龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
影响PDC钻头在定向井中性能的原因分析
作者：徐建飞
来源：《价值工程》2012年第35期
摘要： 本文系统地研究了PDC钻头结构的设计理论及其特点，分析了影响PDC钻头在定向井中性能的因素，包括PDC钻头漂移的因素分析，地层各向异性对钻头定向性能影响等。用经验公式描述了PDC钻头的导向能力和漂移趋势，依据导向能力对IADC钻头剖面标准进行重新分类，并着重分析了保径特征参数对PDC钻头定向性能的影响。
Abstract： This paper systematically studies the structure of PDC bit design theory and its characteristics， analyzes the factors which affect PDC Bit's performance in directional wells， including the PDC bit walk factor analysis， effect of formations anisotropy on directional performance of the bit. Using the formula describes the steerability of the PDC bit and walk
tendency， to classify the IADC bit profile codes according to their steerability and analyzing effect of the gage characteristic parameters on directional performance. 关键词： 定向井；PDC钻头结构设计；导向能力；钻头偏移
Key words： directional well；directional PDC bit sructure design；steerability；bit walk 中图分类号：TE4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）35-0028-02 1 定向井PDC钻头研制的目的及意义
PDC钻头在砂岩和泥岩地层机械钻速高、钻头工作寿命长、耐高温能力强于牙轮钻头，同样适合定向井、水平井施工。现在PDC钻头已成为油气钻井的主力钻头。但在定向井作业中，常出现初始造斜困难、方位不稳、钻头偏移趋势增加、钻头进尺缓慢等现象。在影响PDC钻头定向钻进能力的因素中，其整体结构设计特点尤为关键。决定着定向造斜是否成功，稳斜阶段能否保持平稳钻进。
研究PDC钻头不同的结构参数对定向钻进的影响，找出影响PDC钻头定向钻进中不稳定的关键结构性因素，为定向井PDC钻头的设计提供一种依据，让PDC钻头在定向钻进中发挥出更大的优势，提高定向钻井速度，降低钻井成本是一项有待解决的问题。
PDC钻头的结构变化多，设计灵活性大，对地层和使用条件敏感性很强。因而，针对特定地层和使用条件进行设计是PDC钻头的一项关键技术。本文针对长庆油田鄂尔多斯盆地的地层特点，研究设计适合该地层的定向井PDC钻头。 2 影响PDC钻头在定向井中性能的原因分析
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
2.1 PDC钻头漂移的因素分析 在数十年的石油钻井中，已经发现钻头的偏转现象。牙轮钻头一般向右偏转，PDC钻头一般向左偏转。1986年，Perry[1]在泰国湾用五种类型的PDC钻头做了一个关于钻头漂移超过200组实验的系统分析，发现钻头的钻进趋势不但受到钻头切削剖面影响，还受到操作参数影响，例如钻压和转速。Perry得出结论，钻头钻进趋势不会受到钻头保径长度的影响。
