思娜，鄧輝，李婧，皮光林

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

貝克休斯自適應(yīng)PDC鉆頭

思娜，鄧輝，李婧，皮光林

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

為了給我國鉆頭技術(shù)的研發(fā)提供借鑒和思路，研究了貝克休斯公司自適應(yīng)鉆頭技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀和試驗成果。自適應(yīng)鉆頭是針對鉆頭引起的黏滑問題提出的一種創(chuàng)新技術(shù)，能隨著鉆進環(huán)境變化自動調(diào)整鉆頭切削深度，通過切削深度控制裝置抵消部分沖擊，避免鉆齒過度咬入地層，從而提高鉆進效率，降低鉆井成本。文中分析研究了鉆頭黏滑振動及自適應(yīng)DOC控制概念，并詳細介紹了自適應(yīng)鉆頭結(jié)構(gòu)。實驗研究及油田測試結(jié)果表明，自適應(yīng)鉆頭為有效消除黏滑、降低鉆井成本提供了一種可行的新思路和新方法。

自適應(yīng)；PDC；鉆頭；貝克休斯；DOC

1 自適應(yīng)PDC鉆頭的引入

鉆井過程中，鉆頭需要鉆穿不同地層。當?shù)貙訋r性發(fā)生變化時，鉆進速度ROP（Rate of Penetration）會隨之變化，容易引起鉆頭的黏滑振動，甚至引起鉆頭和井下BHA（Bottom Hole Assembly）組件的失效，導(dǎo)致由于井底復(fù)雜事故造成的鉆井成本增加和效率降低。通常，ROP主要通過控制鉆壓WOB（Weight on Bit）和旋轉(zhuǎn)速度RPM（Revolutions Per Minute）來實現(xiàn)，即分別通過大鉤載荷、鉆柱旋轉(zhuǎn)，或者控制井底馬達轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，但這些控制手段對于井底鉆頭都具有一定的滯后性。

隨著PDC鉆頭技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，為了避免在較低鉆壓和較高轉(zhuǎn)速范圍條件下引起的鉆頭回旋破壞，逐漸趨于采用較高的鉆壓和較低的轉(zhuǎn)速相結(jié)合的參數(shù)組合來提高鉆進性能。但是這樣，卻難以避免在較高的WOB和較低的RPM下引起的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，進而造成黏滑振動（見圖1）。DOC（Depth of Cut）控制技術(shù)自21世紀初引入后，可以有效消除鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動，成為PDC技術(shù)發(fā)展史上一個里程碑。然而，這一技術(shù)在擴大了PDC鉆頭應(yīng)用范圍的同時，在一些情況下也限制了鉆頭的切削能力。

2016年，貝克休斯公司引入了自適應(yīng)PDC鉆頭。該鉆頭可以隨著持續(xù)變化的鉆井環(huán)境自動調(diào)節(jié)DOC特性，在提高ROP的情況下緩減黏滑振動，克服了固定齒傳統(tǒng)DOC控制技術(shù)的局限，不需要固定的切削深度控制預(yù)設(shè)計?？烧{(diào)節(jié)的DOC控制單元收縮性能避免牙齒與地層的過度嚙合，從而防止鉆頭過早失效，以及引起B(yǎng)HA部件毀壞和扭斷的可能性，且能在維持較高ROP的前提下，擴大鉆頭穩(wěn)定操作區(qū)域［1-3］。

圖1 典型的PDC鉆頭動態(tài)失效示意

2 自適應(yīng)DOC控制概念

早在20世紀80年代，國外的研究人員就發(fā)現(xiàn)了鉆柱的黏滑現(xiàn)象，并對其進行了較為深入的研究，也有了較為成熟的成果。2007年，Jaggi等通過油田案例研究，首先提出較小的切削深度可以減弱鉆頭的黏滑振動；2010年，Ledgerwood等提出黏滑是引起鉆頭破壞的重要原因；2011年，貝克休斯公司的J.R.Jain等針對鉆頭設(shè)計對黏滑的影響進行了研究，證明鉆頭設(shè)計對鉆井系統(tǒng)的黏滑影響非常大［4-6］。

