導(dǎo)向PDC鉆頭設(shè)計及其在臨盤地區(qū)的應(yīng)用摘要：針對常規(guī)PDC鉆頭在勝利油田臨盤地區(qū)定向井鉆進過程中存在的工具面不穩(wěn)定、井斜方位難以控制、滑動鉆進時鉆速較低等問題，研究分析了PDC鉆頭的剖面形狀、切削結(jié)構(gòu)、保徑設(shè)計等對鉆頭導(dǎo)向性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，研制出一種適合臨盤地區(qū)地層特性的BTM115H型導(dǎo)向PDC鉆頭。該型PDC鉆頭采用淺內(nèi)錐、雙圓弧剖面形狀，特殊雙重切削布齒、短保徑設(shè)計和側(cè)向力平衡設(shè)計，能夠有效提高鉆頭的導(dǎo)向性能和機械鉆速。現(xiàn)場多口定向井的應(yīng)用效果表明，BTM115H型導(dǎo)向PDC鉆頭定向鉆進過程中，工具面可控性好，復(fù)合鉆井速度和定向機械鉆速較常規(guī)PDC鉆頭都有大幅度提高，而且井筒質(zhì)量好，提高了鉆井和下套管的效率，為臨盤地區(qū)的定向井快速鉆進提供了有力保障。關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；定向井；導(dǎo)向能力；鉆頭偏移；工具面DesignandApplicationofANewSteerablePDCBitinLinpanAreaLUOHengrong1，TANGYuxiang1，CAOJifei2，ZOU（1.LinpanDrillingCompany,SouthwestCompanyofPetroleumEngineering,Linyi,Shandong,251500,China;2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266555,China;3.DrillingTechnologyResearchInstituteofShengliPetroleumAdministrationBureau,Dongying,Shandong,257061,China）Abstract:AccordingtotheproblemsoccurredduringdrillingdirectionalwellwithconventionalPDCbitsinLinpanareaofShengliOilfield,liketheinstabilityanduncontrollabilitytoolface,lowdrillingspeed,anewsteerablePDCbitwasdevelopedbasingontheanalysisoftheinfluenceofprofileshapes,cuttingstructure,gagedesignonthesteerablecapability.ThisnewsteerablePDCbitwasdesignedwithshallowinnercone,doublecircularsection,doublecutterstructureandshortgagedesign.Thestressanalysisonbitimprovethestabilityandsteerablecapacity.Thefieldapplicationeffectshowthatnewbithasthemorestabilitytoolface,higherdrillingspeedandtheboreholequalitywesimproved.AllthisprovideapowerfulguaranteefortheexplorationofLinpanarea.Keywords:PDCbit;directionalwell;steerablecapability;deviation;toolface引言隨著石油工業(yè)的發(fā)展，定向鉆井技術(shù)在石油鉆探中的應(yīng)用不斷增加，定向井的數(shù)量也越來越多。PDC鉆頭相對于牙輪鉆頭來說具有機械鉆速高、鉆頭壽命長的特點，越來越廣泛地應(yīng)用到石油鉆探中。但是常規(guī)的PDC鉆頭在定向鉆進時經(jīng)常出現(xiàn)定向性能不穩(wěn)定，工具面變化大、難以控制等現(xiàn)象，甚至?xí)斐删裸@具減速停機，損毀井下鉆具等井下事故，使得定向控制變得特別困難且耗費時間，大大降低了鉆井速度，增加了鉆井成本。