在美 國 德 克 薩 斯 州 狹長 地 帶 的 油 氣 鉆 探中，有效鉆穿堅(jiān)硬耐磨 的 花 崗 巖 沖 積 物（Granite Wash 簡 稱 GW） 水 平段儲(chǔ)層面臨一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。石油公司采用導(dǎo)向馬達(dá)鉆具組合鉆水平段井眼，想通過改善 PDC 鉆頭的性能來提高鉆井效率，然而巖性極不均勻的混雜地層使 6 1 / 8 ″ 水平段井眼的鉆進(jìn)過程變化無常，表現(xiàn)不佳。PDC 鉆頭的刀翼與復(fù)合片固定組件有著先天的局限性。復(fù)合片只有小部分面積接觸地層，其磨損使鉆井效率下降，磨損過程中會(huì)產(chǎn)生很高的摩擦熱，摩擦熱會(huì)破壞金剛石復(fù)合片與刀翼本體及復(fù)合片之間的粘合強(qiáng)度，加速復(fù)合片降級(jí)。同時(shí)，大位移段鉆進(jìn)還使得傳遞鉆壓變得困難、為讓 PDC 鉆頭的復(fù)合片在鉆進(jìn)期間能完全轉(zhuǎn)動(dòng)，以提高整體鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命。
 
打造新型 PDC 鉆頭
 
多數(shù)情況下，為了增加儲(chǔ)層暴露，石油公司會(huì)采用導(dǎo)向馬達(dá)鉆具組合鉆一個(gè)長的水平井眼，還想通過延長鉆頭壽命的方法來提高鉆井效率。水平段產(chǎn)出的良好表現(xiàn)可能蘊(yùn)藏著更大的經(jīng)濟(jì)吸引力。然而，在穿越該油田水平段的過程中，鉆頭壽命和性能表現(xiàn)不盡人意，最終歸結(jié)為該油田的地質(zhì)構(gòu)造屬于不均勻或異質(zhì)的地層巖性。性能多變和不穩(wěn)定的鉆頭表現(xiàn)導(dǎo)致頻繁起下鉆換鉆頭，鉆頭縮徑和復(fù)合片磨損嚴(yán)重。如果石油公司在他們預(yù)期鉆井效率差的地區(qū)能延長鉆頭壽命，那么每口井的經(jīng)濟(jì)效益就能得到顯著提高。工程師們開發(fā)出一種專用的嵌入式外殼， 并焊進(jìn)鉆頭刀翼的體內(nèi)，形成了旋轉(zhuǎn)式復(fù)合片 PDC 鉆頭。復(fù)合片安裝在一個(gè)圓形軸上，與嵌入 外 殼 配 裝 在 一 起， 使 復(fù) 合 片 能360°轉(zhuǎn)動(dòng)。堅(jiān)固的系統(tǒng)工藝將復(fù)合片與軸組件牢固地安裝在嵌入殼內(nèi)，確保了優(yōu)越的可靠性。轉(zhuǎn)動(dòng)式復(fù)合片與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) PDC 鉆頭的復(fù)合片外徑相同，允許靈活設(shè)計(jì)和多復(fù)合片布局選擇。
 
