影响水平井PDC钻头性能的因素分析

不同的钻进方式对水平井PDC钻头的影响

　　当PDC钻头应用于水平井钻井时，完美的井眼轨迹通常需要旋转与滑动方式相结合的情况下获取。PDC钻头进行滑动钻井时，井中所用的钻柱是固定不变的，同时马达中的弯头则对着钻井设计所需的方位。当PDC钻头开始钻进时，产生一种使井里钻柱发生扭曲抗扭矩。井里钻柱实际上是很长的扭转缆索，因此，在PDC钻头的反扭矩的作用下会引起定向工具面方位的变化，使得工具面极不稳定。如果PDC钻头的反扭矩超过螺杆马达的转矩上限，螺杆马达将会减速直至停止工作。此时，PDC钻头将会离开井底，工具面的变化极其敏感，整个过程必须重复进行定向。这不仅降低了螺杆马达的使用寿命，造成不必要的多次起下钻，同时也使定向施工制变得特别困难和费时。如果设计一种个性化的PDC钻头可以比其它PDC钻头在实际使用过程中，使用更小的钻压，且可以在该钻压下有效钻入地层，那么这种个性化的PDC钻头将更适应于现场水平井钻井作业。因此，有必要设计出针对水平井钻井的个性化PDC钻头，可以对PDC钻头的冠部轮廓以及切削齿的后倾角和岩石相互之间的作用进行对比分析，研究出一种适合的设计方法。

　　振动对水平井PDC钻头的影响

　　钻井过程中钻头的振动有三种表现形式：回旋振动、轴向振动和扭转振动，其中对于水平井中PDC钻头的性能影响因素最大的分别是扭转振动和回旋振动。钻进过程中的振动会导致PDC钻头的性能不能达到最佳效果，具体表现为效率不佳及稳定性比较差，而这种稳定性能不佳的PDC钻头在钻进的过程中会对井壁稳定性产生严重的影响。在这种振动的情况下，会使得PDC钻头上的扭矩变化很大，当滑动钻进时，从而使工具面控制变得极为困难。因此，必须加强钻头的稳定性，减小振动影响，提高钻头工作效率。

　　1 回旋振动

　　回旋主要指PDC钻头在钻井时候的瞬时旋转中心不再是钻头几何中心，而是钻头保径。当PDC钻头钻进过程中产生回旋时，PDC钻头原始设计的几何中心使PDC钻头的旋转中心失效，于是，在这种情况下PDC钻头的几何结构、切削齿的布局就变得不再合理。因为，PDC钻头的瞬时旋转中心不断变化，所以钻头上切削齿的工作状态被钻头的回旋运动所改变了，一般情况下，钻头切削齿的运动状态有三种情况：正向运动、侧向运动以及反向运动；在以上这三种运动状况下，PDC钻头的每个切削齿上都承受着巨大的冲击载荷。只有当PDC钻头发生正向回旋运动时，这时候由于PDC钻头瞬时旋转中心距原井眼中心比较近，多数PDC切削齿的运动状态和受力状态属于正常，危害相对比较小。影响PDC钻头产生回旋运动的主要因素有以下三种：

　　（1）PDC钻头本身结构的缺陷，这种缺陷促使钻头产生横向运动，这种因素都能增加钻头回旋的侧向力。PDC钻头钻井时候切削的不平衡力愈大，它的外锥愈长，保径部位越加粗糙，则会很容易的发生回旋。

　　（2）岩石的性质，由于在软地层中钻进速度本身相对较快，从而会没有足够的时间使得井径扩大，因此，PDC钻头不容易发生回旋。与此相反，由于一些原因，比如说钻遇较硬的地层，钻头的机械钻速就变得较慢。在这种情况下钻头就容易产生回旋。

　　（3）实际操作中操作参数的影响，钻井时候的转速越高，离心力就会越大，PDC钻头也越加易发生回旋或连续回旋。因为在这种情况下相对不平衡力增大，使PDC钻头在钻压越小情况下越易产生回旋。

