旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向PDC鉆頭結(jié)構(gòu)研究初探

1、編號：論文題目：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)研究初探單 位： 產(chǎn)品所作者姓名： 張建平編寫時(shí)間： 二五年三月二十五日二00五年一月編制旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)研究初探張建平摘要 本文簡要介紹了目前世界上比較成功應(yīng)用的三種典型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)AutoTrak RCLS、PowerDriver、Goe-Pilot，對其導(dǎo)向原理和工作模式進(jìn)行了深入分析，并在此根底上得出了在推靠鉆頭式和指向鉆頭式這兩種導(dǎo)向模式下PDC鉆頭的受力和運(yùn)動特點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)分析提出了適應(yīng)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的PDC鉆頭應(yīng)具有的力平衡、淺內(nèi)錐短輪廓、連續(xù)遞增后傾角、過載保護(hù)齒以及低扭矩保徑等結(jié)構(gòu)。特別是在對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)兩種導(dǎo)向方式推靠

2、鉆頭式和指向鉆頭式進(jìn)行充分研究后提出了一種新的保徑結(jié)構(gòu)選擇性低扭矩側(cè)切保徑結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞 PDC鉆頭 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng) 圖11、MWD，2、井下計(jì)算機(jī)，3、近鉆頭井斜傳感器，4、偏心穩(wěn)定器，5、PDC鉆頭，6、壓力測量短節(jié)，7、LWD，8、儲層導(dǎo)向短節(jié)旋轉(zhuǎn)自動導(dǎo)向閉環(huán)鉆井技術(shù)是20世紀(jì)90年代開展起來的一項(xiàng)尖端自動化鉆井技術(shù)，它代表了當(dāng)今世界上鉆井技術(shù)的最高水平，這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)使世界鉆井技術(shù)發(fā)生了一次質(zhì)的飛躍。采用這種導(dǎo)向系統(tǒng)完全拋開了傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)向方式，而代以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)方式，可以自動、靈活地調(diào)整井斜和方位，大大提高了鉆井速度和鉆井平安性，軌跡控制精度也非常高，完全適合目前開發(fā)特殊油藏的超深井、高

3、難定向井、水平井、大位移井等特殊工藝井導(dǎo)向鉆井的需要。但是，目前國內(nèi)外對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的研究根本上都是專注于該系統(tǒng)本身，而對適用于該系統(tǒng)的PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)的研究比較少。本文試圖在對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理、運(yùn)動模式進(jìn)行研究分析的根底上對適用于這一系統(tǒng)的PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步探討。1、典型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)概述目前，國際上已經(jīng)商業(yè)化且比較成熟的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要有Baker Hughes Integ公司的AutoTrak RCLS系統(tǒng)、Halliburton下屬子公司Sperry-Sun的Geo-Pilot系統(tǒng)、Schlumberger公司的PowerDrive系統(tǒng)。國內(nèi)石油大學(xué)、西安石油大學(xué)、上海大

4、學(xué)等院校也在開展這方面的研究并取得了一定的科研成果。1.1、AuotTrak RCLS系統(tǒng)圖2Baker Hughes Integ公司對AutoTrak RCLS系統(tǒng)的研究開始于1993年，RCLS是“Rotary Closed-Loop Drilling System的縮寫，意即“旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1996年研制成功并于該年正式推向市場，其總體結(jié)構(gòu)見圖1。自下而上，在PDC鉆頭之上是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的本體由近鉆頭井斜傳感器、偏心穩(wěn)定器和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、井下計(jì)算機(jī)組成，這些設(shè)備時(shí)裝置于不旋轉(zhuǎn)外套上的，其上部連接隨鉆測量MWD總成可以進(jìn)行方位角、傾斜角、振動測量以及提供與地面系統(tǒng)的通信，鉆柱

