PDC鉆頭保徑特征對(duì)定向性能的影響

PDC鉆頭保徑特征對(duì)定向性能的影響PDC鉆頭的導(dǎo)向能力是由鉆頭剖面、保徑齒和保徑塊共同決定的。對(duì)于每一個(gè)IADC鉆頭剖面標(biāo)準(zhǔn)，鉆頭的導(dǎo)向性和漂移趨勢(shì)可以通過一些經(jīng)驗(yàn)方程來確定，這些方程僅僅與切削剖面的高度和長(zhǎng)度有關(guān)?，F(xiàn)在人們逐漸認(rèn)識(shí)到PDC鉆頭的保徑對(duì)其導(dǎo)向能力影響更大?，F(xiàn)在越來越多利用保徑長(zhǎng)度和保徑齒特性來提高鉆頭導(dǎo)向性。鉆頭導(dǎo)向性的定義鉆頭的導(dǎo)向性（Bs）是當(dāng)鉆頭受到橫向和軸向力時(shí)產(chǎn)生橫向位移的能力，可以用橫向和軸向鉆進(jìn)能力的比值來表示：BS—lat-Dax ⑴橫向鉆進(jìn)能力Dlat是鉆頭在橫向力作用下每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的橫向位移，軸向鉆進(jìn)能力Dax是鉆頭在鉆壓作用下每旋轉(zhuǎn)一周的軸向鉆進(jìn)位移。對(duì)大多數(shù)PDC鉆頭來說,BS數(shù)值通常介于0.001-0.1之間，與切削形狀、保徑齒和保徑塊的特性有關(guān)。導(dǎo)向性越高的鉆頭，它的橫向偏移趨勢(shì)越強(qiáng)，可獲得最大的造斜率或降斜率。在定向井作業(yè)中，PDC鉆頭除了應(yīng)具備一定的穩(wěn)定性和耐用性要求，鉆頭必須要對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生的側(cè)向力能夠恰當(dāng)、迅速的作出反應(yīng)，以便進(jìn)行造斜。因此，鉆頭的導(dǎo)向性應(yīng)該與導(dǎo)向系統(tǒng)相一致。鉆頭的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮這三部分與地層的相互作用一一切削結(jié)構(gòu)（主要是切削剖面和后傾角），主動(dòng)保徑（保徑齒或保徑齒），被動(dòng)保徑（一般叫做保徑塊）。PDC切削結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向性主要依賴于鉆頭剖面；鉆頭越平，導(dǎo)向性越強(qiáng)。Barton[l進(jìn)行了大量不同鉆頭剖面的數(shù)值模擬，計(jì)算各向異性指數(shù)（相當(dāng)于Bs）。作者觀察到隨著錐形長(zhǎng)度的降低，導(dǎo)向性增加，平鉆頭剖面產(chǎn)生高的各向異性指數(shù)。鉆頭的導(dǎo)向性不僅與鉆頭剖面有關(guān)，而且與保徑特性（保徑齒和保徑塊）關(guān)系更大。有研究⑵發(fā)現(xiàn)在鉆頭施加側(cè)向力。發(fā)現(xiàn)保徑塊（全保徑）消耗了84%的側(cè)向力，相比而言，鉆頭剖面（切削結(jié)構(gòu)）只消耗了少量的側(cè)向力。

