PDC鉆頭配套鉆井技術(shù)初探

PDC鉆頭發(fā)展簡(jiǎn)況
　　PDC鉆頭從20世紀(jì)80年代開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，由于混合工藝與制造工藝的變化，當(dāng)今的切削齒的質(zhì)量性能要好得多，使鉆頭的抗沖蝕以及抗沖擊能力都大為提高。特別是對(duì)碳化鎢基片與人造金剛石之間的界面進(jìn)行了優(yōu)化，以提高切削齒的韌性。層狀金剛石工藝方面的革新也被用于提高PDC鉆頭抗磨蝕性和熱穩(wěn)定性。
　　最初，PDC鉆頭只能被用于軟頁(yè)巖地層中，原因是硬的夾層會(huì)損壞鉆頭。但由于新技術(shù)的出現(xiàn)以及結(jié)構(gòu)的變化，目前PDC鉆頭已用于鉆硬夾層和長(zhǎng)段的硬巖地層了。由于鉆頭設(shè)計(jì)和齒的改進(jìn)，PDC鉆頭的可定向性也隨之提高。PDC鉆頭主要由鉆頭體、切削齒、噴嘴、保徑面和接頭等組成。
PDC鉆頭主要類型
　　2.1根據(jù)鉆頭體材料分類
　　a胎體式PDC鉆頭。胎體式金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭是將金剛石復(fù)合片通過(guò)釬焊方式焊接在鉆頭胎體上的一種切削型鉆頭。
　　b鋼體式PDC鉆頭。鋼體PDC鉆頭，是用鎳、鉻、鉬合金機(jī)械加工成形。
　　2.2 根據(jù)適用行業(yè)分類
　　a地質(zhì)勘探用復(fù)合片鉆頭。主要用于地質(zhì)勘察勘探的復(fù)合片鉆頭，適用于軟到中硬巖層。
　　b煤田鉆采用復(fù)合片鉆頭。主要是用于煤礦上煤層鉆探采挖。
　　c石油勘探用復(fù)合片鉆頭。主要是應(yīng)用在油氣田的鉆采鉆頭。目前來(lái)說(shuō)，油田用復(fù)合片鉆頭是所有復(fù)合片鉆頭里面造價(jià)最高，要求最高的。
PDC鉆頭配套設(shè)備
　　目前PDC鉆頭配套設(shè)備主要有井下動(dòng)力鉆具、水力設(shè)備等。
　　3.1井下動(dòng)力鉆具配合PDC鉆頭鉆井技術(shù)
　　井下動(dòng)力鉆具配合高效PDC鉆頭，輔之以轉(zhuǎn)盤的組合鉆井方法，稱為復(fù)合鉆井技術(shù)。目前常用的井下動(dòng)力鉆具主要包括渦輪鉆具和螺桿鉆具。
　　3.1.1渦輪鉆具
　　目前與PDC鉆頭配套使用的主要是配置減速器的中高和中低速組合渦輪鉆具。減速器渦輪鉆具主要由渦輪節(jié)、軸承節(jié)和減速器三部分組成。其中，減速器是渦輪鉆具的核心部件，主要作用是將渦輪節(jié)產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)速、低扭矩轉(zhuǎn)換成為鉆頭的中低轉(zhuǎn)速、大扭鴰。減速器渦輪鉆具的特點(diǎn)是：高轉(zhuǎn)速大扭鴰、壓降小、可減輕地面循環(huán)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；對(duì)油基鉆井液不敏感，適合在高密度鉆井液中工作；沒(méi)有像膠件，存放時(shí)間不受限制，最高工作溫度可達(dá)150-250度。而PDC鉆頭以切削方式破巖，工作時(shí)需要的鉆壓小，轉(zhuǎn)速高、能量低的特點(diǎn)，正好與渦輪鉆具的輸出特性相匹配。所以，利用渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速特性，配合壽命長(zhǎng)、效率高的PDC鉆頭，再輸之以轉(zhuǎn)盤復(fù)合鉆進(jìn)，可以獲得較高的機(jī)械鉆速和較多的鉆井進(jìn)尺。
　　3.1.2螺桿鉆具
　　螺桿鉆具是典型的容積式馬達(dá)，由旁通閥、動(dòng)力段、萬(wàn)向軸、傳動(dòng)軸等四部分組成。螺桿鉆具具有高轉(zhuǎn)速、大扭鴰的特性，其過(guò)載能力強(qiáng)，易操作，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，鉆具也較短。此外，由于螺桿鉆具叫壓降小，對(duì)地面泵站要求不高。復(fù)合鉆井是螺桿鉆具的高轉(zhuǎn)速可以為PDC鉆頭高切削速度提供井下動(dòng)力保障，既可以不增加鉆柱旋轉(zhuǎn)幅度提高鉆頭轉(zhuǎn)速，大大增加單位時(shí)間內(nèi)鉆頭對(duì)地層的切削次數(shù)，從而達(dá)到提高鉆井效率的目的。
　　3.2水力設(shè)備
　　3.2.1水力加壓器。水力加壓器是借助于高壓鉆井液作用在活塞上下端而上的壓力差來(lái)產(chǎn)生壓力，并通過(guò)伸縮桿傳遞給鉆頭，連續(xù)不斷地使活塞和鉆頭往下移動(dòng)而形成機(jī)械進(jìn)尺。實(shí)際上，水力加壓器是利用循環(huán)泵的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，能夠改變?cè)阢@井過(guò)程中僅靠下部鉆鋌的重力給鉆頭施加鉆壓的方式，使鉆頭與鉆柱中的其他部分的連接變?yōu)槿嵝赃B接，將鉆鋌給予鉆頭剛性加壓變?yōu)橐毫θ嵝约訅?，克服剛性加壓的弊端，從而達(dá)到高速度、高質(zhì)量、低成本鉆井的目的。