因此，研究分析PDC鉆頭定向性能的影響因素，優(yōu)化PDC鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮PDC鉆頭在定向鉆進中的優(yōu)勢，對提高定向鉆井速度，降低鉆井成本，加快油氣資源的合理高效開發(fā)具有重要意義。1PDC鉆頭的導(dǎo)向性能PDC鉆頭的導(dǎo)向性能是PDC鉆頭的造斜能力和方位漂移能力的綜合反映。PDC鉆頭的造斜能力是指鉆頭受到軸向力和側(cè)向力時產(chǎn)生側(cè)向位移的能力，可以用側(cè)向鉆進能力和軸向鉆進能力的比值來表示[1,2]：(1)式中：—側(cè)向力作用下鉆頭旋轉(zhuǎn)一周的側(cè)向位移，(mm/KN)/rev；—鉆壓作用下鉆頭旋轉(zhuǎn)一周的軸向位移，(mm/KN)/rev。PDC鉆頭的造斜能力直接影響著PDC鉆頭的定向鉆進的速度和造斜率。PDC鉆頭的方位漂移能力是指鉆頭定向鉆進過程中保持固有方位特性的能力。通常用漂移角來表征PDC鉆頭的方位漂移能力，該角度是指施加于鉆頭上的側(cè)向力和鉆頭側(cè)向位移之間的夾角，如圖1所示。其中，Xh、Yh定義鉆頭在側(cè)向力作用下鉆進的平面，A方向表示鉆頭的正常鉆進方向，為鉆頭所受的側(cè)向力，為鉆頭的漂移角。當(dāng)時，鉆頭向左漂移；時，鉆頭向右漂移。圖1漂移角示意圖Fig1ThesketchmapofdriftanglePDC鉆頭的方位漂移能力直接影響工具面的穩(wěn)定性和井眼軌跡的方位變化率。2PDC鉆頭結(jié)構(gòu)特征對其導(dǎo)向性能的影響PDC鉆頭的結(jié)構(gòu)特征，主要包括鉆頭剖面、切削結(jié)構(gòu)和保徑結(jié)構(gòu)等，對PDC鉆頭在定向井中的導(dǎo)向性能有著重要的影響。2.1剖面形狀對鉆頭導(dǎo)向性能的影響PDC鉆頭剖面形狀的設(shè)計是鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計重要部分，直接影響著鉆頭的鉆進性能，同時也對鉆頭的導(dǎo)向性能有著重要影響。研究表明[3-5]，鉆頭冠部剖面越扁平，鉆頭的造斜能力越好。Barton通過對不同剖面形狀的鉆頭進行數(shù)值模擬來計算各自的造斜性能，模擬結(jié)果顯示，PDC鉆頭的造斜能力隨著內(nèi)錐深度的減小而增加，平底形鉆頭造斜能力最好。但是較淺的內(nèi)錐深度會使得鉆頭的切削齒數(shù)量有限，單個切削齒受力較大，鉆頭的穩(wěn)定性差，進而影響鉆頭的造斜性能。同樣，外錐長度對鉆頭的造斜能力也有重要影響，外錐長度越大，鉆頭切削剖面對側(cè)向力的靈敏度越低，造斜能力也就越差。因此，應(yīng)根據(jù)鉆頭的尺寸合理設(shè)計內(nèi)錐和外錐尺寸。剖面形狀對PDC鉆頭的方位漂移能力也有著重要的影響，定向鉆井操作者在實踐中發(fā)現(xiàn)，在造斜鉆進過程中PDC鉆頭有的呈左漂趨勢，有的呈右漂趨勢。PDC鉆頭的冠部剖面結(jié)構(gòu)根據(jù)IADC標準可以分為兩部分：內(nèi)錐高度C和冠頂高度G，PDC鉆頭由剖面形狀造成的漂移角可用下式表示：(2)式中，—鉆頭漂移角，度；—切削齒后傾角，度；—鉆頭和巖石的摩擦角，度；—內(nèi)錐高度，mm；—冠頂高度，mm。從上式可以看出，PDC鉆頭的漂移趨勢是由內(nèi)錐高度C和冠頂高度G所決定的，即：左偏趨勢；：中性趨勢；：右偏趨勢。因此，要控制PDC鉆頭在定向鉆進過程中的漂移趨勢，鉆頭冠部剖面設(shè)計過程中應(yīng)合理設(shè)計內(nèi)錐和冠頂?shù)母叨取?.2切削結(jié)構(gòu)對鉆頭導(dǎo)向性能的影響單排齒切削結(jié)構(gòu)和雙排齒切削結(jié)構(gòu)是目前PDC鉆頭設(shè)計中最為常用的兩種切削結(jié)構(gòu)。與單排齒切削結(jié)構(gòu)相比，采用雙排齒切削結(jié)構(gòu)設(shè)計的PDC鉆頭在提高鉆頭的導(dǎo)向性能、鉆進速度和使用壽命方面具有獨特的優(yōu)勢。雙排齒切削結(jié)構(gòu)設(shè)計中后排齒的類型主要有硬質(zhì)限位齒和PDC齒兩種。硬質(zhì)限位齒的主要作用是控制前排切削齒的吃入深度，提高鉆頭的穩(wěn)定性能和減小鉆頭的方位漂移。