5、穩(wěn)定器、儲層導(dǎo)向短節(jié)地質(zhì)參數(shù)測量短節(jié)、LWD提供中子孔隙度和密度巖性測井、壓力測量短節(jié)。圖2是AutoTrak RCLS的工作原理圖。由圖上可以看到，當(dāng)周向均布的三個(gè)支撐活塞分別以不同液壓力支撐于井壁時(shí)，將使不旋轉(zhuǎn)外套不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)井壁的反作用力將對井下偏置導(dǎo)向工具產(chǎn)生一個(gè)偏置合力。通過控制三個(gè)支撐活塞的支出力大小可以控制偏置力的大小和方向，從而控制導(dǎo)向鉆井。在導(dǎo)向工具下井前，其井下計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)置了井眼軌跡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和假設(shè)干控制指令。當(dāng)導(dǎo)向工具在井底工作時(shí)，近鉆頭傳感器測量井斜、方位并與井底計(jì)算機(jī)內(nèi)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，假設(shè)其偏差超過規(guī)定范圍那么井底計(jì)算機(jī)就會發(fā)出控制指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)控制動作

6、，使偏心穩(wěn)定器的三個(gè)活塞進(jìn)行調(diào)整伸縮，造成工具本體上的一個(gè)偏置力見圖2從而使前端的鉆頭得到足夠的側(cè)向力來進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)，這樣就完成了“井下閉環(huán)控制。同時(shí)，MWD將近鉆頭傳感器的輸出參數(shù)轉(zhuǎn)換為鉆井液脈沖信號傳至地面，地面處理系統(tǒng)將這些參數(shù)與原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，如果偏差較大，那么地面控制系統(tǒng)就通過MWD向井下計(jì)算機(jī)發(fā)出校正指令，從而又完成了井下地面井下的閉環(huán)控制。圖3由以上分析可知，AutoTrak RCLS的導(dǎo)向方式是一種推靠鉆頭式見圖3，也就是說在有一個(gè)遠(yuǎn)鉆頭支點(diǎn)的情況下，在盡量靠近鉆頭的位置由偏置機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的偏置力，在接觸井壁后靠井壁的反作用力使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削力，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。同時(shí)，該系統(tǒng)

7、的偏置活塞的運(yùn)動按照“力工作模式進(jìn)行，即偏置機(jī)構(gòu)在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的作用下，能夠根據(jù)導(dǎo)向需要產(chǎn)生的恒定的偏置力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏置。對導(dǎo)向系統(tǒng)的控制是控制該偏置力的大小，而不考慮該偏置力產(chǎn)生的位移，并且該偏置力只是根據(jù)導(dǎo)向需要進(jìn)行調(diào)整，而不隨位移的變化而改變。這種導(dǎo)向方式的特點(diǎn)是鉆頭的側(cè)向力大，造斜率高，但旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆出的井眼狗腿大、軌跡波動大、不平滑。圖4 PowerDriver系統(tǒng)1.2、PowerDriver系統(tǒng)PowerDriver系統(tǒng)圖4由英國Camoco公司于1994年研制成功，1999年Camoco公司與Schlumberger公司旗下的Anadrill公司合并，于是PowerDriver也被S

8、chlumberger收入囊中。2000年，該公司將PowerDriver系統(tǒng)引入中國，在設(shè)計(jì)井深8800米，水平位移超過7500米的南海西江油田XJ24-3-A18井的68718610井段中成功應(yīng)用。PowerDriver也采用了偏心穩(wěn)定器和井下閉環(huán)控制方式，其工作原理與AuotTrak相同，也是在“力工作模式下利用支撐活塞的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，屬于推靠鉆頭式工作方式。PowerDriver系統(tǒng)由控制單元穩(wěn)定平臺和活塞運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)組成?？刂茊卧€(wěn)定平臺內(nèi)部包括測量傳感器、井下計(jì)算機(jī)和控制電路，通過上下軸承懸掛在外套內(nèi)，靠控制兩端的渦輪在鉆井液中的轉(zhuǎn)速使該局部形成一個(gè)不隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的的、相對穩(wěn)定的控