圖1定向井PDC鉆頭各部位消耗的側(cè)向力圖1定向井PDC鉆頭各部位消耗的側(cè)向力0.30%15.70%84%口被動(dòng)保徑口主動(dòng)保徑口鉆頭剖面FigiThelateralforceconsumedbyeachpartofthePDCbitindirectionaldrilling保徑特性對(duì)其導(dǎo)向性的影響主動(dòng)保徑由PDC鉆頭的直徑位置上的削平部分構(gòu)成，形成了切削結(jié)構(gòu)和被動(dòng)保徑之間的過渡區(qū)。圖2主動(dòng)保徑Fig2Descriptionoftheactivegage大部分鉆頭上的保徑齒預(yù)先磨平，并與巖石有兩個(gè)接觸面，切削面和摩擦面。全圓柱PDC切削齒能減少井眼的摩擦面，因此增加側(cè)向切削能力，但產(chǎn)生的反扭矩較大。主動(dòng)保徑的側(cè)向切削能力很大程度上依賴切削過程的整個(gè)摩擦面。摩擦面越大（大量保徑齒）,鉆頭導(dǎo)向性越差。原因是在鉆頭發(fā)生側(cè)向侵入之前，一部分側(cè)向力要克服摩擦力。被動(dòng)保徑（圖3）有許多設(shè)計(jì)特征。被動(dòng)保徑的主要特性是長(zhǎng)度，Lpg；環(huán)形覆蓋，CPG（取

決于保徑塊的數(shù)量和螺旋角）；表面粗糙度（光滑保徑塊，例如低摩擦或是易吃入地層保徑塊，取決于碳化物或金剛石的嵌入類型）；保徑直徑，'fG（全保徑或尺寸不足）。所有這些參數(shù)確 S 定井眼中的摩擦面積，jpg。這個(gè)摩擦面通過室內(nèi)定向鉆井架進(jìn)行測(cè)定，在一定的鉆壓和側(cè)向力作用下，使用全尺寸鉆頭鉆進(jìn)巖樣進(jìn)行試驗(yàn)。此面積與保徑長(zhǎng)度有關(guān)：(2)Sjpg=kLPG(2)式中，k是和周向覆蓋系數(shù)，?PG；保徑塊的數(shù)量；保徑直徑，'PG；表面粗糙度相關(guān)的。圖3被動(dòng)保徑（保徑塊）Fig3Descriptionofthepassivegage（gagepad）一般認(rèn)為，保徑長(zhǎng)度是選擇PDC鉆頭的關(guān)鍵因素，也是有爭(zhēng)議的因素。長(zhǎng)度該如何選擇。一般認(rèn)為長(zhǎng)保徑不利于井眼造斜，短保徑和主動(dòng)保徑（1.5寸以下）更利于產(chǎn)生側(cè)向切削。這些短保徑設(shè)計(jì)將產(chǎn)生質(zhì)量較差井眼，表現(xiàn)在：不規(guī)則、臺(tái)階和螺旋井眼。相反地，長(zhǎng)保徑設(shè)計(jì)因?yàn)樘岣吡朔€(wěn)定性，從而可以防止井眼螺旋和鉆頭回旋，從而鉆出高質(zhì)量的井眼，但不利于側(cè)向切削。然而，最近研究發(fā)現(xiàn)：通過合理設(shè)置扶正器位置、彎角、發(fā)動(dòng)機(jī)距離，甚至在導(dǎo)向性BHA中使用長(zhǎng)保徑鉆頭，都能夠獲得好的導(dǎo)向性，而且指引鉆頭式系統(tǒng)一般使用加長(zhǎng)保徑鉆頭。-1)完整鉆頭的導(dǎo)向性公式如下［3-1)1 D2-1tan(①+0)(、1C2+]&+即2(也*七)(C+G)2+(G-C)2+四S2網(wǎng)+S2P)(1+tan20)4 兀2 /S從公式（3）可以看出：保徑塊越長(zhǎng)（更大的摩擦面積，jpg），鉆頭導(dǎo)向性越差。保徑塊 S 產(chǎn)生的摩擦降低了導(dǎo)向性。如果保徑縮短，隨著和井眼摩擦面/PG的急劇減小，導(dǎo)向性增加。保徑的各項(xiàng)特性對(duì)定向性能優(yōu)化的影響在定向鉆井中，技術(shù)和實(shí)踐上要求鉆進(jìn)的穩(wěn)定性，鉆速，導(dǎo)向性，耐用性和井眼質(zhì)量的最優(yōu)化。