2.1 鉆頭黏滑振動

鉆頭黏滑振動表現(xiàn)為交替出現(xiàn)黏滯與滑脫：黏滯階段，鉆頭停止轉(zhuǎn)動，鉆柱在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動下繼續(xù)扭轉(zhuǎn)，當鉆柱扭轉(zhuǎn)積蓄的能量足以破碎巖層時，黏滯的鉆頭滑脫；滑脫階段，鉆柱所積蓄的能量瞬間釋放，鉆頭在正/反方向突然加/減速，鉆頭角速度數(shù)倍于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速（見圖2，其中ω0為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，ω為鉆頭轉(zhuǎn)速）。

圖2 鉆頭黏滑振動示意

對于PDC鉆頭，在地層巖性突然變化的情況下，黏滑振動對鉆進的影響主要有：鉆頭磨損增大，滑脫階段鉆頭高速運動對鉆頭沖擊大，加速鉆頭失效；使得用于破巖的能量比例減小，消耗井口驅(qū)動裝置能量；黏滑振動及引起的其他振動現(xiàn)象加快了下部鉆具疲勞失效；降低鉆進連續(xù)性及井身質(zhì)量，增加純鉆進時間及起下鉆次數(shù)，降低鉆進效率。

監(jiān)測是基礎(chǔ)。當前對井下黏滑振動的監(jiān)測主要有2種：一是通過測量井口參數(shù)——如轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與扭矩等數(shù)據(jù)——進行黏滑振動監(jiān)測；二是通過測量鉆頭或近鉆頭處的參數(shù)監(jiān)測黏滑振動，這些數(shù)據(jù)通常是由隨鉆測量設(shè)備測得。降低黏滑振動的方法主要有2種：一是改變鉆井參數(shù)，如降低WOB或者增加RPM，從而避開非穩(wěn)定操作區(qū)域。但是，降低WOB需要犧牲ROP和鉆進效率，加之，增加RPM會增加造成更多回旋破壞的可能等。二是采用減振工具［7-9］。

2.2 自適應(yīng)DOC控制

DOC通常被定義為在一次旋轉(zhuǎn)中鉆齒咬入地層的軸向距離?？刂艱OC能消除鉆頭黏滑振動，形成高質(zhì)量光滑井眼，避免切削齒過早失效，延長鉆頭使用壽命。鉆頭切削深度控制DOCC（Depth of Cut Control）技術(shù)在引入之初是為了減震，而隨著固定齒PDC鉆頭的發(fā)展，面臨著用單一鉆頭完成一口井不同井段鉆進（同時滿足在一些井段需要消除黏滑而在一些井段則要求高鉆速的要求）的挑戰(zhàn)，因此，合理的應(yīng)用DOCC技術(shù)優(yōu)化鉆頭鉆進性能，成為各大公司關(guān)注的焦點。

標準PDC鉆頭不能控制地層的切削深度，在高速波動的RPM或者WOB下，經(jīng)常會造成高的黏滑振動。DOCC鉆頭限制了鉆齒的咬入深度，在給定DOC下用部分鉆齒來接觸地層，可以通過刀翼或者是在刀翼上的不同數(shù)量、位置和高度的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計來有效控制鉆頭DOC［3］（見圖3）。

圖3 DOC控制墊片與切削齒的位置關(guān)系

在沒有任何前期數(shù)據(jù)可借鑒的情況下，2014年貝克休斯的Schwefe等在3口調(diào)研井中對比了不同鉆頭設(shè)計對有效消除黏滑和改進鉆進性能的影響，證明了DOC控制技術(shù)能成功減弱甚至消除黏滑的產(chǎn)生。同時發(fā)現(xiàn)，切削深度控制較小時，不能有效消除黏滑，而切削深度控制過大時，雖然可以有效消除黏滑，卻降低了鉆進效率；所以，需要精確的DOC控制設(shè)計來實現(xiàn)鉆進效果的最優(yōu)化［10］。2015年貝克休斯公司針對黏滑問題本質(zhì)，提出了自適應(yīng)DOC控制概念，它可以動態(tài)調(diào)整PDC鉆頭的DOC控制特性，在改進ROP的同時，消除由于DOC快速變化引起的黏滑振動。

