影響水平井PDC鉆頭性能的因素分析

不同的鉆進(jìn)方式對(duì)水平井PDC鉆頭的影響

　　當(dāng)PDC鉆頭應(yīng)用于水平井鉆井時(shí)，完美的井眼軌跡通常需要旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)方式相結(jié)合的情況下獲取。PDC鉆頭進(jìn)行滑動(dòng)鉆井時(shí)，井中所用的鉆柱是固定不變的，同時(shí)馬達(dá)中的彎頭則對(duì)著鉆井設(shè)計(jì)所需的方位。當(dāng)PDC鉆頭開始鉆進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生一種使井里鉆柱發(fā)生扭曲抗扭矩。井里鉆柱實(shí)際上是很長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)纜索，因此，在PDC鉆頭的反扭矩的作用下會(huì)引起定向工具面方位的變化，使得工具面極不穩(wěn)定。如果PDC鉆頭的反扭矩超過(guò)螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩上限，螺桿馬達(dá)將會(huì)減速直至停止工作。此時(shí)，PDC鉆頭將會(huì)離開井底，工具面的變化極其敏感，整個(gè)過(guò)程必須重復(fù)進(jìn)行定向。這不僅降低了螺桿馬達(dá)的使用壽命，造成不必要的多次起下鉆，同時(shí)也使定向施工制變得特別困難和費(fèi)時(shí)。如果設(shè)計(jì)一種個(gè)性化的PDC鉆頭可以比其它PDC鉆頭在實(shí)際使用過(guò)程中，使用更小的鉆壓，且可以在該鉆壓下有效鉆入地層，那么這種個(gè)性化的PDC鉆頭將更適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)水平井鉆井作業(yè)。因此，有必要設(shè)計(jì)出針對(duì)水平井鉆井的個(gè)性化PDC鉆頭，可以對(duì)PDC鉆頭的冠部輪廓以及切削齒的后傾角和巖石相互之間的作用進(jìn)行對(duì)比分析，研究出一種適合的設(shè)計(jì)方法。

　　振動(dòng)對(duì)水平井PDC鉆頭的影響

　　鉆井過(guò)程中鉆頭的振動(dòng)有三種表現(xiàn)形式：回旋振動(dòng)、軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其中對(duì)于水平井中PDC鉆頭的性能影響因素最大的分別是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和回旋振動(dòng)。鉆進(jìn)過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致PDC鉆頭的性能不能達(dá)到最佳效果，具體表現(xiàn)為效率不佳及穩(wěn)定性比較差，而這種穩(wěn)定性能不佳的PDC鉆頭在鉆進(jìn)的過(guò)程中會(huì)對(duì)井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在這種振動(dòng)的情況下，會(huì)使得PDC鉆頭上的扭矩變化很大，當(dāng)滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，從而使工具面控制變得極為困難。因此，必須加強(qiáng)鉆頭的穩(wěn)定性，減小振動(dòng)影響，提高鉆頭工作效率。

　　1 回旋振動(dòng)

　　回旋主要指PDC鉆頭在鉆井時(shí)候的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不再是鉆頭幾何中心，而是鉆頭保徑。當(dāng)PDC鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生回旋時(shí)，PDC鉆頭原始設(shè)計(jì)的幾何中心使PDC鉆頭的旋轉(zhuǎn)中心失效，于是，在這種情況下PDC鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)、切削齒的布局就變得不再合理。因?yàn)椋琍DC鉆頭的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不斷變化，所以鉆頭上切削齒的工作狀態(tài)被鉆頭的回旋運(yùn)動(dòng)所改變了，一般情況下，鉆頭切削齒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有三種情況：正向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)以及反向運(yùn)動(dòng)；在以上這三種運(yùn)動(dòng)狀況下，PDC鉆頭的每個(gè)切削齒上都承受著巨大的沖擊載荷。只有當(dāng)PDC鉆頭發(fā)生正向回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，這時(shí)候由于PDC鉆頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心距原井眼中心比較近，多數(shù)PDC切削齒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài)屬于正常，危害相對(duì)比較小。影響PDC鉆頭產(chǎn)生回旋運(yùn)動(dòng)的主要因素有以下三種：

　　（1）PDC鉆頭本身結(jié)構(gòu)的缺陷，這種缺陷促使鉆頭產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)，這種因素都能增加鉆頭回旋的側(cè)向力。PDC鉆頭鉆井時(shí)候切削的不平衡力愈大，它的外錐愈長(zhǎng)，保徑部位越加粗糙，則會(huì)很容易的發(fā)生回旋。

　?。?）巖石的性質(zhì)，由于在軟地層中鉆進(jìn)速度本身相對(duì)較快，從而會(huì)沒(méi)有足夠的時(shí)間使得井徑擴(kuò)大，因此，PDC鉆頭不容易發(fā)生回旋。與此相反，由于一些原因，比如說(shuō)鉆遇較硬的地層，鉆頭的機(jī)械鉆速就變得較慢。在這種情況下鉆頭就容易產(chǎn)生回旋。

　?。?）實(shí)際操作中操作參數(shù)的影響，鉆井時(shí)候的轉(zhuǎn)速越高，離心力就會(huì)越大，PDC鉆頭也越加易發(fā)生回旋或連續(xù)回旋。因?yàn)樵谶@種情況下相對(duì)不平衡力增大，使PDC鉆頭在鉆壓越小情況下越易產(chǎn)生回旋。