　　3.2.2水力脈沖發(fā)生器。水力脈沖發(fā)生器鉆井是在脈沖射流基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型鉆井設(shè)備。目前在我國(guó)水力脈沖發(fā)生器處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，還未末現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模使用。中國(guó)石油大學(xué)設(shè)計(jì)的水力脈沖空化發(fā)生器黃買41#1799米硬砂巖地層中配合PDC鉆頭進(jìn)行鉆井實(shí)踐，與英買323井機(jī)同層段相比，其機(jī)械鉆速提高了22.64%。同樣，在英買39、341井和輪南632井的鉆井試驗(yàn)部取得了較好的效果。另外，在川東北地區(qū)元壩12井、馬101井也進(jìn)行了水力脈沖發(fā)生器配合牙輪鉆頭的鉆進(jìn)試驗(yàn)，鉆速比常規(guī)鉆進(jìn)提高15.6%。從現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果來(lái)看，該技術(shù)具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
　　3.2.3井下水力增壓器。早在70年代初美國(guó)便開(kāi)始了超高壓射流鉆井的試驗(yàn)研究，他們利用地面增壓設(shè)備把整個(gè)鉆井液的奔放提高到105MPa，試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械鉆速可以提高2-3倍。但由于循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備大部分要承受如此大的高壓，以及人員的安全問(wèn)題，使其未能獲得實(shí)際應(yīng)用。
　　3.3其他井下設(shè)備
　　扭力沖擊發(fā)生器是美國(guó)阿特拉集團(tuán)旗下的加拿大UD鉆頭公司發(fā)明設(shè)計(jì)的，是一種安裝于鉆鋌和PDC鉆頭之間的管狀工具。扭力沖擊發(fā)生器在國(guó)內(nèi)外各油田的應(yīng)用還比較少。川東北地區(qū)元壩10井在3165.3-3387米井段硬質(zhì)砂巖地層使用TorkBuster+UD-PDC鉆頭，平均機(jī)械鉆速為3.66m/h，比轉(zhuǎn)盤鉆井提高65%。
PDC鉆頭鉆進(jìn)配套技術(shù)研究
　　加強(qiáng)低壓降、大扭鴰、高效率動(dòng)力鉆具的研究，增加現(xiàn)有動(dòng)力鉆具的尺寸系列和品牌，以提高動(dòng)力鉆具的鉆進(jìn)能力和機(jī)械鉆速；加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力鉆具的易損件替代材料及使用壽命的研究，以提高鉆具的有效使用壽命，滿足鉆井技術(shù)不斷發(fā)展的需求，降低鉆井綜合成本；加強(qiáng)對(duì)水力脈沖發(fā)生器等水力設(shè)備作用查理和使用壽命的研究，增加現(xiàn)場(chǎng)鉆井實(shí)踐應(yīng)用，以促進(jìn)水力設(shè)備配合PDC鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展；完善硬地層PDC鉆頭配套鉆井工藝，改善配套設(shè)備鉆井條件，降低設(shè)備制造成本，以提高鉆井的綜合經(jīng)濟(jì)效益；加強(qiáng)硬地層復(fù)合鉆井專用PDC鉆頭的研制，以滿足硬地層高效鉆進(jìn)的需求；加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力鉆具+水力設(shè)備配合PDC鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)的研究，有效利用機(jī)械能量和水力能量，以達(dá)到水力機(jī)械聯(lián)合高效破巖的效果。
結(jié)束語(yǔ)
　　硬地層鉆井過(guò)程中使用動(dòng)力鉆具、水力設(shè)備等配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，可有效提高鉆井速度，降低鉆井成本。目前國(guó)內(nèi)硬地層鉆井中多采用螺桿鉆具配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，但國(guó)內(nèi)螺桿鉆具的制造工藝和使用壽命仍有一定差距，需加強(qiáng)研究。動(dòng)力鉆具+水力設(shè)備配合PDC鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)可以有效利用機(jī)械能量和水力能量，應(yīng)加強(qiáng)使用機(jī)理的研究和現(xiàn)場(chǎng)鉆井應(yīng)用實(shí)踐。應(yīng)完善各種配套鉆井工藝，研制專用配套PDC鉆頭，提高鉆井綜合效益。