PDC鉆頭新進展（上）

1.錯排齒PDC鉆頭

在定向井鉆井過程中，由BHA側向力引起的過度振動容易引起鉆頭的切削齒損壞，進而降低ROP、定向控制能力和整個鉆井效率，增加鉆井作業成本。為了應對鉆柱振動引起的鉆頭失效，Ulterra 鉆井技術公司開發了CounterForce PDC鉆頭，采用切削齒成對錯排的布齒方式，每對切削齒采用相反的側向角度排列，這種排列方式能使鉆頭形成反作用力，減少鉆頭反扭矩、抑制振動、提高機械能利用效率和破巖效率。

在阿曼，作業者采用牙輪鉆頭鉆121/4in的表層井段時，BHA水平振動嚴重，機械鉆速較低。傳統PDC鉆頭在該井中也進行了多次試驗，由于產生的扭矩較大，根本無法控制。最后采用鉆頭參數為鋼制胎體、五刀翼、16mm切削齒的CounterForce PDC鉆頭——Ulterra U516S，機械鉆速達到57m/h，相比牙輪鉆頭機械鉆速30m/h來說，提高了90%。CounterForce PDC 鉆頭克服了鉆機條件的限制，使得PDC鉆頭能用在以往只能使用牙輪鉆頭的地層。

?2.第二代微芯PDC鉆頭

幾年前，Tercel公司開發了第一代微芯PDC鉆頭，其目的是在鉆井的同時取出小尺寸巖芯，用于地質評價。幾年后，Tercel公司發現微芯PDC鉆頭的布齒結構能夠顯著提高機械鉆速。最近，研發人員通過重新設計鉆頭結構、PDC切削齒和水力參數，同時優化了巖心腔的直徑和深度，研發了第二代微芯PDC鉆頭，其目的是提高機械鉆速。

第二代微芯PDC鉆頭減少了鉆頭中心部分的切削齒數量，增加了鉆頭面外圍的切削齒，位于取芯腔后部的切削齒剪斷獲取的地層巖芯，巖芯脫離鉆頭后，隨鉆井液從環空返回地面。

傳統PDC鉆頭大部分能量消耗在鉆頭中心部位，相比于鉆頭面外圍而言，鉆頭中心部位的巖屑排除速度慢，第二代微芯PDC鉆頭的設計優化了能量分布，提高了巖屑從鉆頭底部的排出速度。

2014年，在Eagle Ford頁巖氣區的一口水平井中使用第二代微芯PDC鉆頭一趟鉆完成造斜段和水平段，該井總測深4950m，造斜點深度2550m，造斜率10～14°/30m，水平段2100m，平均機械鉆速27.6m/h，鄰井造斜段和水平段的機械鉆速21.6m/h。

3.第二代復合鉆頭Kymera FSR

貝克休斯研發了第二代復合鉆頭Kymera FSR，結合了牙輪鉆頭和PDC鉆頭設計方面的優勢。相比2011年研發的主要應用于硬地層和軟硬交錯地層的第一代牙輪PDC復合鉆頭來說，第二代復合鉆頭針對軟地層和碳酸鹽巖地層設計，在碳酸鹽巖地層能提高性能50%～100%。

通過優化牙輪和PDC的切削結構，能滿足低鉆壓的同時達到比第一代復合鉆頭更高的機械鉆速。牙輪鉆頭的碳化鎢鑲齒能夠切削更加堅硬的巖石，PDC鉆頭清楚殘余的巖石，并高效清洗井眼。兩種切削結構的結合能夠更好地控制工具面，并保護刀翼，實現扭矩控制。鉆井過程中，鉆壓分布合理，工具效率更高，可以減輕定向井工程師在井眼軌跡調整方面的工作量。

Eagle Ford頁巖氣區，采用常規PDC鉆頭鉆井，扭矩波動較大，使得BHA偏離了鉆井軌道，導致至少需要2只鉆頭鉆曲線段。同時，高扭矩波動時，作業者使用低鉆壓，大大降低了機械鉆速。通過在三口井中采用第二代復合PDC鉆頭鉆曲線段，三口井的平均深度為3780m，曲線段平均236m，第一口井鉆時22h，平均機械鉆速10.8m/h；第二口井鉆時17小時，平均機械鉆速13.8m/h；第三口井的平均機械鉆速12.3m/h，復合鉆頭起出后，基本沒有磨損。而鄰井采用3只常規PDC鉆頭鉆曲線段，鉆時35h，平均機械鉆速7.11m/h；另一口采用常規PDC鉆頭鉆曲線段用2只PDC鉆頭，鉆時27.5h，平均機械鉆速9.66m/h。用第二代復合鉆頭單位進尺成本至少減少36%。

4.兩步切削結構鉆頭

針對硬地層、研磨性地層或軟硬交錯地層，哈里伯頓研發的Geo Tech 兩步切削結構PDC鉆頭，采用兩步切削齒結構設計，如圖1所示，與傳統PDC鉆頭相比，在鉆頭側面設計了鉆頭切削齒，以破碎更多巖石。部分刀翼上切削齒相對較少，而另外部分刀翼切削齒相對較多。鉆頭采用先進的切削齒材料，包括新的基質材料、粘合劑和更加耐磨的金剛石復合片，提高了鉆頭的熱力學性質。哈里伯頓公司同時推出了IBitS 3D 設計軟件新版本，對模型和運算法則進行了優化，與哈里伯頓的巖石破碎模型相結合，這些工具能更加真實地模擬地層和鉆頭的相互作用。

在北海海上一口井中，Geo Tech鉆頭鉆121/4in井眼段，鉆遇7種不同的地層。GeoTech GTD65D鉆頭鉆進2476m，平均機械鉆速27.9m/h，相比鄰近三口井的平均機械鉆速22.2m/h，節省了至少11h時間，鉆頭起出后，磨損較小。

文章來源于中國石化石油工程技術研究院戰略規劃研究所，版權歸原作者所有。

來自/石油工程科技動態

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