后排齒采用PDC切削齒時，除了能夠更好地控制切削齒吃入深度、穩(wěn)定鉆頭和減小鉆頭的方位漂移外，還能夠增加鉆頭的布齒密度，提高破巖效率，從而提高定向鉆進過程中鉆頭的使用壽命和定向鉆進速度，降低鉆井成本。另外，切削齒后傾角的設(shè)計也對PDC鉆頭的導(dǎo)向性能具有重要的影響。當(dāng)后傾角改變時，鉆頭的側(cè)向和軸向鉆進能力不會以同樣的比例改變，軸向鉆進能力更容易受后傾角改變的影響，但總的來說，增加切削齒的后傾角能夠提高鉆頭的導(dǎo)向性能[6-9]。2.3保徑結(jié)構(gòu)對鉆頭定向性能的影響PDC鉆頭保徑結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括保徑長度、寬度和保徑齒設(shè)計等。PDC鉆頭的保徑長度對鉆頭的側(cè)向切削能力影響較大，進而影響鉆頭的導(dǎo)向性能。鉆頭保徑長度越大，保徑處與地層接觸面積增加，有利于提高鉆頭的穩(wěn)定性，減少鉆頭渦動的發(fā)生；但長保徑設(shè)計會降低鉆頭的造斜能力，同時隨著鉆頭保徑長度的增加，不管導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的類型如何，鉆頭向左漂移的趨勢大幅增加，大大降低鉆頭的導(dǎo)向性能。保徑長度過短，則會造成鉆頭對井眼的過度切削，使井眼質(zhì)量變差。因此，應(yīng)該根據(jù)鉆頭的實際尺寸對保徑長度進行優(yōu)化設(shè)計，選擇合適的保徑長度[10-12]。鉆井過程中，保徑寬度的增加不會對鉆頭的導(dǎo)向性能產(chǎn)生直接的影響，但能夠增強對工具面的控制，進而改善鉆頭的導(dǎo)向性能。然而，保徑寬度過大時會減小鉆頭排屑區(qū)域，使得巖屑難以排除，容易形成泥包。保徑齒的設(shè)計是影響PDC鉆頭導(dǎo)向性能的重要因素，保徑齒的設(shè)計主要包括侵入性保徑齒（切削齒）和非侵入性保徑齒（保徑塊）兩部分。一般認為，保徑齒的設(shè)計能夠增加鉆頭的側(cè)向切削能力，提高鉆頭的造斜能力；但是過多或過鋒利的保徑齒會造成鉆頭對井壁的過度切削，使井筒質(zhì)量變差。非侵入性保徑的設(shè)計對鉆頭造斜能力的影響較小，但能夠改善鉆頭的方位漂移能力，提高鉆頭的導(dǎo)向性能。3215.9mmBTM115H型導(dǎo)向PDC鉆頭設(shè)計3.1剖面形狀設(shè)計針對臨盤油田地區(qū)地層的特點，在前面理論分析的基礎(chǔ)上對直徑為215.9mm的BTM115H型PDC鉆頭進行剖面形狀設(shè)計，確定出適合該地區(qū)地層的鉆頭冠部輪廓形狀：淺內(nèi)錐、短外錐和雙圓弧冠部輪廓（如圖2所示，各尺寸單位為mm）。這種雙圓弧輪廓剖面能夠使鉆頭表面布置較多的切削齒，有效提高鉆頭的破巖效率。同時，淺內(nèi)錐和短外錐設(shè)計能夠保證鉆頭有較好的造斜能力和方位控制能力，提高鉆頭的定向反應(yīng)靈敏度，而且可以減小鉆頭與井壁的接觸面積，使鉆頭與井壁間的摩擦力減小，有效圖2鉆頭剖面設(shè)計圖Fig2Thediagramofprofiledesign3.2布齒設(shè)計布齒設(shè)計包括切削齒的尺寸、工作角、布齒密度和布齒方法等。切削齒尺寸和布齒密度的設(shè)計主要根據(jù)所鉆地層軟硬程度和巖性特點來選擇。根據(jù)臨盤地區(qū)地層抗鉆特性，BTM115H型PDC鉆頭采用19.05mm和16.10mm兩種尺寸的切削齒作為主切削齒，13.44mm切削齒作為保徑齒，布齒密度采用中密度布齒。鉆頭的井底覆蓋設(shè)計圖3BTM115H型PDC鉆頭井底覆蓋設(shè)計Fig3ThedownholecoveragedesignofBTM115H-typePDCbitBTM115H型PDC鉆頭采用特殊雙重布齒設(shè)計，后排齒采用13.44mm切削齒，大后傾角設(shè)計。該設(shè)計可以有效控制鉆頭吃入深度，提高鉆頭的穩(wěn)定性和切削齒后傾角的設(shè)計是影響PDC鉆頭鉆進速度和導(dǎo)向性能的重要因素。綜合考慮地層因素和鉆頭的導(dǎo)向性能，BTM115H型PDC鉆頭前排切削齒采用從鉆頭中心向外，后傾角逐漸由15°增加到20°；這種設(shè)計能夠有效降低鉆井過程中的反扭矩，使得滑動鉆進過程中工具面更加穩(wěn)定，大大改善鉆頭的導(dǎo)向性能。