钻头的偏移可能受到许多因素的影响。在给定的特定钻进条件下确定钻头的向左偏移还是向右便宜是非常困难的。在定向钻进中，仅仅了解钻头的偏移趋势是不够的，钻头偏移率尤其重要，它是钻头偏移力和钻头转向率作用的结果。正偏移速率代表钻头向右偏移，负移位速率代表钻头向左偏移。模拟上述不同情况下钻头偏移的机理需要完全理解在定向钻进中钻头/地层的相互作用。
钻头的定向行为主要受钻头的导向能力和漂移角度影响。对于定向要求设计的钻头必须要考虑到定向系统的应用。钻头的导向能力和钻头本身的能力相对应，依从于横向和轴向的力，初始进行横向的偏移。钻头的导向能力被定义为横向钻进能力和轴向钻进能力的比值。 在定向系统造斜控制中另外的重要因素是钻头的旋转轴线和井眼轨迹切线的夹角，主要是被定向系统控制的：包括旋转底部钻具组合，导向组合或定向系统。钻井系统的定向性能是一个钻头定向响应和定向系统力学性能（侧向力以及钻头偏移影响）的复杂的匹配，同时还有可能得岩石-地层影响（夹层岩石或页岩岩层）。
综上所述可以得出几个有意义的结论：①牙轮钻头一般向右偏转，PDC钻头一般向左偏转。②地层各向异性影响钻头钻进趋势。③保径长度或外部轮廓的长度对PDC钻头的钻进趋势有很大的影响，随着保径长度和外部剖面长度的增加，钻头在造斜时PDC钻头向左的偏移趋势增加。④钻头的导向能力和PDC钻头的漂移角的评估显得十分重要。⑤PDC钻头在过大的水平井中可能向右偏移。⑥综合应用钻头和岩石作用模型和BHA力学模型来解决问题效果良好。
2.2 地层各向异性因素分析 PDC钻头从软地层钻入硬地层，或从硬地层钻入软地层是形成井眼扭曲的主要成因。现场实践显示，井眼扭曲引发高扭矩和过大的拉力、下套管问题、扶正器磨损、套管破损以及轨道控制问题。在一些油田，泥质岩的形成导致井身向不符合要求的方向偏移。
现在通用的做法是将三维的BHA模型跟三维钻头—岩石作用模型结合，可在小范围（小扭曲度）和大范围（大扭曲度）内预测由于各向异性产生的扭曲度，评估各种定向钻井系统（旋转系统、导向马达、或者可旋转导向系统）的反应。
地层各向异性所产生的偏移分为两种情况。最初的偏移源于钻头和岩石的相互作用。试验和理论结果解释了保径长度、钻头剖面和倾角如何影响偏移。另一个偏移源于不同的扶正器穿过原有的扶正器位置时。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
扶正器的数量和位置、BHA特性以及钻头导向性对于这些偏移有很大的影响。一些钻井实例的显示，对于考虑地层各向异性在内的钻井条件而言，可以选择最佳钻井系统以降低井眼扭曲度。
地层各向异性能调整岩石和钻头及钻头和钻柱的相互作用，因此有必要研究地层各向异性对钻井系统定向特性的影响。PDC钻头在钻入页岩或者硬夹层时，偏移的首要原因是由于切削齿和钻头相互作用以及钻头和岩石相互作用。
PDC钻头在一块各向同性的岩石上钻进时，所有的切削齿都相似地切削相同的岩石，那么就不会产生一个侧向力，钻头本身的不平衡力除外。但当钻头从软地层钻入硬地层或者从硬地层钻入软地层时，在软硬分界面钻进过程中，一些齿切削硬地层而其他的切削软地层，就会导致一个侧向力的产生。图1描述了当钻头钻入软硬交错地层时的两种情况。在左图中，钻头正在造斜，冠部上的切削齿吃入坚硬地层，其他切削齿切削软地层，则钻头向左偏移。右图描述了钻头从硬地层向软地层中钻进，它可能向右偏移。
当PDC钻头遇到坚硬的碎石时，偏移情况就复杂的多了。坚硬的碎石可能随意的分布在地层中。下图显示当肩部切削齿冲击非常坚硬的岩石时，钻头可能向左偏移。但是如果是钻头的锥部切削齿冲击相同的岩石时，钻头可能的向右偏移。
钻头除了受岩石的各向异性产生的侧向力外，一般还受井筒上的侧向力。当钻头偏移的时候，井筒给钻头施加一个侧向力，以使钻头回到垂向的位置。只要钻头只是垂直地钻过软地层，井筒上就不可能产生一个侧向力，但是当它切削硬地层的时候，各向异性的侧向力就产生了，并使它偏移。大多情况表明，（同岩石层列无关，无论是从软到硬还是从硬到软），开始时钻头朝软地层偏移，而后向硬地层运动。
钻头在软地层中钻进，钻压保持相对恒定。然而，当钻头开始侵入硬地层中时（一些切削齿开始侵入），钻压增加且不居中并产生了一个弯矩使钻头朝向硬地层旋转。这个弯矩的作用是轻微抵消侧向力的作用的。一旦切削齿结构完全在硬地层中时，钻压就稳定和居中了。 侧向力和硬地层和软地层的地层倾角大小有关。当钻过一个高地层倾角的界面时，钻头在钻穿界面时停留的时间越长，越能产生更多侧向力力和偏移。
