新型自调节式PDC钻头

■ 申守庆 刘 莉

自从几十年前被首次引入到石油天然气钻井工业界以来，聚晶金刚石（PDC）钻头在发展过程中经历了无数次的技术改进，比如切削齿技术的飞速发展和抗回旋技术的成功应用等，但最近所出现的一种新型PDC钻头技术则是切削深度（DOC）控制技术。这种切削深度控制技术是于2000年以后被应用于PDC钻头上的，其目的是通过管理钻头的切削攻击能力从而有效降低井下扭转振动。然而，当今钻井工业界所面临的重大挑战之一是用单只钻头一次下井钻完地层岩性完全不同的各个井段，基于这种要求，固定式PDC钻头却始终不能完美地实现这一目标，根据固定式PDC钻头本身结构的固有特性，在钻井过程中不得不在某些井段中容忍一定的振动，或者在另一些井段中无法实现理想的机械钻速（ROP）。

而切削深度（DOC）控制技术却能够有效地提高钻井作业的稳定性以及钻井效率，这对其技术本身而言是一种重大的突破，但是，传统的切削深度控制元件是被固定化在钻头上某个固定的位置且通常也只适用于一种特定的岩石硬度，这样，随着钻井深度的增加，就可能会需要更换钻头，这也就增加了钻井过程中的浪费性非生产时间。

为了解决这一实际问题，美国贝克休斯公司技术人员开发出一种能够在钻井过程中自动调节切削深度的PDC钻头，这种钻头不但能够延缓钻头的损坏并提高综合机械钻速，同时还有利于自动钻井作业的发展并有望使用单只钻头一次性钻完各种难钻井段。

这种新型钻头技术的工作特点是通过使切削深度控制特征随时适应不断变化的钻井环境、最大程度地减少钻井过程中的粘/滑现象并有效提高机械钻速。其自动调节装置实际上是一种被封装在自带式套筒内的被动式液体力学反馈机构，装置套筒安装在钻头的刀翼中，见下图。

自动调节装置的基本工作原理是，切削深度控制元件安装在套筒上，套筒通过专门设计的基于钻进速度的收缩和快速扩展动作而对外部载荷产生反应，这样，只有在钻头出现有害振动时其切削深度控制功能才会被启动，而在正常的稳态钻井条件下该功能不会发生作用，从而能够实现快速和更为有效的钻井进程。

钻头可设计带有三个装置套筒，它们使切削深度控制机构与钻井液相互隔离，并具有压力和温度补偿能力。整个装置为精致小巧的可更换型模块设计，便于在钻头刀翼上的安装和拆卸。另外，该控制装置为故障安全型设计，套筒组件本身的失效不会使钻头失效，也不会对钻井进程造成严重的影响，钻头可以照样像标准的PDC钻头那样继续钻进。

如果遇到对钻井进程不利的情况，比如产生了会引起钻柱粘/滑现象的周期性切削深度波动、在夹层地层中切削深度发生突然变化、或因钻压变化而造成切削深度波动时，切削深度控制元件就会快速扩展与地层相互啮合并吸收部分钻压，从而以最快的速度达到使振动减小的目的。

相反，在正常稳态钻井中变换操作参数时，则切削深度控制元件会逐渐缩回，从而不会吸收钻压并使钻头能够以较大的切削深度向下钻进。如此，在较软的井段、在钻压受到限制的水平井段以及在以较高机械钻速为钻井目标的相似情况下钻井进程就会更快且效率更高。

自调节式PDC钻头在刚开始钻进时其切削深度控制元件处于伸展位置。在一口具有三种不同井段的井内，比如最上部的井段较软且不容易发生粘/滑现象，而下面两个井段的岩层则是不同的、容易发生粘/滑现象的岩性，则钻头的切削深度控制元件会针对每个井段的地层情况作出不同的响应。

在较软的顶部井段岩层中，切削深度控制元件会在几分钟以内逐渐缩回，直到其接触力达到一个较小的值后为止，此时，钻头就像一只标准的PDC钻头那样以一定的钻压（WOB）平稳地向下钻进，而切削深度控制元件则不与地层相啮合。在钻头钻到下面的地层后，如果切削深度控制元件开始快速波动，则整个调节机构就会快速伸展从而使切削深度控制元件与地层相啮合，阻止钻头上突发的内向运动，产生一个较大的接触力。

阻止切削深度加大的结果是能够防止粘/滑现象的发生，但是，如果无论如何都还是会发生粘/滑现象的话，则调节机构就会针对每个粘/滑周期进行具体的调节，直到这种粘/滑现象被消除或是其严重性得以有效减小后为止。

为了对这种新型自调节式PDC钻头的设计概念进行实用性验证，贝克休斯公司设计制造出一只83/4英寸的原型钻头并在实验室进行了围压钻井试验，在试验过程中，无论是在快速还是在慢速情况下钻头对切削深度变化的响应都很好；实验室试验成功后，又在美国俄克拉荷马州一个具有多种变化地层的井场对该钻头进行了现场试验，在试验中观察到，该钻头不但能够在钻进过程中有效的减小钻柱的粘/滑现象且同时还能提高钻井机械钻速。

由于这种新型自调节式钻头能够在多种地层中有效减小粘/滑现象，因而使钻头工作更加稳定，可以向钻头输送更大的功率，进而大幅提高了钻头的综合钻井性能。通过与固定式PDC钻头的对比试验发现，随着对钻井参数进行调节以便以较低的机械比能和更高的机械钻速实现更快和更为有效的钻井进程，在机械钻速超过每小时10.40米后，固定式PDC钻头便会发生严重的粘/滑现象，而这种新型自调节式PDC钻头在机械钻速达到每小时27.40米时却仍然没有发生粘/滑现象。

这种新型自调节式PDC钻头的调节机构中不含任何电子传感元件，因而成本不高但可靠性却更好。通过各种试验已经证实了这种新型钻头结构的发展潜力，这为在更为恶劣的钻井环境中对这种新型钻头进行现场试验奠定了牢固的基础，同时也向建造全套的自动钻井系统又迈进了一大步。