為了更好地理解該創(chuàng)新概念，假想一口井有3個不同地層（見圖4）：上部較軟地層A不會造成黏滑；下部2種不同巖性地層B和C，對于鉆頭會造成2種不同黏滑。理想情況下，希望在應(yīng)用同一個鉆頭鉆進過程中，能在地層A不限制ROP的同時，且能消除地層B和C造成的黏滑。雖然目前固定齒PDC鉆頭已經(jīng)可以通過優(yōu)化設(shè)計消除目標地層鉆進時的黏滑，但是不能在消除黏滑的同時最大化不同井段的ROP。為了解決該問題，提出了自適應(yīng)DOC控制鉆頭的概念。它通過自動緩沖應(yīng)力模塊，鉆進上部軟地層A時，逐漸回縮處于伸展狀態(tài)的控制裝置（伸展狀態(tài)相當于固定DOC控制裝置），逐步加快鉆進速度；而在底部B，C地層中該模塊可以通過應(yīng)力緩沖減緩地層突變造成的DOC突然增加，逐漸抵消黏滑振動，避免鉆頭失效［2］。

圖4 自適應(yīng)DOC控制概念的假想井示意

3 自適應(yīng)鉆頭結(jié)構(gòu)

目前，貝克休斯公司J.R.Jain等申請并公開了4項自適應(yīng)鉆頭技術(shù)相關(guān)的專利［1，11-13］。

該自適應(yīng)鉆頭體內(nèi)有特殊的可伸縮DOC控制裝置。該DOC控制裝置通過設(shè)計的速度敏感模塊伸縮來響應(yīng)外部載荷的變化。在正常的穩(wěn)定鉆進過程中，該模塊從伸展狀態(tài)逐漸回縮，在很短的時間內(nèi)達到最大DOC，從而高速鉆進。在突發(fā)波動情況下，該裝置在響應(yīng)快速降低的WOB時，DOC控制裝置向外伸展，在WOB突然增加時，用于抵制突然的DOC增加，緩減振動破壞。圖5為φ215.9 mm自適應(yīng)PDC鉆頭原型，含有3個可替換的自適應(yīng)DOC控制裝置，通過封裝筒隔離鉆井液，且能方便的從鉆頭刀翼上裝卸。

圖5 φ215.9 mm自適應(yīng)PDC鉆頭原型

該DOC控制裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。它可以鑲嵌在鉆頭冠部、內(nèi)部流道、外表面處（見圖7）［1，3，12-14］。

圖6 DOC控制裝置結(jié)構(gòu)示意

圖7 DOC控制裝置的安裝部位

該裝置流體腔內(nèi)部的液壓流體特性需適合井下作業(yè)，如液壓油等。活塞Ⅰ將該流體腔分成腔Ⅰ和腔Ⅱ，在腔Ⅰ中含有1個偏置裝置。流道Ⅰ和相應(yīng)的單向閥Ⅰ允許流體以速度v1從腔Ⅱ流入腔Ⅰ；反之，流道Ⅱ和單向閥Ⅱ允許流體以速度v2從腔Ⅰ流入腔Ⅱ。當然，流道也可以設(shè)置在活塞Ⅰ內(nèi)，而且流道可以通過預(yù)設(shè)計控制流體流速?；钊衽c壓力傳遞裝置相連接，通過活塞Ⅱ?qū)毫鬟f給推靠塊，推靠塊可以直接作為切削齒，也可以與切削齒相連接（見圖6a）。

簡單來說，就是在壓力瞬時變化過程中，流體腔Ⅰ中流體的流動速度，決定了活塞Ⅰ的恒定伸縮速度，通過機械連接的應(yīng)力傳遞裝置將該伸縮傳遞給推靠塊，從而實現(xiàn)壓力緩沖作用［3］。

當然，這樣的速度控制裝置也可以同時實現(xiàn)多個推靠塊的應(yīng)力傳遞，如圖6b所示［1，3，12-14］。不同的是，在同時實現(xiàn)多個推靠塊推靠的時候，需要在該速度控制裝置流體腔Ⅱ上安裝合適的壓力補償裝置。

4 實驗研究與油田測試

貝克休斯公司對φ215.9 mm自適應(yīng)鉆頭原型分別進行了實驗室概念研究及油田試驗井測試。

4.1 實驗研究

實驗室主要的模擬環(huán)境如圖8所示。在WOB保持恒定（穩(wěn)態(tài)鉆進）的過程中突然降低，會造成DOC的突然變化，從而模擬自適應(yīng)鉆頭對載荷漸變和突變的響應(yīng)情況。本實驗?zāi)M了自適應(yīng)鉆頭以20.69 MPa的壓力鉆進灰?guī)r地層時的性能。

