李凱（勝利油田石油工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心 山東東營(yíng) 257000）

PDC鉆頭在砂泥巖地層鉆井過(guò)程中，相比于其他類(lèi)型的鉆頭，具有許多優(yōu)勢(shì)，PDC鉆頭的鉆井速度快，工作的時(shí)間長(zhǎng)，可以有效的節(jié)約石油鉆井的成本，而且PDC鉆頭的耐高溫性要比牙輪鉆頭好很多，因此PDC鉆頭非常適用于定向井鉆井。在定向井鉆井過(guò)程中，井眼軌跡的定向和造斜是定向井的關(guān)鍵技術(shù)，也是容易出現(xiàn)問(wèn)題的鉆井作業(yè)。由于造斜過(guò)程導(dǎo)致了鉆頭性能的不穩(wěn)定，增加了鉆頭鉆進(jìn)的偏移量，鉆頭的鉆進(jìn)速度也隨之降低，定向井鉆井的質(zhì)量和準(zhǔn)確性也受到影響。鉆頭結(jié)構(gòu)是定向井鉆井過(guò)程中，保證鉆頭保持優(yōu)異性能的關(guān)鍵，因此需要合理的設(shè)計(jì)鉆頭的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)PDC鉆頭各個(gè)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的分析，得到PDC鉆頭的各參數(shù)對(duì)定向井鉆井的影響，從而為專(zhuān)門(mén)的定向井PDC鉆頭設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。保證設(shè)計(jì)出的PDC鉆頭具有優(yōu)良的性能，最大限度的發(fā)揮出PDC鉆頭在定向井鉆井過(guò)程中優(yōu)勢(shì)，從而有效的提高定向井鉆井的效率和質(zhì)量，解決定向井鉆進(jìn)過(guò)程中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，降低定向井鉆井作業(yè)成本。

一、定向井PDC鉆頭冠部形狀設(shè)計(jì)

在定向井PDC鉆頭冠部設(shè)計(jì)中，內(nèi)錐設(shè)計(jì)是非常重要的，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)定向井PDC鉆頭外錐形狀一定的條件下，給PDC鉆頭施加一定的鉆井壓力之后，如果定向井PDC鉆頭的內(nèi)錐深度減小，那么PDC鉆頭施加到巖石的作用力將會(huì)加大。因此為了提高鉆頭的破巖效率，需要將PDC鉆頭的內(nèi)錐設(shè)計(jì)為淺錐形，但是如果PDC鉆頭的內(nèi)錐的深度過(guò)淺，將會(huì)加劇鉆頭的不穩(wěn)定性，而且會(huì)加劇鉆頭的損壞，合理的鉆頭內(nèi)錐深度，不但能夠保證鉆頭的穩(wěn)定性和工作壽命，同時(shí)還能夠增大鉆頭作用到巖石上的力，從而有效的提高定向井的鉆井速度。通過(guò)巖石模型的模擬分析可得，如果PDC鉆頭的內(nèi)錐深度過(guò)大，很難形成鉆頭切削齒的高效切削作用。通過(guò)選擇合理的鉆頭深度可以有效的提高鉆頭的穩(wěn)定性。對(duì)于石油鉆井經(jīng)常鉆遇的中軟地層，可以適當(dāng)?shù)脑黾鱼@頭內(nèi)錐的深度，提高鉆頭的穩(wěn)定性，保證鉆頭的工作質(zhì)量。當(dāng)石油鉆井地層的可鉆性變化較大時(shí)，地層的軟硬交替程度較高，對(duì)著這種復(fù)雜的地層，很容易造成PDC鉆頭的損壞，當(dāng)定向井PDC鉆頭從較軟的地層進(jìn)入到較硬的地層后，鉆頭的冠部最先和硬地層相接觸，鉆頭冠部受到的力逐漸的增大，鉆頭冠部的切削齒的受力要比在軟地層中切削齒的受力要大。如果鉆頭內(nèi)錐的深度適當(dāng)?shù)牡玫綔p小，將會(huì)有效的降低這種作用。而當(dāng)定向井鉆頭要從硬地層中鉆出時(shí)，只有鉆頭外部少數(shù)的保徑齒，以及鉆頭上部還存在硬地層中，這樣會(huì)大大的增加鉆頭出現(xiàn)事故的概率。由于這些接觸位置的強(qiáng)度不高，如果受力不穩(wěn)，容易造成定向井鉆頭的損壞。鉆頭受到的壓力和工作扭矩，很大一部分將會(huì)由硬地層中少量的切削齒來(lái)承擔(dān)，所以在這種條件下，容易造成定向井鉆頭切削齒的崩落，進(jìn)而造成鉆頭的損壞，這種情況下需要盡量的減小鉆頭內(nèi)錐的深度，使鉆頭的內(nèi)錐的部分切削齒和保徑齒，也能夠承擔(dān)鉆井壓力，從而保證鉆頭的安全性。