　　2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

　　PDC鉆頭在鉆進(jìn)的過(guò)程中會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在這種情況下會(huì)發(fā)生卡滑現(xiàn)象，造成PDC鉆頭轉(zhuǎn)速時(shí)快時(shí)慢，甚至停止鉆動(dòng)，或反向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致在PDC鉆頭水平井中工具面根本無(wú)法按照設(shè)計(jì)控制，定向也就無(wú)法進(jìn)行下去。而且由于PDC鉆頭切削齒承受巨大的沖擊載荷，這容易使得切削齒磨損速度加速，甚至?xí)?dǎo)致金剛石復(fù)合片的脫落。尤其是在PDC鉆頭發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)時(shí)更容易造成PDC的金剛石復(fù)合片的碎裂或失效導(dǎo)致脫落。當(dāng)PDC鉆頭或井中鉆具在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，很容易導(dǎo)致鉆具疲勞從而損壞，導(dǎo)致鉆具落井。

　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究證明，PDC鉆頭在切削齒遍布密度大、鉆頭磨鈍程度較大、地層可鉆性差、泥餅?zāi)Σ料禂?shù)較大、遇水易膨脹，破碎的地層、高鉆壓低轉(zhuǎn)速之類情況下，PDC鉆頭容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象。PDC鉆頭切削齒遍布密度大，要想取得相同速度的機(jī)械鉆速，就必須加大鉆壓。這樣就增大了鉆頭與切削齒及切削齒和巖石之間的相互摩擦力，摩擦力的增大使得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)發(fā)生；遇水易膨脹，破碎的地層或泥餅?zāi)Σ料禂?shù)大，也會(huì)加大其與井壁之間的相互摩擦力，所以容易引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。PDC鉆頭的固有特征是隨著機(jī)械鉆速的增大扭矩會(huì)變小，如果PDC鉆頭已經(jīng)變鈍，這種現(xiàn)象會(huì)更加的明顯。在鉆遇較硬的地層的時(shí)候，PDC鉆頭的巖層破碎方式為剪切，這時(shí)候井底的巖屑會(huì)隨著鉆井液排出迅速井底；而如果PDC鉆頭已經(jīng)磨鈍它的破碎方式為擠壓破巖，這時(shí)候的巖屑就不易清除，造成扭矩增大。若巖屑清除的速度加快，扭矩就會(huì)變小。這就是說(shuō)，引起扭知隨轉(zhuǎn)速增大而減小的根本原因是井底巖屑清除的不及時(shí)。說(shuō)明磨鈍了的PDC鉆頭在低轉(zhuǎn)速條件下容易造成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

　　綜上所述，如果要想提高PDC鉆頭在水平井中的鉆進(jìn)效果，以及鉆井效率，就必須要減小PDC鉆頭本身的回旋和扭轉(zhuǎn)因素。

　　3.切削齒工作角度對(duì)水平井鉆頭性能的影響

　　PDC鉆頭的破巖效率和工作性能與PDC鉆頭切削齒的工作角度（即切削齒在工作狀態(tài)下的實(shí)際切削角度）存在密切關(guān)系，對(duì)PDC鉆頭性能分析具有重要的意義。切削齒的工作角度具體地指后傾角和側(cè)傾角，他們兩個(gè)是與切削狀態(tài)密切相關(guān)的切削角度。

　　由于工作角度的不同，PDC鉆頭的切削齒與巖石作用過(guò)程中，即使是相同的鉆頭在不同的工作環(huán)境中也會(huì)表現(xiàn)出很大的性能差距，尤其是在水平井鉆井過(guò)程中，切削齒與巖石作用還存在接觸壓力，通過(guò)減少PDC鉆頭吃入量來(lái)增強(qiáng)工具面控制。這種觀點(diǎn)是，如果能避免因馬達(dá)停止工作或工具面重新設(shè)置所耽誤的時(shí)間，則損失的是瞬時(shí)鉆速，而純鉆速將會(huì)增加。

　　對(duì)于造斜率以及井眼的質(zhì)量，通常認(rèn)為是，為了加快造斜速度，必須增加切削齒的侵入性特征，一般是減少切削齒的保徑長(zhǎng)度，用以提高這種側(cè)向切削的能力。但是，導(dǎo)向渦輪大量的前期經(jīng)驗(yàn)證明了，長(zhǎng)保徑的鉆頭，則至少能以8度/100英尺的造斜率進(jìn)行造斜，于是為了解決這種矛盾的存在，必須進(jìn)行細(xì)致研究保徑長(zhǎng)度、側(cè)切削侵入性及鉆頭的導(dǎo)向性能之間的匹配關(guān)系。

　　結(jié)論

　　鉆速的提高是衡量PDC鉆頭的一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，具體表現(xiàn)為在一定的時(shí)間內(nèi)鉆進(jìn)的速度，包括調(diào)整工具面所用的時(shí)間，以及在井底馬達(dá)失效后更換以及調(diào)整到穩(wěn)定的定向工具面所需要的時(shí)間，綜合上述因素，以及可導(dǎo)向井底馬達(dá)組合的性能特征，“水平井PDC鉆頭”應(yīng)該具有下列特點(diǎn)：（1）盡管鉆壓顯示值有誤差，但必須使工具面的波動(dòng)最?。唬?）在特定的鉆具組合情況下，保持合理的狗腿度（DLS）；（3）選擇一個(gè)優(yōu)良的井眼，可以在滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方式中相互轉(zhuǎn)換。