圖8 實驗室內(nèi)的WOB隨時間變化情況

以標準PDC鉆頭和DOC控制鉆頭的響應(yīng)作為自適應(yīng)鉆頭切削能力的上下界限 （分別以紅色和藍色表示），測試自適應(yīng)鉆頭的攻擊性（見圖9）。

圖9 自適應(yīng)鉆頭攻擊性實驗室測試

測試的開始階段，自適應(yīng)鉆頭的切削能力與固定DOC控制鉆頭相同，表明起初DOC控制裝置處于伸展狀態(tài)；在恒定的鉆進參數(shù)下，該鉆頭的切削能力會逐漸增加，慢慢接近固定齒鉆頭。也就是說，該模塊會逐漸縮回，最后達到接觸應(yīng)力最小的位置。而當WOB出現(xiàn)突然波動時，鉆頭的切削能力會回降至DOC控制鉆頭，表明該模塊在WOB突然降低后快速加載過程中開始逐漸向外伸展，通過保持伸展狀態(tài)吸收一部分載荷來抵制突然增加的DOC。最后，WOB恢復(fù)恒定，沒有DOC波動后，鉆頭再次逐漸增加切削能力。重復(fù)進行該實驗，證明了鉆頭開始鉆進時切削能力較低，在幾分鐘之內(nèi)達到最大，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)，在遇到波動之前，鉆頭一直保持高的切削能力［2，15］。

4.2 油田測試

在Oklahoma油田進行了全尺寸自適應(yīng)鉆頭減緩黏滑振動的性能評估。在2個硬地層 （Wilcox砂巖和Arbuckle白云巖地層）進行了3種原型φ215.9 mm鉆頭（標準PDC鉆頭、DOC控制PDC鉆頭和自適應(yīng)PDC鉆頭）誘發(fā)黏滑振動的對比。由于Wilcox砂巖層段較短，所以只作了自適應(yīng)鉆頭和DOC控制鉆頭的測試對比；Arbuckle白云巖層段較長，所以測試了3種鉆頭的對比。為了最小化鉆桿、井下鉆具組合可能引起的黏滑影響，優(yōu)化井眼質(zhì)量，在每趟鉆中都采用相同的BHA和鉆柱，并采用MWD測量和儲存所需數(shù)據(jù)，同時優(yōu)化了鉆井液、排量和鉆頭噴嘴，避免鉆頭泥包。

為了評估每個鉆頭誘發(fā)黏滑的趨勢，該實驗希望找出各種產(chǎn)生黏滑的WOB-RPM參數(shù)組合。設(shè)計首先在固定RPM值下，以很低的WOB（不能造成黏滑）開始實驗并逐漸提高，直到出現(xiàn)黏滑（通過地面的扭矩波動和MWD來監(jiān)測黏滑現(xiàn)象）；然后改變RPM值重復(fù)進行測試，收集足夠多的數(shù)據(jù)，確定黏滑邊界。

Wilcox砂巖地層中的 DOC控制鉆頭和自適應(yīng)PDC鉆頭誘發(fā)黏滑的結(jié)果對比如圖10（圖中綠色圈表示無黏滑，黃色圈表示中度黏滑，紅色圈表示黏滑，藍色線為黏滑邊界線。圖12同）所示。

圖10 鉆頭在Wilcox砂巖地層試驗井中的穩(wěn)定圖譜

圖10 中：自適應(yīng)鉆頭在鉆速為60 r/min和90 r/min的情況下，改變WOB也沒有出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，而DOC控制PDC鉆頭在相同轉(zhuǎn)速的情況下，提高WOB就會出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象。

圖11為鉆速和井下機械比能圖［16］（圖中虛線為不同鉆壓下的機械比能和ROP趨勢線。圖13同）?？梢钥闯?，自適應(yīng)鉆頭幾乎沒有出現(xiàn)黏滑和扭矩波動，而DOC控制鉆頭在提高轉(zhuǎn)速和鉆進效率情況下，在ROP大于10.36 m/h后黏滑現(xiàn)象嚴重。

圖11 鉆頭在Wilcox砂巖地層試驗井中的能量圖譜

同樣，Arbuckle白云巖地層的測試結(jié)果也得出了同樣的結(jié)論。如圖12、圖13所示：標準PDC鉆頭幾乎在每一組實驗中都出現(xiàn)了黏滑；DOC控制鉆頭輕微地擴大了穩(wěn)定范圍；自適應(yīng)鉆頭與前2種固定齒鉆頭相比，極大地擴大了鉆頭穩(wěn)定作業(yè)區(qū)域，而且能在較高的ROP下不出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象。