9、制平臺。與AutoTrak RCLS系統(tǒng)靠獨(dú)立的液壓系統(tǒng)為支撐活塞提供動力來源不同的是，PowerDriver系統(tǒng)的支撐活塞的支出動力來自于鉆井過程中自然存在的鉆柱內(nèi)外的鉆井液壓差。其具體工作原理可見參考文獻(xiàn)1。1.3、Geo-Pilot系統(tǒng)圖6圖5Geo-Pilot系統(tǒng)圖5是Halliburton公司下屬的Sperry-Sun公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。這是一種和AutoTrak、PowerDriver工作原理和結(jié)構(gòu)形式有較大區(qū)別的一種旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，其主要特征是下部驅(qū)動主軸可在殼體內(nèi)偏轉(zhuǎn)一定角度，相當(dāng)于形成一個(gè)可調(diào)彎角，從而為鉆頭提供了一個(gè)與井眼軸線不一致的傾角，產(chǎn)生導(dǎo)向作用。其偏置機(jī)構(gòu)是一套由

10、幾個(gè)可控制的偏心圓環(huán)組合形成的偏心機(jī)構(gòu)，當(dāng)井下自動控制系統(tǒng)完成組合后，該機(jī)構(gòu)將相對于不旋轉(zhuǎn)外套固定，從而將旋轉(zhuǎn)心軸始終向固定方向偏置，為鉆頭提供一個(gè)方向固定的傾角見圖6。圖7Geo-Pilot的偏置方式是“指向鉆頭式見圖7，即在有一個(gè)近鉆頭支點(diǎn)的情況下，在離鉆頭較遠(yuǎn)的位置使偏移機(jī)構(gòu)根據(jù)“位移工作方式產(chǎn)生偏置，并最終使鉆頭產(chǎn)生一個(gè)相對于井眼軸線的傾角實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。所謂“位移工作方式是指偏置機(jī)構(gòu)在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的作用下，能夠根據(jù)導(dǎo)向需要產(chǎn)生固定的偏置位移，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏置。該偏置位移只是根據(jù)導(dǎo)向需要進(jìn)行調(diào)整，而不考慮所需要的偏置力的大小，當(dāng)工具系統(tǒng)在直井眼內(nèi)開始導(dǎo)向時(shí)，該偏置位移可能首先是通過彎曲驅(qū)動心軸實(shí)現(xiàn)

11、的，而當(dāng)工具系統(tǒng)完全進(jìn)入彎曲井眼后，該偏置位移那么主要是通過指向鉆頭實(shí)現(xiàn)。2、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方式對PDC鉆頭受力和運(yùn)動的影響根據(jù)以上介紹，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的導(dǎo)向方式分為兩種：推靠鉆頭式和指向鉆頭式。這兩種導(dǎo)向方式對鉆頭受力的影響不同的。2.1、推靠鉆頭導(dǎo)向方式當(dāng)采用推靠鉆頭導(dǎo)向方式時(shí)，鉆頭的受力和運(yùn)動有如下特點(diǎn)：、推靠鉆頭導(dǎo)向方式是以力工作模式工作的，導(dǎo)向工具根據(jù)井眼設(shè)計(jì)要求來調(diào)整偏置力的大小和方向，將鉆頭推向所需方向的井壁，通過鉆頭的側(cè)向切削來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，因此，這種在導(dǎo)向方式下鉆頭所受的側(cè)向力較大，保徑、外排齒容易損壞。、由于力工作模式下系統(tǒng)不考慮位移的大小，因此有可能將鉆頭的排屑槽局部頂?shù)骄谏?，而隨

12、后的切削刀翼被憋在井壁上造成憋鉆。2.1.3、由于遠(yuǎn)鉆頭支點(diǎn)的存在，在鉆頭被推向井壁后本身的傾斜很小，鉆頭的保徑段大局部會接觸井壁，從而影響鉆頭的造斜能力。2.1.4、當(dāng)鉆頭被推向井壁時(shí)，由于工作區(qū)域位于一有限的圓弧段內(nèi)，各刀翼不是同時(shí)接觸井壁參與切削，而只有少數(shù)刀翼同時(shí)參與切削工作，當(dāng)未參與切削的刀翼進(jìn)入工作區(qū)域時(shí)必然產(chǎn)生較大的沖擊，由此產(chǎn)生的側(cè)向振動對鉆頭的壽命有較大影響。、由于在該模式下工作時(shí)鉆頭側(cè)面大局部被偏置機(jī)構(gòu)頂在井壁上，造成其所受的側(cè)向摩阻較大，由此其所受的反向扭矩也較大，從而增大了鉆頭的扭矩。2.1.6、由于PDC鉆頭在工作時(shí)必然會產(chǎn)生或大或小的側(cè)向不平衡力，而在鉆頭切削齒保持

