1概述
随着老油田勘探开发的需要, 为了尽可能的提高采收率, 节约开发成本, 定向井、水平井等特殊工艺井持续增多。面对超薄油气藏, 分块小油气藏等, 定向井的技术优势就显现出来。
PDC钻头与原来采用的牙轮钻头相比, 由于破岩机理, 铸造材料及设计方便的不同, 在机械钻速和耐磨性上, PDC钻头有着巨大的优势, 很多井队都愿意采用PDC钻头。但是油田定向井持续增多, 很多井队在使用PDC钻头施工时, 都会出现工具面不稳定, 造斜困难等现象, 机械钻速降低, 严重影响着施工进度。牙轮钻头虽然造斜容易, 工具面比较稳定, 但是由于钻头寿命较短, 施工70多个小时就要担心井下安全, 不得不起钻更换钻头, 也影响着施工速度。
因此, 目前国内外都在研究适合定向施工的PDC钻头, 满足日益增多的定向井施工的需要。
2 PDC钻头在定向井施工中影响因素分析
PDC钻头的破岩机理是切削式, 加上PDC本身设计特点, 岩石的各向异性, 定向井的钻进方式, 钻头的振动, 钻井的相关参数等的影响, 都会对PDC在定向施工中的性能产生影响。
2.1 PDC结构特点
PDC是以切削齿对岩石的破坏来实现钻进的。岩石究竟以哪种形式被破坏, 与切削齿的后倾角有密切的关系。PDC在定向井施工中饱受诟病的原因就是工具面的不稳定, 有人提出通过增加钻头切削齿的后倾角, 达到降低钻头对岩石的侵入程度, 实现对工具面稳定性的控制, 从而达到想要的机械钻速。
2.2岩石的各向异性。
地层的复杂性是难以预计的, 特别是一些深井超深井。当钻进从硬地层进入软地层, 或者从软地层进入硬地层时, 都会对PDC钻头产生一定的侧向力。原因是, 当钻头在各向同性的岩层里钻进时, 各切削齿破坏同样岩性的地层, 这时就不会有侧向力产生;而一部分切削齿切削软地层而当一部分切削硬地层时, 这时侧向力产生, 导致钻头偏移。
2.3定向井的钻进方式
钻进方式分为转盘转动的旋转钻进和依靠马达的滑动钻进。在传统的定向钻进中, 也就是我们通常所说的滑动钻进中, 钻柱是不旋转的, 钻头连接上马达的弯接头上钻进, 实现工具面的稳定。而转盘转动钻进, 允许钻出直井眼。随着井斜角和位移的增加, 钻柱上的摩擦阻力增大, 钻压不能有效的全部加到钻头上, 尤其是在滑动钻进时, 由于磨阻的增加, 时常造成脱压。因为转动转盘钻进时, 钻柱运动是切线方式, 磨阻产生的扭矩, 用于产生钻柱的旋转。而滑动钻进, 磨阻全部加在钻头上, 随着磨阻的不断变化, 钻头上的钻压也时大时小, 由于PDC切削式的破岩方式, 就容易造成钻头的剧烈震动, 从而使得工具面非常难控制。
2.4钻井相关参数影响
钻井相关参数包括钻压, 排量, 机械钻速, 外部剖面长度等。钻压是钻井行业中最常用的词汇, 在钻井中是十分重要的。钻压增加时, 在一般常见地层钻进中, 都会增加井斜, 同时随着钻压的逐渐增加, 井斜也随之增加;同时随着钻压的增大, 钻头的方位力接近消失, 有利于维持方位的稳定。钻进过程中, 排量越大, 井底的破岩速度就会增加, 井底钻井液的携岩能力也会增强, 井底清洁度会变好, 有利于减少钻头的振动和侧向偏移。国外研究表明PDC钻头在钻进过程中容易左漂移, 其中PDC钻头的外部剖面长度越长, 漂移趋势越明显。
3定向施工中PDC钻头的发展趋势
定向井日趋增多, 而PDC钻头有着提速耐用的核心优势, 但是在定向井施工中, 工具面不稳影响机械钻速。未来的发展趋势就是要向在保证机械钻速的同时, 通过改变钻头的结构, 能够减少钻头振动和发生侧向偏移的可能, 达到工具面稳定的目的。
3.1改变原有锥形设计, 换成平坦冠部轮廓
实际施工中, PDC冠部锥度越高, 钻头受到的侧向力就越大, 越容易发生横向偏移。可以将锥形部分设计改成平坦的轮廓, 减少侧向力的出现, 防止横向偏移的发生。
3.2改变刀翼形状和布置形式
PDC的破岩机理就是切削式, 切削齿普遍分布在刀翼上, 这种分布虽然在一定程度上能够保持切削岩石的高效, 但是容易受到侧向力的干扰, 给工具面的稳定性带来不利影响。可以将刀翼设计成螺旋式, 这样就减少了钻头发生回旋的可能。
3.3改变切削齿的布置方式
采用轨径布齿, 就是在钻头半径上布置数量不均的切削齿, 减少同心圆环之间切削齿重叠的几率, 这样可以使PDC钻头在井底形成不平滑的轮廓, 减少偏移情况的发生。
现在常用的PDC钻头的布齿密度较大, 在较大的钻压下, 井底的钻具组合容易发生扭曲变形。采用小密度的布齿, 配上小钻压, 一样可以达到期望的机械钻速, 又有助于减少钻头振动, 保持井下钻具的安全。
4结语
PDC钻头在定向井施工中广泛应用, 取得了良好的效果。 虽然在使用过程中存在工具面不稳影响施工进度的情况, 但是随着PDC钻头理论的革新和技术的发展, 相信PDC钻头能不断的提升定向井的施工效率。
摘要：随着国家油气资源勘探开发的深入, 很多油田都进入开发的中后期, 为了提高采收率, 定向井越来越多。PDC钻头凭借钻头寿命长, 机械钻速高, 耐高温等优势, 广泛应用于钻井行业。但是PDC钻头在用于定向井施工中, 出现了造斜困难, 工具面不稳等现象, 严重影响了机械钻速和井深轨迹。
关键词：定向井,PDC,钻速,工具面,趋势
参考文献
[1] 定向井PDC钻头的发展趋势。孙金潮, 刘海洋, 宋永芳。中国化工贸易, 2014.5.
[2] 影响PDC钻头在定向井中性能的原因分析。徐建飞。价值工程, 2012.2.
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