井底鉆具組合和鉆頭的發(fā)展必須輔助優(yōu)化這一過程。保徑的設(shè)計(jì)和配置直接影響著鉆頭地穩(wěn)定性、導(dǎo)向性和井眼的質(zhì)量。關(guān)于保徑設(shè)計(jì)對(duì)PDC鉆頭性能的影響，尤其是對(duì)在定向鉆井中的影響，爭(zhēng)議由來已久。包括許多因素，如保徑長(zhǎng)度的定義都沒有統(tǒng)一。在多數(shù)情況下保徑長(zhǎng)度和被動(dòng)保徑長(zhǎng)度被當(dāng)做一回事，但是它們是不同的設(shè)計(jì)參數(shù)。(1)保徑長(zhǎng)度GL保徑塊長(zhǎng)度即被動(dòng)保徑長(zhǎng)度(Lpg):從鉆頭剖面的最后一個(gè)保徑切削齒開始測(cè)量，被定義成超過這個(gè)點(diǎn)，在鉆頭直徑位置上，并遠(yuǎn)離鉆頭頂部的部分。保徑齒長(zhǎng)度即主動(dòng)保徑長(zhǎng)度(Lag):從鉆頭剖面的最后一個(gè)保徑切削齒并朝著鉆頭頂部方向開始測(cè)量，保徑齒長(zhǎng)度被定義成在鉆頭直徑上構(gòu)成PDC鉆頭切削齒的部分。保徑長(zhǎng)度(GL)：保徑的長(zhǎng)度是保徑塊長(zhǎng)度和保徑齒長(zhǎng)度之和。GLLg+*g (4)上面的定義說明了保徑塊長(zhǎng)度和保徑長(zhǎng)度的區(qū)別。分布在鉆頭主動(dòng)保徑上的切削齒確保了鉆成全保徑尺寸的井眼。當(dāng)其他參數(shù)確定時(shí)，包括主動(dòng)保徑，保徑塊長(zhǎng)度對(duì)性能優(yōu)化的影響如下：增加保徑塊的長(zhǎng)度可以提高鉆頭的側(cè)向穩(wěn)定性。在鉆進(jìn)過程中，初始時(shí)刻鉆頭面部的橫向偏移趨勢(shì)是會(huì)因?yàn)殂@頭總體硬度的增加而減小的。在硬地層中鉆頭橫向如果沒有好的穩(wěn)定性(切削結(jié)構(gòu)不合理)那渦動(dòng)趨勢(shì)就會(huì)很明顯。.增加保徑塊長(zhǎng)度會(huì)提高扭矩，尤其在定向井中。這是因?yàn)樵黾恿算@頭和地層在保徑處的接觸面積。但是，值得注意的時(shí)扭矩的增加并不意味著鉆頭不穩(wěn)定。實(shí)際上，扭矩穩(wěn)定表明鉆頭穩(wěn)定。扭矩增加會(huì)使鉆頭更容易產(chǎn)生粘滑卡鉆，尤其是在低轉(zhuǎn)速和鉆頭側(cè)向不平衡情況下(切削結(jié)構(gòu)不合理)。增加保徑塊長(zhǎng)度會(huì)提高鉆頭的強(qiáng)度，這將提高鉆頭的抗壓性。4） 增加保徑塊長(zhǎng)度會(huì)降低鉆頭的導(dǎo)向性。5） 增加保徑塊長(zhǎng)度會(huì)降低橫向偏移，提高穩(wěn)定性，從而提高井眼的質(zhì)量。6） 增加保徑塊長(zhǎng)度會(huì)使巖屑到環(huán)空的距離增加。由于距離的增大，流體速度和攜巖能力減弱。流場(chǎng)中停滯和回旋的區(qū)域就是可能是因?yàn)檫@造成的。（2）保徑塊寬度（GPW）圖4保徑塊的寬度Fig4Differentgaugepadwidths當(dāng)其他參數(shù)固定的時(shí)候（包括被動(dòng)保徑長(zhǎng)度），保徑塊寬度對(duì)性能優(yōu)化的作用如下：1） 強(qiáng)度和長(zhǎng)度有關(guān)，但是不受寬度的影響。因此，增加保徑塊寬度不能提高鉆頭在橫向的穩(wěn)定性。