13、一定新度的情況下，該力的方向相對于鉆頭根本固定在某一確定區(qū)域內(nèi)，當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致該力方向與導(dǎo)向工具偏置力方向相反時(shí)必然會減小偏置力的作用而減弱鉆頭的側(cè)向切削能力，當(dāng)該力方向與偏置力方向一致時(shí)又會增強(qiáng)偏置力的作用而增強(qiáng)鉆頭的側(cè)向切削能力，從而導(dǎo)致偏置力作用的周期性波動對系統(tǒng)控制造成不利影響。2.2、指向鉆頭導(dǎo)向方式、指向鉆頭導(dǎo)向方式是在位移工作模式在工作的，導(dǎo)向工具根據(jù)井身設(shè)計(jì)需要在遠(yuǎn)離近鉆頭支點(diǎn)處由偏置機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)偏置位移，使鉆頭與井眼軸線發(fā)生相對傾斜，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。因此，相對于推靠鉆頭方式來說，鉆頭所受的側(cè)向力較小，由于鉆頭偏斜至預(yù)定方向，導(dǎo)向時(shí)能夠以主切削齒局部工作，對鉆頭的損害較小。但

14、在導(dǎo)向初期，冠部刀翼也可能出現(xiàn)局部切削的現(xiàn)象，因此對其冠部的磨損較為嚴(yán)重。、由于在位移模式下工作控制系統(tǒng)不考慮偏置力的大小，因此有可能在導(dǎo)向初期由于井底沒有足夠的偏移量，導(dǎo)致偏置機(jī)構(gòu)強(qiáng)制位移造成鉆頭冠部受到強(qiáng)烈的擠壓作用而早期損壞。2.2.3、在指向鉆頭導(dǎo)向方式下工作的鉆頭主要靠其冠部切削能力來完成導(dǎo)向，為了保持穩(wěn)定性需要降低鉆頭的側(cè)向切削能力以及較長的非攻擊性保徑段。、導(dǎo)向系統(tǒng)對鉆頭的側(cè)向擠壓作用相對于推靠鉆頭式系統(tǒng)較小，因此相對于推靠式系統(tǒng)來說，鉆頭的摩阻和扭矩都較小。2.2.5、PDC鉆頭上所受的不平衡力對系統(tǒng)的影響類似于推靠鉆頭導(dǎo)向方式。3、適應(yīng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)根據(jù)以上

15、分析，適應(yīng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)用的PDC鉆頭應(yīng)具備如下特征：3.1、力平衡設(shè)計(jì)如前所述，PDC鉆頭在井地工作時(shí)所受的不平衡力會對導(dǎo)向系統(tǒng)的偏置力產(chǎn)生干擾作用，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮鉆頭的力平衡特性，將不平衡力盡量減小，比方將其控制在鉆壓值的0.5%左右，同時(shí)應(yīng)將徑向力與周向力比值控制在1.11.3，以減小周向力產(chǎn)生的鉆頭反扭矩見參考文獻(xiàn)5。3.2、淺內(nèi)錐短冠部輪廓由于在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向時(shí)PDC鉆頭需要在導(dǎo)向系統(tǒng)控制下在井底靈活轉(zhuǎn)向，較深的內(nèi)錐和較長的冠部輪廓會限制鉆頭的“機(jī)動能力，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用150°的淺內(nèi)錐，冠部輪廓可以采用短拋物線形以獲得足夠的布齒密度。3.3、連續(xù)遞增后傾角鉆頭內(nèi)錐局部