圖12 鉆頭在Arbuckle白云巖地層試驗井中的穩(wěn)定圖譜

圖13 在Arbuckle白云巖地層試驗井中的能量圖譜

圖14 則是在本次實驗中記錄的在Arbuckle白云巖地層中的井下轉(zhuǎn)速隨時間變化的數(shù)據(jù) （每個實驗的地面參數(shù)均為鉆壓1.00 kN和90 r/min）?？梢钥闯觯簶藴蔖DC鉆頭在整個試驗期間監(jiān)測到的鉆頭角速度都很高，幾乎達到200 r/min；DOC控制鉆頭初期轉(zhuǎn)速較低，后續(xù)也逐漸提高至與標準PDC鉆頭相當；而自適應(yīng)鉆頭，有效抵制了扭矩波動，鉆頭井下旋轉(zhuǎn)速度很低，遏制了黏滑的進一步發(fā)展。

通過實驗研究和在油田2個硬地層進行的3種原型鉆頭誘發(fā)黏滑振動對比測試，證實了自適應(yīng)PDC鉆頭可以有效遏制黏滑，拓寬了穩(wěn)定鉆進的參數(shù)范圍，從而提高了鉆進效率，降低了鉆井成本［2，15-16］。

圖14 鉆頭在Arbuckle白云巖地層中的井下RPM測量值

5 結(jié)論與建議

1）從實驗研究及油田測試結(jié)果來看，自適應(yīng)鉆頭是一項有效消除鉆頭黏滑振動的創(chuàng)新技術(shù)，它可在高鉆壓、低轉(zhuǎn)速情況下高效鉆進，同時避免由于黏滑造成的鉆頭失效及鉆柱破壞，從而降低鉆井成本。

2）目前很多研究認為黏滑振動是造成鉆頭失效的重要因素之一，但對黏滑機理的研究還存在沖突。在當前低油價形勢下，強化該方面的研究，開展專項技術(shù)攻關(guān)，努力實現(xiàn)技術(shù)突破，對提高鉆井效率、降低鉆井成本具有重要的現(xiàn)實和長遠意義。

3）綜合考慮影響?zhàn)せ駝拥囊蛩?，除與鉆壓及轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)有關(guān)外，還與地層參數(shù)、鉆具參數(shù)、鉆井液性能等有關(guān)。建議擴大參數(shù)研究范圍，開展更符合實際鉆井環(huán)境的自適應(yīng)概念研究。

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（編輯 李宗華）

Self-adjusting PDC bit of Baker Hughes

SI Na,DENG Hui,LI Jing,PI Guanglin
(Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

This paper introduces the Baker Hughes′self-adjusting PDC bit,which uses the innovative method that has a passive hydro-mechanical feedback mechanism encapsulated in self-contained cartridges to control the depth of cut.It can absorb part of impact force to prevent over-engaged in the formation to improve the efficiency of drilling and lower the drilling cost.So,the mechanism of bit′s stick/slip and the concept of DOC are learned,and the detailed introduction of self-adjusting PDC bit is given. The laboratory and field experiments show that the self-adjusting PDC bit can significantly eliminate the stick/slip and improve the performance of bit,which is a novel idea for improve drilling rate and reducing cost.

self-adjusting;PDC;bit;Baker Hughes;DOC

中國石油化工股份有限公司科技部項目“石油工程技術(shù)裝備發(fā)展趨勢與戰(zhàn)略對策”（P15163）、“石油工程公司參謀支持研究”（SG16-01J）

TE24

：A

10.6056/dkyqt201701028

2016-07-28；改回日期：2016-11-12。

思娜，女，1983年生，碩士，2010年畢業(yè)于中國石油大學（北京）油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油工程技術(shù)前瞻研究及戰(zhàn)略規(guī)劃研究方面的工作。E-mail：sina.sripe@sinopec.com。

思娜，鄧輝，李婧，等.貝克休斯自適應(yīng)PDC鉆頭［J］.斷塊油氣田，2017，24（1）：125-130.

SI Na，DENG Hui，LI Jing，et al.Self-adjusting PDC bit of Baker Hughes［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（1）：125-130.