2） 在鉆進(jìn)過程中，側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，增大保徑塊寬度使接觸面積增加，從而減少保徑的受力。由于增加的接觸面積，鉆頭的旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)和產(chǎn)生的回旋運(yùn)動(dòng)也會(huì)減弱。3） 增大保徑塊寬度就增加了接觸面積，就會(huì)增加鉆頭的扭矩。盡管如此扭矩就會(huì)變得更加穩(wěn)定，也就意味著降低了鉆頭對(duì)扭矩干擾的敏感性。4） 增大保徑塊寬度并不能提高強(qiáng)度，因此它對(duì)鉆頭支撐抗壓性沒影響。5） 從強(qiáng)度的角度看，增大保徑塊寬度對(duì)鉆頭的導(dǎo)向能力沒有影響。但是，扭矩增加和保徑受力的減少會(huì)增強(qiáng)工具面上的運(yùn)動(dòng)和控制。6） 增大保徑塊寬度不能對(duì)鉆頭的橫向穩(wěn)定性和鉆頭的支撐穩(wěn)定有作用，因而不能提高井眼的質(zhì)量。7） 增加保徑塊的寬度會(huì)減小排屑區(qū)域，然而由于橫截面面積的減少會(huì)提高流速，同樣也會(huì)對(duì)巖屑排除造成障礙。根據(jù)巖石學(xué)和鉆速，這個(gè)方法可能會(huì)產(chǎn)生泥包。（3）保徑配置在定向井作業(yè)中，PDC鉆頭保徑區(qū)域需要具備以下作用：有效地側(cè)向切削，適當(dāng)?shù)谋筋A(yù)留，穩(wěn)定性的加強(qiáng)。在以前認(rèn)為鉆頭保徑是用來保持井眼直徑的，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，全在鉆頭的保徑。一個(gè)真正的保徑井眼對(duì)于鉆井和完井的全面成功至關(guān)重要。從鉆頭工作性能的角度看，穩(wěn)定性會(huì)加強(qiáng)定向系統(tǒng)和PDC鉆頭的匹配性。另外也會(huì)提高鉆頭的使用壽命，鉆速，定向系統(tǒng)壽命和其他井底工具的功效。無論是在保持模式還是導(dǎo)向模式，主動(dòng)保徑和被動(dòng)保徑必修要能夠輔助性能優(yōu)化過程，必須保證作業(yè)的有效性。上面主要集中討論了保徑的設(shè)計(jì)參數(shù)還有他們的優(yōu)勢(shì)和弊端，使保徑的設(shè)計(jì)和不同定向井作業(yè)相配合，并期望對(duì)性能優(yōu)化進(jìn)行最優(yōu)化，這需要通盤考慮不同的參數(shù)。從性能優(yōu)化最優(yōu)化的角度看，很明顯的主動(dòng)保徑和被動(dòng)的保徑的組合才達(dá)到最優(yōu)的效果效果。針對(duì)定向井水平井專門設(shè)計(jì)了一種特殊的保徑配置，也就是被稱為“主動(dòng)一被動(dòng)”的組合。嵌入的金剛石復(fù)合片和側(cè)切削齒按照一定幾何規(guī)則布置在保徑上（圖5）。這種方法優(yōu)化了主動(dòng)和被動(dòng)保徑的配置。當(dāng)不同的“主動(dòng)一被動(dòng)”配置在一個(gè)軸向平面上旋轉(zhuǎn)地時(shí)候，沿著保徑塊布置的主動(dòng)保徑齒能夠確保軸向的全部覆蓋。嵌入的金剛石復(fù)合片覆蓋了大多相同的區(qū)域，確保了有效保徑的特點(diǎn)。圖5定向井PDC鉆頭特殊保徑的設(shè)計(jì)Fig5Thespe