3.3力平衡設(shè)計采用利用自主開發(fā)的PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計軟件，對BTM115H型PDC鉆頭進行了受力分析與力平衡設(shè)計，側(cè)向力不平衡度為2.62%。力平衡的設(shè)計能夠顯著減少鉆頭井下震動，增加鉆頭工具面的穩(wěn)定性，從而改善鉆頭的導(dǎo)向性能。同時，螺旋刀翼設(shè)計能夠分散切削齒切削地層時產(chǎn)生的指向井壁的切削力，減少鉆頭渦動和回旋的發(fā)生，有效控制鉆頭的方位漂移。3.5保徑設(shè)計根據(jù)理論分析和鉆頭設(shè)計經(jīng)驗，BTM115H型PDC鉆頭采用螺旋短保徑設(shè)計，保徑長度設(shè)計為50.0mm。螺旋短保徑設(shè)計可以有效提高鉆頭的造斜能力和方位控制能力，增強鉆頭的導(dǎo)向性能；而且能夠增加鉆頭與井壁的接觸面積，減少鉆頭的振動，進而提高鉆井速度。保徑齒選用13.44mm切削齒，大后傾角設(shè)計，能夠增強鉆頭的側(cè)向切削能力，提高鉆頭的造斜能力，增強鉆頭的定向性能。圖4BTM115H型PDC鉆頭保徑齒設(shè)計Fig4ThegaugeteethdesignofBTM115H-typePDCbit4現(xiàn)場使用效果分析臨盤地區(qū)定向井一般設(shè)計從沙一段開始定向造斜，因此BTM115H型導(dǎo)向PDC鉆頭主要在沙一段到沙三段地層進行定向鉆進試驗。新型PDC鉆頭已在臨盤地區(qū)臨37-斜30、臨111-斜3、商88-斜4、夏37-斜9等10余口井進行了現(xiàn)場試驗，現(xiàn)以其中三口井為例介紹其應(yīng)用情況。4.1臨111-斜3井臨111-斜3井設(shè)計垂深3650.0m，完鉆層位為沙三段。定向鉆進井段為沙一段到沙三段，地層巖性以深灰色泥巖、灰質(zhì)泥巖、灰褐色油頁巖不等厚互層夾灰色粉砂巖及薄層白云巖、泥質(zhì)白云巖為主。鉆具組合為：215.9mmPDC鉆頭+171.5mm單彎螺桿×1.5°+158.8mm無磁鉆鋌+MWD+158.8mm鉆鋌+127mm加重鉆桿。定向造斜，然后穩(wěn)斜鉆進，單只鉆頭進尺743m。該井定向鉆進過程較為順利，工具面比較穩(wěn)定，機械鉆速大大提高，3133~3143m滑動鉆進井段平均機械鉆速為2.24m/h，復(fù)合鉆進平均機械鉆速為12.49m/h4.2夏37-斜9井夏37-斜9井設(shè)計完鉆垂深2900.0m，BTM115H型PDC鉆頭主要用于沙三段到沙四段地層的定向鉆進，地層巖性深灰色泥巖、灰色砂質(zhì)泥巖不等厚互層夾灰色灰質(zhì)砂巖、白云質(zhì)粉砂巖和輝綠巖為主。鉆具組合為：215.9mmPDC鉆頭+171.5mm單彎螺桿×1.25°+158.8mm無磁鉆鋌+MWD+158.8mm鉆鋌+127mm鉆桿。該鉆頭在2555~2622m井段滑動鉆進時平均鉆速為2.14~3.84m/h，2632-2970m井段導(dǎo)向鉆進時平均鉆速為14.44m/h4.3夏504-斜21井夏504-斜21井設(shè)計垂深3715.0m，主要設(shè)計在沙三段進行定向鉆進。鉆具組合為：215.9mmPDC鉆頭+171.5mm單彎螺桿×1.5°+158.8mm無磁鉆鋌+MWD+158.8mm鉆鋌+127mm鉆桿。鉆頭在2981.0m井深開始入井，滑動鉆進工具面比較穩(wěn)定，在2990.82~3000.34m井段，滑動鉆速為2.3m/h，3383.37~3393.01米井段中滑動鉆速為1.14m/h，其他鉆頭在本井段滑動鉆進鉆速僅為0.88m/h。導(dǎo)向鉆進機械鉆速較快，平均為從現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，一共在10余口井中使用了7只BTM115H型導(dǎo)向PDC鉆頭，下井12次，對不同的地層層段進行了鉆進試驗，取得了很好的應(yīng)用效果，達到了預(yù)期的目的。表1為BTM115H型導(dǎo)向PDC鉆頭與其他常規(guī)鉆頭應(yīng)用情況對比數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，定向鉆進過程中BTM115H型導(dǎo)向PDC鉆頭可使用的鉆壓比常規(guī)PDC鉆頭要高，工具面穩(wěn)定，波動幅度較小，而且復(fù)合鉆進和導(dǎo)向鉆進機械鉆速及單只鉆頭進尺較常規(guī)鉆頭都有大幅度地提高，大大降低了鉆井成本。同時定向鉆進過程中穩(wěn)定的工具面能