岩石的层序（软到硬或者硬到软）同样影响侧向力和偏移。从硬到软钻进中产生较少的影响和偏移。当钻头开始接触软地层的时候，保径仍然在硬地层中，难以产生偏移。
页岩岩石和夹层岩石对钻头影响不同的根源在于侧向力。对于夹层岩石，侧向力在局部产生，而对于页岩来说，只要钻头在岩石里，侧向力就一直产生。因此，钻头在页岩钻进时，便会产生一个更大范围的影响。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
现场资料表明[2]，用相同的BHA钟摆锤初始垂直钻进，稍后在井深60m的时候钻入页岩，地层倾角为45°。钻压5ton，钻头的特性为Bs=0.05，Wa=12°。当仅仅钻进100m的时候，井斜角急剧地增加到11°。
在页岩岩层中钻进时，同样会对BHA的曲率平衡产生影响。配套的钻头的特性如下：Bs=0.05，Wa=12°。BHA 的平衡曲率为-2.75°/30m（降斜）。在井深62m时， BHA在各向同性的地层中钻进突然遇到地层倾角是45°页岩层的井斜变化。BHA的平衡曲率从-2.75°/30m到1.°/30m。表明岩石的各向异性改变了定向系统的性能。
2.3 PDC钻头振动因素及提高稳定性措施 钻头的振动形式主要有回旋振动、扭转振动及轴向振动。钻头的回旋主要指钻头的瞬时旋转中心不再是钻头的几何中心，而是钻头的保径，这种现象称为涡动。钻头涡动时，由于它的瞬时旋转中心不断变化，切削齿可能横向甚至向后切削井底岩石，引起PDC钻头切削齿刃尖崩刃或者复合片成块状剥落，从而加快齿的磨损，缩短钻头的寿命。钻头产生涡动主要是有作用在钻头上的侧向力不平衡引起的。
影响钻头涡动的因素主要有以下几种：①钻头本身结构产生侧向力。外锥越长，保径越粗糙，则容易涡动。②地层的各向异性，例如钻头从软地层钻入硬地层或者从硬地层钻入软地层时受侧向力的作用，则容易涡动。③钻井参数的影响，如转速越高，越易涡动。
通过合理的布齿设计，可控制钻头侧向力的大小。设计低摩擦保径块减小钻头与井壁的接触力也能减轻钻头的涡动。引起钻头扭转振动的因素主要有两个：一个是切削齿切削岩石使钻具承受扭转力，另一个钻具和井壁之间有摩擦。当扭转力和摩擦力达到一定数值，钻头发生扭转振动。扭转振动时，钻头出现卡滑现象，导致钻头转速时大时小，甚至静止不动，或反向旋转。PDC切削齿承受很大的冲击载荷，加速了切削齿的磨损甚至引起金刚石层脱落。 轴向振动是钻头在轴线方向上上下振动，称为“跳钻”。轴向振动使切削齿的切深时大时小，能引起扭矩波动，使切削齿承受受冲击载荷。
目前来说，提高PDC钻头稳定性和切削效率的措施主要有以下几种：①不平坦的钻头冠部形状；②钻头冠部深内锥设计；③低摩阻保径设计；④轨径布齿设计；⑤力平衡设计；⑥螺旋状刀翼设计；⑦刀翼非均匀布置设计；⑧保径环结构设计；⑨大排屑槽结构设计；{10}低密度切削齿布置设计；{11} 混合切削结构设计。 参考文献：
[1]Perry C. Directional drilling with PDC bits in the Gulf of Thailand [J]. SPE15616.
[2]R.Boualleg. Effect of Formations Anisotropy on Directional Tendencies of Drilling Systems [J]. SPE98865.
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
[3]Gilmore T， Leonard R，Steinback S. Software， Fluids， and Downhole Tools for Successful Sand Cleanouts in Any Wellbore Geometry Using Small Coiled Tubing. SPE，97080， 2005.
