定向井復(fù)合鉆頭技術(shù)研究與現(xiàn)場應(yīng)用

李和清 單巍

摘要：定向井復(fù)合鉆頭技術(shù)主要有鉆頭的設(shè)計(jì)和在實(shí)際鉆進(jìn)中遇到的問題，在現(xiàn)場應(yīng)用中主要有地質(zhì)導(dǎo)向和計(jì)算機(jī)軟件以及現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)等。本文就淺談定向井復(fù)合鉆頭技術(shù)研究與現(xiàn)場應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：定向井復(fù)合鉆頭；技術(shù)研究；現(xiàn)場應(yīng)用

隨著油氣田的逐漸開發(fā)，淺部油氣藏的資源越來越少，進(jìn)行深部油氣藏的開發(fā)是一種必然的趨勢。但是在深部油氣藏的開發(fā)中，對(duì)于鉆頭的要求是非常高的，現(xiàn)階段使用的PDC鉆頭和牙輪鉆頭都不足以應(yīng)對(duì)這種情況，因此復(fù)合鉆頭的使用逐漸登上鉆井的舞臺(tái)。

一、復(fù)合鉆頭技術(shù)

復(fù)合鉆頭技術(shù)和核心就是PDC鉆頭，但是由于PDC鉆頭不能夠面對(duì)質(zhì)地比較堅(jiān)硬的巖石夾層，因此在結(jié)構(gòu)上增加了牙齒鉆頭的設(shè)計(jì)，兩者組合在一起也就成了復(fù)合鉆頭。復(fù)合鉆頭技術(shù)已經(jīng)成為常用的鉆探工具，為地質(zhì)鉆探和石油開采技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。PDC鉆頭作為常用的鉆井工藝，切削齒的形狀和質(zhì)量一直在改進(jìn)和完善，鉆頭能夠承受的沖擊力和沖蝕力都得到了大幅度的提升，尤其是牙輪鉆頭之間的結(jié)合，使得PDC鉆頭能夠應(yīng)對(duì)各種巖石層，而不會(huì)遭受大的損壞。并且，PDC鉆頭的改進(jìn)，也增強(qiáng)了它在可定向性方面的性能，對(duì)鉆頭在工作中的控制更加精準(zhǔn)。

二、復(fù)合鉆頭的設(shè)計(jì)

復(fù)合鉆頭的設(shè)計(jì)主要有三個(gè)方面，分別是牙齒設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水利設(shè)計(jì)。牙齒設(shè)計(jì)主要是在鉆頭實(shí)際的工作中，由于需要承受巖石的反沖擊力，在加上切削過程的不足，使得鉆頭不能很好的完成工作的目標(biāo)。因此在復(fù)合鉆頭設(shè)計(jì)的過程中，將齒的邊緣進(jìn)行轉(zhuǎn)移，可減少齒排在沖擊中破裂的可能性。除此之外還加強(qiáng)了金剛石的厚度和斜邊的長度，這樣一來，鉆頭就不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)大的沖擊力而損壞。另外在齒面的設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了拋光的措施，降低了巖屑對(duì)鉆頭的摩擦力，也減少了扭矩。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是采取了短拋物線冠部的設(shè)計(jì)，也增加了磨損節(jié)，還采用了螺旋設(shè)計(jì)，也有的是增加了非對(duì)稱刀片設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)不僅僅加強(qiáng)了鉆頭的轉(zhuǎn)速，也加強(qiáng)了鉆頭抗扭矩的能力和穩(wěn)定性。水力設(shè)計(jì)主要是增加了鉆頭過流的體積，還有高傾斜的中央噴嘴設(shè)計(jì)，還采用了最先進(jìn)的技術(shù)，設(shè)計(jì)出恰到好處的鉆頭口徑和流線型外表，保證在液體動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)中的科學(xué)性。

三、PDC鉆頭在以往定向井中存在的問題

（1）傾斜變化

在以往定向井的施工過程中，尤其是在一些特殊的環(huán)境或者是地形中，比如說孤島和壯西這樣的環(huán)境下，如果保證相同的鉆井條件，PDC鉆頭比其他鉆頭表現(xiàn)出更加明顯的漂移現(xiàn)象。PDC在設(shè)計(jì)中鉆壓和轉(zhuǎn)速有著很嚴(yán)格的要求，低鉆壓高鉆速是設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。在PDC鉆頭和牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，PDC鉆頭的鉆壓僅僅是鉆頭的五分之一到五分之二之間，鉆壓的差異會(huì)導(dǎo)致在其他鉆進(jìn)環(huán)境和條件一致的情況下，鉆進(jìn)的效果有著非常大的差異，具體的表形是牙輪鉆頭會(huì)出現(xiàn)增斜的效果，PDC鉆頭則表現(xiàn)出降斜的現(xiàn)象。因此，通過多方數(shù)據(jù)表明，PDC鉆頭在進(jìn)行施工作業(yè)的過程中，鉆進(jìn)參數(shù)的影響比較大，整體的性能不太穩(wěn)定。

（2）鉆頭進(jìn)尺

在定向井的鉆進(jìn)過程中，由于PDC本身的特性，會(huì)導(dǎo)致鉆頭在定向井中出現(xiàn)傾斜或者是鉆進(jìn)方位出現(xiàn)偏差等情況。但是PDC鉆頭的進(jìn)尺大，比牙輪鉆頭的進(jìn)尺效果更加明顯，能夠保證在施工進(jìn)度內(nèi)完成施工的計(jì)劃。

