部速度較大，易造成鉆頭復(fù)合片脫層。

2.4牙齒碎裂

切削齒缺損少于1/3稱為牙齒碎裂。鉆頭選型不當(dāng)、使用時(shí)間長熱疲勞、鉆壓過大、轉(zhuǎn)速過大、溜鉆、頓鉆、熱裂紋等，容易出現(xiàn)PDC鉆頭牙齒碎裂。

2.5鉆頭出芯

鉆頭出芯指鉆頭中心的齒磨損、斷裂或脫落，以致內(nèi)錐顯著磨損［4］。鉆頭出芯是一種很嚴(yán)重的磨損，在上只鉆頭的井底、過大的鉆壓和轉(zhuǎn)速會(huì)在切削結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高的載荷，從而引起斷齒，這種情況在取芯后特別容易發(fā)生。這種磨損往往是從掉牙齒、斷牙齒開始的，加之鉆壓過大，使用過程中未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下異常，時(shí)間越長磨損得越厲害。鉆頭出芯屬于嚴(yán)重磨損，在鉆井現(xiàn)場發(fā)生幾率較少。

2.6鉆頭泥包

鉆頭泥包指巖屑附著在刀翼和鉆頭體上或者附著在切削齒表面導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低。鉆頭本體可能有損傷也可能沒有損傷。切削齒泥包后不能有效地吃入地層，通常扭矩減小而泵壓增大。PDC鉆頭泥包在鉆井施工現(xiàn)場遇到的幾率很高，而且在發(fā)生鉆頭泥包后，往往也發(fā)生水眼賭賽，一般都具有以下現(xiàn)象：（1）鉆進(jìn)中，鉆時(shí)明顯增加，從每米幾分鐘上漲至幾十分鐘。（2）下鉆或短起下后，鉆時(shí)較快，鉆進(jìn)幾米后，鉆時(shí)明顯變慢。（3）鉆進(jìn)中，其它參數(shù)不變的情況下，泵壓上漲，扭矩變小。（4）起出鉆頭后，切削齒、流道槽、保徑部分有濾餅［1，4-5］。

3　提高PDC鉆頭應(yīng)用效率的措施

3.1改變鉆頭結(jié)構(gòu)

鉆頭結(jié)構(gòu)使用優(yōu)良的材料并適合于硬巖層。首先要使用優(yōu)質(zhì)材料，提高復(fù)合片的厚度與各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，使用優(yōu)質(zhì)的鋼體材料。其次，PDC鉆頭要使用多翼結(jié)構(gòu)，使用小復(fù)合片，并在主切削齒后設(shè)置副齒來限制復(fù)合片切入巖層的深度［6］。鉆頭結(jié)構(gòu)采用二元切削結(jié)構(gòu)，即將輔助切削元件TSP（熱穩(wěn)定聚晶）或硬質(zhì)合金齒柱放在主切削元件復(fù)合片后面，且出露高度低于復(fù)合片，PDC切削齒支撐部分增加，則可以使用較大的鉆壓，而降低過載損壞齒的機(jī)率。對于定向井段、水平井段使用的PDC鉆頭，鉆壓大，肩部齒相對普通鉆進(jìn)受力較大，同時(shí)肩部速度較大，易造成鉆頭復(fù)合片脫層，建議鉆頭設(shè)計(jì)鼻部內(nèi)移，并在肩部適量增加后排齒或者防碰節(jié)。

3.2選擇合理切削齒布置

適當(dāng)增大外錐主齒前傾角，優(yōu)化切削齒布置，將鉆頭側(cè)向不平衡力降低在2%以內(nèi)，增強(qiáng)外錐切削齒的抗沖擊性能可延長鉆頭壽命。將輔助齒前傾角控制在低于主齒1°～2°以內(nèi)，高度低于主齒2.3～3.1mm，可以限制主齒吃入深度，避免因切削斷面忽大忽小帶來的載荷波動(dòng)，同時(shí)分擔(dān)主齒應(yīng)力沖擊，對鉆頭平穩(wěn)工作具有明顯效果［4-7］。

3.3優(yōu)化鉆井液性能

鉆井液性能是否良好是防PDC鉆頭泥包的重要因素。鉆進(jìn)中，應(yīng)降低鉆井液失水，避免地層吸水后形成厚濾餅阻卡等。加入大分子包被劑、聚合醇等，抑制泥巖地層造漿、分散。鉆井液要做到粘性泥巖的鉆屑在PDC鉆頭上粘不起，必須加足潤滑劑、清潔劑，加量與在用鉆井液密度有關(guān)系，清潔劑加足是以鉆井液不起泡為準(zhǔn)，潤滑劑加量一般為1%～3%［1］。鉆進(jìn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)固相控制，只有盡量清除劣質(zhì)固相，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的鉆井液性能。

3.4使用PDC鉆頭輔助工具

PDC鉆頭輔助工具原理在于通過施加額外的破巖能量，減輕PDC鉆頭不良工況的發(fā)生，水力輔助破巖技術(shù)在國內(nèi)比較成熟，有射流與水力脈沖等形式，如扭力沖擊器，基本原理是在常規(guī)PDC鉆頭上部安裝一個(gè)高頻扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器，在鉆井的同時(shí)不斷給鉆頭施加高頻低幅周向沖擊載荷，再加上鉆柱施加的穩(wěn)態(tài)扭矩，可使PDC復(fù)合片獲得穩(wěn)定的切削動(dòng)力，達(dá)到理想的切入巖石深度并提高切削效果，最重要的是可以隨時(shí)釋放由于PDC鉆頭切削地層做功造成的鉆具蓄能［6-8］。

