复合式钻头在非均质地层中的优异表现

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【摘要】本文探讨复合式钻头通过避免由地层转换所引起的起下钻可以将总钻进时间维持在一个更高的水平上，为了迎接含大量夹层的非均质性地层所带来的挑战，新颖的复合式钻头及自动钻井系统被使用。

【关键词】PDC钻头 牙轮钻头 复合式钻头 非均质地层

本文讨论的地层的地质特征：主要由轻质砂岩层构成，并含有塑性页岩夹层和粉砂岩夹层。由于该地层砂岩的岩石颗粒粒径介于细粒和粗之间，因此其硬度变化范围也很大。岩石强度大幅变化使得岩石界面的情况更为复杂。

1 复合式钻头及钻井设备

由于非均质性地层含大量夹层以及岩石强度差异较大，所以该地区常用的牙轮钻头机械钻速往往较低，且钻穿此地层所需的钻头数量也比较多。对应于上述地质条件，该地区报废的钻头基本上都表现出严重的切削结构损毁，这往往在由软地层过度到硬地层时的较大冲击造成。同时也可以观察到典型的由向前和向后涡动造成的偏心旋转损毁，这个问题也需要重点考虑。并且这些偏心旋转损毁也可以被某些底部钻具和钻头稳定器放大。由于地层倾斜，在钻非均质性地层时常常需要井下马达和弯外壳定向支座来保证井眼轨迹。

图1 非均质性地区常用报废牙轮钻头照片1.1 自动化定向井钻井设备

以钻直井和小角度定向井（井斜角上限为30°，全角变化率约为30°/30m）为设计宗旨的非转盘钻三维定向井钻井系统在过去常常被用于防斜和保证钻头的稳定工作状态。该设备主要由性能良好的井下马达和拥有先进转向技术的井下结构组成。本次钻进使用的自动化定向井钻井设备只在直井使用，主要组成：转向稳定器、井下马达段、控制短节和脉冲短节（如图2）。采用该设备后并不需要随钻测量系统，从而降低了总成本。该设备在定向井和直井中都不需要钻柱的旋转就可以得到理想的井眼轨道。井下马达提供了钻头的扭矩和转速。由于无需钻柱旋转，因此这使得底部钻具组合、钻柱、套管的磨损最小化；减弱了井眼的变形；降低了钻柱脱扣的风险；避免了井壁带来的机械磨损；底部的转向稳定器采用了支撑在井壁上的三个肋状结构来确保井眼垂直或完成增斜/降斜、增加/降低方位角的操作；依赖近钻头倾斜指示表的肋状结构能够确保井眼轨道的垂直。如果近钻头倾斜指示表探测到井眼正在偏离铅垂线，三个肋状结构就会进行调整，来对钻头前进方向进行纠正使其重新回到铅垂线上。因此该设备很适合在高倾角和断层地层中使用。常规钻井设备在这些地层中则需要大量的时间来调整钻头的前进方向（图2）。

1.2 复合式钻头技术

在非均质地层中使用的复合钻头由牙轮钻头和PDC有机结合而成，其设计宗旨是集牙轮钻头和固定切削刃钻头的优点于一身。PDC钻头的主要优势在于：高机械钻速、高破岩效率（主要以剪切破岩为主）、低扭矩。复合式钻头的设计基础是六切削刃PDC钻头，其中的副切削刃由截短的牙轮取代。复合式钻头由三个镶齿牙轮、三个带有16mm耐冲击的PDC切削刃、为保护钻头肩部和保证切削元件密度的辅助保径部分组成。

井眼中心部分主要由原有的PDC切削齿进行切削，而难于切削的井眼边缘部分则由PDC钻头的突出部分和其它三个牙轮上的切削元件共同完成破岩。复合式钻头主要用于含夹层地层，在这类地层中钻头粘滑是一个严重的问题。与PDC钻头相比，复合式钻头体现出低扭矩、最小化的扭矩振荡、对工具面的良好控制等优势。复合式钻头在美国为主的众多地区应用，并在各种不同岩性的地层（如砂岩、页岩、燧石、花岗质砂岩等中取得了成功）。分别在转盘变向系统、井下马达、转盘钻组合钻井设备下，完成直井和水平井中100次运行、35000m进尺后，人们认为复合式钻头能够迎接非均质地层中地层带来的挑战。

2 复合式钻头的运行简况

复合钻头以5.85m/hr的平均机械钻速完成了在含砂岩和页岩夹层地层中362m（2138-2500m）的钻进，起钻的原因是进入了下套深度。钻砂岩的机械钻速高于钻页岩时的机械钻速。机械钻速的变化范围为3―8.5ft/hr。在钻进的大部分时间里，钻压高于33klb，钻头转速为110转/分、泵排量为700gal/min。自动化定向井钻井设备运行的整个过程中，即使在进入过渡带时，扭矩的摆动也很少发生。而且复合式钻头对工具面的控制和稳定在整个过程中也是完美的。复合式钻头结构中的牙轮和PDC切削齿在完成本次钻进后仍保持完好无缺。钻头并未受到损毁和自动化定向井钻井设备的稳定压差表明：复合式钻头在钻穿整个过渡带时运行稳定。与相同状态下的PDC和牙轮钻头相比，复合式钻头的机械钻速在钻穿不同地层时变化不大。3 结论

复合式钻头在非均质地层中使用收获了令人满意的稳定性和机械钻速、良好的防斜能力。为此人们也有理由期待，复合式钻头也将适用于那些牙轮和PDC钻头无法使用的夹层更多的地层。同时人们也计划将复合式钻头引入内陆以更一步的体现出其价值并推广应用。

参考文献[1] 张辉，高德利. 钻头选型通用方法研究[J].石油大学学报（自然科学版），2005，6

[2] 汪志明，孙清德，于军泉，王镇全.超高压双流道PDC钻头破岩机制研究[J].岩石力学与工程学，2007.04