　　2 扭转振动

　　PDC钻头在钻进的过程中会发生扭转振动，在这种情况下会发生卡滑现象，造成PDC钻头转速时快时慢，甚至停止钻动，或反向旋转，导致在PDC钻头水平井中工具面根本无法按照设计控制，定向也就无法进行下去。而且由于PDC钻头切削齿承受巨大的冲击载荷，这容易使得切削齿磨损速度加速，甚至会导致金刚石复合片的脱落。尤其是在PDC钻头发生反向旋转时更容易造成PDC的金刚石复合片的碎裂或失效导致脱落。当PDC钻头或井中钻具在钻进过程中产生扭转振动时，很容易导致钻具疲劳从而损坏，导致钻具落井。

　　经过试验研究证明，PDC钻头在切削齿遍布密度大、钻头磨钝程度较大、地层可钻性差、泥饼摩擦系数较大、遇水易膨胀，破碎的地层、高钻压低转速之类情况下，PDC钻头容易产生扭转振动现象。PDC钻头切削齿遍布密度大，要想取得相同速度的机械钻速，就必须加大钻压。这样就增大了钻头与切削齿及切削齿和岩石之间的相互摩擦力，摩擦力的增大使得扭转振动发生；遇水易膨胀，破碎的地层或泥饼摩擦系数大，也会加大其与井壁之间的相互摩擦力，所以容易引起扭转振动。PDC钻头的固有特征是随着机械钻速的增大扭矩会变小，如果PDC钻头已经变钝，这种现象会更加的明显。在钻遇较硬的地层的时候，PDC钻头的岩层破碎方式为剪切，这时候井底的岩屑会随着钻井液排出迅速井底；而如果PDC钻头已经磨钝它的破碎方式为挤压破岩，这时候的岩屑就不易清除，造成扭矩增大。若岩屑清除的速度加快，扭矩就会变小。这就是说，引起扭知随转速增大而减小的根本原因是井底岩屑清除的不及时。说明磨钝了的PDC钻头在低转速条件下容易造成扭转振动。

　　综上所述，如果要想提高PDC钻头在水平井中的钻进效果，以及钻井效率，就必须要减小PDC钻头本身的回旋和扭转因素。

　　3.切削齿工作角度对水平井钻头性能的影响

　　PDC钻头的破岩效率和工作性能与PDC钻头切削齿的工作角度（即切削齿在工作状态下的实际切削角度）存在密切关系，对PDC钻头性能分析具有重要的意义。切削齿的工作角度具体地指后倾角和侧倾角，他们两个是与切削状态密切相关的切削角度。

　　由于工作角度的不同，PDC钻头的切削齿与岩石作用过程中，即使是相同的钻头在不同的工作环境中也会表现出很大的性能差距，尤其是在水平井钻井过程中，切削齿与岩石作用还存在接触压力，通过减少PDC钻头吃入量来增强工具面控制。这种观点是，如果能避免因马达停止工作或工具面重新设置所耽误的时间，则损失的是瞬时钻速，而纯钻速将会增加。

　　对于造斜率以及井眼的质量，通常认为是，为了加快造斜速度，必须增加切削齿的侵入性特征，一般是减少切削齿的保径长度，用以提高这种侧向切削的能力。但是，导向涡轮大量的前期经验证明了，长保径的钻头，则至少能以8度/100英尺的造斜率进行造斜，于是为了解决这种矛盾的存在，必须进行细致研究保径长度、侧切削侵入性及钻头的导向性能之间的匹配关系。

　　结论

　　钻速的提高是衡量PDC钻头的一个非常关键的指标，具体表现为在一定的时间内钻进的速度，包括调整工具面所用的时间，以及在井底马达失效后更换以及调整到稳定的定向工具面所需要的时间，综合上述因素，以及可导向井底马达组合的性能特征，“水平井PDC钻头”应该具有下列特点：（1）尽管钻压显示值有误差，但必须使工具面的波动最小；（2）在特定的钻具组合情况下，保持合理的狗腿度（DLS）；（3）选择一个优良的井眼，可以在滑动和旋转方式中相互转换。