3.5工程措施

根據(jù)不同廠家PDC鉆頭的實(shí)際應(yīng)用情況，加強(qiáng)PDC鉆頭選型，以適應(yīng)新鉆地層高機(jī)械鉆速的需要，如在易泥包地層選用排水槽大的PDC，使鉆屑能容易及時(shí)地排出，減少發(fā)生泥包。在PDC鉆頭入井之前，應(yīng)測量起出的牙輪鉆頭外徑，防止PDC鉆頭下入小井眼遇卡，或者磕碰井壁，造成鉆頭牙齒先期磨損［1，9］。鉆進(jìn)中，根據(jù)井下的情況加鉆壓，如井深質(zhì)量好，加大鉆壓有利于提高鉆速，但也不能盲目加壓，防止因加壓過大造成掉齒、斷齒、牙齒碎裂等，還要防止遛鉆、頓鉆；在軟泥巖地層切勿盲目加壓，加大鉆壓易形成泥包，并且要求送鉆均勻，避免送鉆不均勻造成PDC鉆頭泥包［10］。?215.9mm井眼應(yīng)盡量提高排量，保持在30～35L/s之間，避免高硬度、高研磨性顆粒重復(fù)破碎，劃擦傷害鉆頭，同時(shí)也減少壓持作用對機(jī)械鉆速的負(fù)面影響。每鉆進(jìn)300m要進(jìn)行短起下，消除厚濾餅、阻卡。鉆進(jìn)中若鉆時(shí)變慢，懷疑PDC鉆頭泥包，應(yīng)將PDC鉆頭上提，離井底1～2m，增大排量，提高轉(zhuǎn)速，爭取將部分泥包的鉆屑甩掉，便于繼續(xù)鉆進(jìn)，如果通過上述措施仍無效，盡快安排起鉆，避免PDC鉆頭已經(jīng)發(fā)生損壞而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成更嚴(yán)重的后果。

4　總結(jié)與建議

結(jié)合PDC鉆頭在川西、川東北使用的情況，對PDC鉆頭的使用有以下總結(jié)與建議：

（1）收集更多不同廠家的PDC鉆頭使用情況鉆完井資料，根據(jù)川西、川東北、陸相地層、海相地層、同一區(qū)塊、同一地層分類總結(jié)，統(tǒng)計(jì)分析不同廠家的PDC鉆頭的使用情況，根據(jù)使用情況優(yōu)選相應(yīng)型號的鉆頭。在搬運(yùn)、裝卸時(shí)應(yīng)采用相應(yīng)的保護(hù)措施以免切削齒和絲扣被碰受損。

（2）充分利用地層可鉆性差異，自然造斜規(guī)律優(yōu)化井眼軌跡，盡量減少在石英砂巖等可鉆性差的地層滑動(dòng)鉆進(jìn)，減少PDC外錐肩部和規(guī)徑面磨損。

（3）維護(hù)處理好鉆井液性能。

（4）優(yōu)化鉆井參數(shù)，強(qiáng)化井眼凈化。快速鉆進(jìn)段確保排量達(dá)到33L/s以上，定期使用高粘大排量清掃液清掃井筒，避免高硬度、高研磨性顆粒重復(fù)破碎，劃擦鉆頭。

（5）下井時(shí)確保井下無金屬等較硬落物，更換鉆頭時(shí)先必須對井底進(jìn)行造型；禁止PDC鉆頭長距離劃眼；使用時(shí)操作要平穩(wěn)、送鉆要均勻，避免頓鉆溜鉆現(xiàn)象。

（6）當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)應(yīng)采取高轉(zhuǎn)速，鉆進(jìn)硬地層時(shí)，轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低，避免過高的轉(zhuǎn)速使切削齒產(chǎn)生高溫而迅速磨損，同時(shí)必須有足夠的流量來冷卻切削齒。

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Analysis and Exploration of PDC Bit PracticalApplication

LAO Da-yun，HU Jia-sen，TANG Tao
（Sichuan Drilling Branch Company，Southwest Petroleum Engineering Co.，Ltd.，SINOPEC，Nanning Guangxi 530000，China）

With the advantages of dealing with complex accident such as improving the drilling speed，reducing the number of the lifting and dropping bit and avoiding cone falling etc.PDC bit has been widely used in targeted strata in Western and Northeast Sichuan at present.However many problems still exist in practice such as PDC bit cutter wear，bit ring grinding，nozzle clogging，falling out of the teeth and broken teeth，delamination of composite sheet，teeth fragmentation，drill core，bit balling etc.，which to some extent restricts the improvement of mechanical drilling speed.Based on the review analysis on advantages and existing problems of PDC bit applied in Western and Northeast Sichuan，the paper puts forwards suggestions to improve PDC bit from technical aspects of bit structure，drilling parameters，drilling fluid property，auxiliary tool of bit and construction operation.

PDC bit；practice application；application analysis；bit teeth abrasion；technical measures

P634

A

1004-5716（2016）07-0046-04

2015-07-09

2015-07-14

國家自然科學(xué)基金“頁巖氣開發(fā)條件下泥頁巖井壁穩(wěn)定與破裂機(jī)理研究”（51174036）。

勞達(dá)紜（1976-），男（漢族），廣西百色人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工藝技術(shù)管理工作。