（3）鉆機(jī)負(fù)荷

PDC鉆機(jī)的原理是通過高強(qiáng)度的金剛石材料制成的鉆頭來對(duì)演示進(jìn)行切削，針對(duì)巖石層的抗剪性能差的情況進(jìn)行切削震碎，達(dá)到鉆進(jìn)的效果。但是盡管現(xiàn)在鉆頭增加了磨損節(jié)的設(shè)計(jì)，卻因?yàn)殂@頭是一個(gè)統(tǒng)一的整體，沒有其他可以進(jìn)行活動(dòng)的部件，造成鉆機(jī)在工作的過程中負(fù)荷比較嚴(yán)重。在鉆機(jī)工作的過程中，一些井斜角大的位置會(huì)造成鉆機(jī)更嚴(yán)重的負(fù)荷量，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致鉆具扭斷的情況。

四、定向井復(fù)合鉆頭技術(shù)在現(xiàn)場施工應(yīng)用

（1）地質(zhì)導(dǎo)向

地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)，顧名思義就是能夠在進(jìn)行鉆進(jìn)的過程中還能夠通過地質(zhì)以及方向的測量來進(jìn)行鉆進(jìn)軌跡的測量，并進(jìn)行相應(yīng)的方向?qū)Ш?。事?shí)證明，地質(zhì)導(dǎo)向能夠進(jìn)行多種地質(zhì)和工程方面的測量，并進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，然后根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)定向井井眼的軌跡進(jìn)行控制和調(diào)整，保證鉆進(jìn)能夠達(dá)到預(yù)定的鉆進(jìn)效果。由于鉆具在工作的過程中，因?yàn)楦鞣N各樣的外在因素，包括巖石、摩擦、沖擊還有機(jī)械等問題，導(dǎo)致并不能精準(zhǔn)的按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，而地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)可以有效的解決這方面的問題。

（2）計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)

現(xiàn)階段油田開發(fā)的企業(yè)除了使用自己的設(shè)計(jì)的或者是現(xiàn)場應(yīng)用的軟件之外，還有著非常多的工藝井軟件和鉆井軟件，能夠完成在鉆井或城中的軌道測量和扭矩分析、防碰監(jiān)測和計(jì)算參數(shù)以及控制調(diào)節(jié)等多方面的應(yīng)用，保證定向井的準(zhǔn)確性。

（3）定向井完井工藝技術(shù)

定向井在完工工藝中主要有三部分組成，分別是套管射孔完井、篩管完井、復(fù)合完井三種，一下進(jìn)行詳細(xì)說明：

1）套管射孔完井

套管射孔完井主要是針對(duì)復(fù)雜油層的區(qū)域，尤其是氣頂和薄油層、底油與鹽井及油水之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，導(dǎo)致出砂不是特別嚴(yán)重，在這樣的區(qū)域中由于后期需要進(jìn)行酸化技術(shù)或者是壓力技術(shù)，因此要適用套管射孔完井的技術(shù)，來保證出油量。

2）篩管完結(jié)技術(shù)

篩管完結(jié)技術(shù)也是定向井中常用的技術(shù)，通常采用的是管外封在機(jī)上篩管的方式，通過鉆頭的鉆進(jìn)，直接在定向井的隔油層進(jìn)行隔離，從而避免砂漿或者是其他的施工液體對(duì)油氣層污染，并且還能夠擴(kuò)充泄油的面積，增加開采量。篩管完結(jié)技術(shù)主要用在砂巖稠油的油氣藏中。

3）復(fù)合完井

復(fù)合完井工藝主要是通過了上述兩種完井技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，上半段為套管，下半段為篩管，實(shí)現(xiàn)了對(duì)尤其藏的封端開采。復(fù)合完井的第一步就是通過裸眼水平段進(jìn)行開采作業(yè)，如果開采效果不理想就采用復(fù)合鉆進(jìn)的方式進(jìn)行開采。

（4）現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

大北12一斜30井是勝利油田大北區(qū)塊一口定向井，定向點(diǎn)2460m，位于東營組底部，完鉆斜深3435m，斜井段長975m，設(shè)計(jì)最大井斜57.51度，從定向開始鉆具組合如下：

PDC鉆頭（型號(hào)P355M）+彎動(dòng)力鉆具（1.25度）+回壓閥+定向直接頭+無磁鉆慨+加重鉆桿（五柱）+普通鉆桿（?127.00mm）

定向結(jié)束后繼續(xù)使用該鉆具組合復(fù)合鉆鉆進(jìn)鉆壓3～4t，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速50r/min，復(fù)合鉆鉆時(shí)平均在4～5min/m左右，而在該地區(qū)使用常規(guī)鉆具鉆進(jìn)一般鉆時(shí)都在12～15min/m左右，這不僅加快了鉆井速度，而且還減少了起下鉆的次數(shù)。

通過在勝利油田大北區(qū)塊的大8-12-斜9井、大北12一斜28井、大北15-斜29井和大373一斜9井都使用上述鉆具組合并進(jìn)行復(fù)合鉆試驗(yàn)，效果都很好。因此，復(fù)合鉆頭的實(shí)際應(yīng)用效果是非常明顯的。

結(jié)束語：隨著定向井復(fù)合鉆頭理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合鉆頭的使用會(huì)不斷的提升定向井鉆井的準(zhǔn)確性和鉆井效率。由于地層各向異性的存在，導(dǎo)致了定向井鉆井中，容易產(chǎn)生井下鉆頭偏離預(yù)定軌跡的現(xiàn)象。因此，我們需要不斷的更新技術(shù)，以便更好的開展鉆井作業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊瑤；定向井復(fù)合鉆頭技術(shù)研究與現(xiàn)場應(yīng)用[D]；西南石油大學(xué)；2016年