16、采用較小后傾角如15°以增強(qiáng)對地層的攻擊性，從鼻部切削齒開始后傾角以一較小數(shù)值如2°連續(xù)遞增直至外排最后一個(gè)齒。采用連續(xù)遞增后傾角設(shè)計(jì)可以減輕鉆頭切削齒受力曲線和功率曲線的波動，延長切削齒的壽命，同時(shí)可以減小鉆頭的扭矩波動。3.4、過載保護(hù)齒在每個(gè)刀翼上與該刀翼第一顆保徑齒相鄰的主切削齒后布置一顆過載保護(hù)齒，這種齒可以是比主切削齒小的PDC復(fù)合片，也可以是牙輪鉆頭用的硬質(zhì)合金齒。其出露高度應(yīng)小于鉆頭每轉(zhuǎn)進(jìn)尺的有效切入深度，有效切入深度的計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)6。采用過載保護(hù)齒的目的是防止導(dǎo)向系統(tǒng)在導(dǎo)向初期對鉆頭進(jìn)行強(qiáng)制偏移時(shí)使外排齒受到過強(qiáng)的擠壓載荷而損壞，其較低的出露高度保證

17、了其在鉆頭正常鉆進(jìn)時(shí)不影響機(jī)械鉆速。3.5、選擇性低扭矩側(cè)切保徑圖8這是筆者在對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)兩種導(dǎo)向方式推靠鉆頭式和指向鉆頭式進(jìn)行充分研究后提出的一種新的保徑結(jié)構(gòu)圖8。這種保徑結(jié)構(gòu)將保徑墊分成“主動保徑和“被動保徑兩種，主動保徑上鑲裝具有刮削井壁功能的切削齒，被動保徑上鑲裝沒有切削功能的耐磨硬質(zhì)合金塊或采用焊接的方法在其外表敷焊耐磨硬質(zhì)合金材料，主、被動保徑間隔布置。這種結(jié)構(gòu)由于保徑墊與井壁的接觸面積小，因此降低了旋轉(zhuǎn)摩阻，從而減小了鉆頭的扭矩。采用這種結(jié)構(gòu)的鉆頭在采用推靠式導(dǎo)向方式時(shí)由于保徑墊局部也有一定的側(cè)向切削能力，所以可以提供更好的導(dǎo)向能力。而當(dāng)其應(yīng)用于指向式導(dǎo)向方式時(shí)，由于這種系統(tǒng)對

18、鉆頭施加的側(cè)向偏置力要小于推靠式系統(tǒng)，所以主動保徑墊對井壁的側(cè)切作用較小，又由于其具有較長的保徑墊，故能夠提供在指向方式下導(dǎo)向所必需的鉆頭穩(wěn)定性。4、結(jié)論本文在對典型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)向原理和工作模式進(jìn)行深入分析的根底上得出了在推靠鉆頭式和指向鉆頭式這兩種導(dǎo)向模式下PDC鉆頭的受力和運(yùn)動特點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)分析提出了適應(yīng)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的PDC鉆頭應(yīng)具有的力平衡、淺內(nèi)錐短輪廓、連續(xù)遞增后傾角、過載保護(hù)齒以及低扭矩保徑等結(jié)構(gòu)。特別是在對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)兩種導(dǎo)向方式推靠鉆頭式和指向鉆頭式進(jìn)行充分研究后提出了一種新的保徑結(jié)構(gòu)選擇性低扭矩側(cè)切保徑結(jié)構(gòu)。由于目前可商業(yè)化應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)都是國外廠商生產(chǎn)，國內(nèi)對其引進(jìn)的時(shí)間較晚，應(yīng)用也大多在海洋鉆井中，陸上鉆井鮮有關(guān)于這方面的報(bào)道，因此其應(yīng)用范圍就國內(nèi)來說還是比較窄的。但是隨著該技術(shù)的不斷開展，國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)對這種系統(tǒng)的研究也取得了不少成果，相信在未來不長的時(shí)間內(nèi)國產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)必然會推向市場從而擴(kuò)大該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。因此，此時(shí)開展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)適用的PDC鉆頭的先期研究是具有一定的前瞻性意義的。參考文獻(xiàn)1、?旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井系統(tǒng)?，