二、定向井PDC鉆頭切削齒設(shè)計(jì)

在定向井鉆井過(guò)程中，隨著鉆頭受到扭矩和壓力的不斷增大，鉆頭的切削齒存在損壞和崩落的概率越來(lái)越大。鉆頭受到的扭矩和壓力的增大，而鉆頭切削齒是承擔(dān)鉆頭受力的主要部件，因此鉆頭切削齒所受到的壓力和扭矩就會(huì)不斷的增大，隨著切削齒工作時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，切削齒和巖石之間摩擦?xí)r間越來(lái)越長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量就越來(lái)越多，從而大大的增加了PDC鉆頭切削齒的工作溫度，當(dāng)切削齒的工作溫度上升后，切削齒的工作壽命將會(huì)得到大大的減小。而且鉆頭受到的軸向力增加時(shí)，鉆頭工作過(guò)程中受到的縱向載荷將會(huì)隨之增大。鉆頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到的摩擦力也會(huì)不斷增大，很容易造成定向井鉆井扭矩的突變，影響到鉆頭的穩(wěn)定性，進(jìn)而加速了定向井鉆頭的磨損。依據(jù)定向井鉆井的實(shí)際條件，在保證鉆井速度和鉆井質(zhì)量的前提下，設(shè)計(jì)的定向井PDC鉆頭切削齒采用較小的切削角度。定向井PDC鉆頭切削齒的設(shè)計(jì)中，如果采用變后傾角的設(shè)計(jì)，可以有效的降低鉆頭內(nèi)錐的受力，改善鉆頭的受力狀況。在利用變后傾角鉆頭進(jìn)行切削巖石時(shí)，鉆頭的最下部已經(jīng)將井眼的內(nèi)巖石基本清除完畢，冠部?jī)?nèi)部的巖石不會(huì)再受到地層圍壓的影響，因此該條件下的巖石更利于切削。如果采用剪切破巖的方式，可以有效的提高該處巖石的破碎效率。變后傾角度設(shè)計(jì)，鉆頭的冠部最頂端受到的力為最大值。因此在鉆頭冠部的最頂端應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)脑黾忧邢鼾X的數(shù)量。變后傾角的設(shè)計(jì)，會(huì)大大提高鉆頭的導(dǎo)向能力，通過(guò)采用該類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可以提高定向井鉆頭的切削速度，同時(shí)還能夠保證鉆頭具有較高的定向和造斜功能。鉆頭主要的保徑齒的高度通常要高于切削齒的后傾角高度，避免當(dāng)鉆頭發(fā)生較大的橫向振動(dòng)時(shí)，鉆頭的切削齒不會(huì)受到破壞。

結(jié)束語(yǔ)

隨著石油資源的不斷減少，定向井在增加油氣資源儲(chǔ)量，提高油氣產(chǎn)量方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。定向井鉆井鉆頭的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)于定性井鉆井速度和鉆井質(zhì)量影響較大。因此需要不斷的加強(qiáng)定向井鉆頭的結(jié)構(gòu)研究。PDC鉆頭的-內(nèi)錐深度過(guò)大，很難形成鉆頭切削齒的高效切削。通過(guò)選擇合理的鉆頭內(nèi)錐深度，可以有效的提高鉆頭的穩(wěn)定性。石油鉆井經(jīng)常鉆遇的中軟地層，可以適當(dāng)?shù)脑黾鱼@頭內(nèi)錐的深度。采用變后傾角的設(shè)計(jì)，可以有效的降低鉆頭內(nèi)錐的受力，改善鉆頭的受力狀況。在鉆頭冠部的最頂端應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)脑黾忧邢鼾X的數(shù)量。變后傾角的設(shè)計(jì)，會(huì)大大提高鉆頭的導(dǎo)向能力。通過(guò)研究對(duì)于改善定向井鉆頭的工作狀況，提高定向井鉆井的效率和質(zhì)量具有重要的意義。

[1]鄒德永.刀翼式PDC鉆頭結(jié)構(gòu)及布齒優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)（華東）：2004.

[2]羅恒榮,唐玉響.新型定向井PDC鉆頭的研制與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2007.

[3]羅超,王鎮(zhèn)泉,蔡鏡侖.一種特形PDC切削齒破巖特點(diǎn)的研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,1997.