復(fù)合片優(yōu)化止損
 
為 了 實(shí) 現(xiàn) 降 本 增 效 的 既 定 目標(biāo)，該行業(yè)一直在努力提高 PDC鉆頭復(fù)合片的耐磨性和鉆頭的整體性 能。 為 了 提 高 復(fù) 合 片 的 熱 穩(wěn) 定性，引入了一項(xiàng)濾取工藝，該工藝能提高復(fù)合片的抗磨性能。接下來的研究重點(diǎn)集中在確定摩擦熱對(duì)復(fù)合片的破壞性影響，這種極端溫度會(huì)導(dǎo)致復(fù)合片加速磨損，特別是采用非濾取工藝復(fù)合片時(shí)磨損會(huì)更加迅速。磨損越嚴(yán)重，產(chǎn)生的溫度也越高，溫度越高，磨損會(huì)更加嚴(yán)重，出現(xiàn)惡性循環(huán)。為了打破這種惡性循環(huán)，保持復(fù)合片鋒利和降溫至關(guān)重要，如果復(fù)合片能均勻分散磨損的話，鉆頭壽命會(huì)大大延長，這樣的構(gòu)想能讓復(fù)合片保持鋒利，延長使用，如果復(fù)合片在切割地層時(shí)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)就能達(dá)到這一目的。轉(zhuǎn)動(dòng)能均勻分布復(fù)合片的磨損，還能有效降低復(fù)合片的摩擦溫度，從而延長鉆頭壽命。為 了 驗(yàn) 證 一 只 全 轉(zhuǎn) 動(dòng) 復(fù) 合 片PDC 鉆頭的效果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的綜合試驗(yàn)，進(jìn)行了廣泛的基于有限元的建模設(shè)計(jì)，新型轉(zhuǎn)動(dòng)式復(fù)合片的現(xiàn)場測試結(jié)果顯示，這種工藝設(shè)計(jì)能延長復(fù)合片的壽命，延長鉆頭在井下的使用時(shí)間。圖 1 展示了一款創(chuàng)新型的嵌入式外殼設(shè)計(jì)，保護(hù)復(fù)合片安全使用和 360° 全向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)式復(fù)合片可靠地安置在高抗磨的刀翼上， 以提高鉆頭鉆進(jìn)的耐久性。
 
高研磨性的挑戰(zhàn)
 
為 了 了 解 GW 地 層 的 天 然 屬性和特征，工程師們使用一種巖石強(qiáng)度分析系統(tǒng)來定量判定地層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。來自德克薩斯州惠勒縣所鉆的一口直井?dāng)?shù)據(jù)，分析顯示 GW 地層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在10,000~15,000psi 之間，偶爾會(huì)升至 20,000psi，地層磨蝕指數(shù)呈現(xiàn)出正常到中度影響等級(jí)的高研磨性特征。一項(xiàng)專門揭示 GW 地層的巖性評(píng)價(jià)獲悉，這種地層主要由石英、伴有石英或方解石膠結(jié)的長石組成，通過所獲的知識(shí)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù) 據(jù) 的 綜 合 分 析， 工 程 師 們 判 定GW 地層可能是測試轉(zhuǎn)動(dòng)式復(fù)合片耐磨性能的理想地層。
 
鉆出“雙高”效益
 
為了評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片 PDC 鉆頭在 GW 地層的性能表現(xiàn)，以下給出兩個(gè)研究案例。GW 層析已證明是一個(gè)獲知和開發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)式復(fù)合片 PDC 鉆頭的理想地層，到目前為止，轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片PDC 鉆頭已在一處 GW 層析下井應(yīng)用了 265 次， 持續(xù)報(bào)出極好的性能、價(jià)值和效果。Sabine 油氣公司在他們開發(fā)的 GW 地層應(yīng)用轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片PDC 鉆頭超過 20 次，案例提供的一組數(shù)據(jù)包括石油公司 6 1 / 8 ″ 水平段井眼，下井鉆進(jìn)深度超過 8,700ft，那是在德克薩斯西北 Roberts 縣一個(gè) 4 英里區(qū)域范圍的鉆井?dāng)?shù)據(jù)。為了從數(shù)據(jù)集中去除那些鉆過曲線段的鉆頭，選擇了一個(gè)深度大于 8,700ft 的井段，因某些原因短時(shí)間下井被起出的鉆頭、相應(yīng)的機(jī)械鉆速也被除外，由于這是因機(jī)械鉆速原因起出的下井時(shí)間最短的鉆頭，分析僅包括至少鉆了 400ft 的鉆 頭， 查 詢 的 數(shù) 據(jù) 限 定 在 四 部 不同鉆機(jī)的 51 只鉆頭，這些鉆頭鉆了 18 個(gè)水平段，其中 12 只鉆頭采用了轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片，其余 39 只為固定 復(fù) 合 片 PDC 鉆 頭。

數(shù) 據(jù) 顯 示，12 只轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片鉆頭下井平均鉆進(jìn)了 1,411ft，平均機(jī)械鉆速 31.7ft/hr.，39 只固定復(fù)合片鉆頭下井平均進(jìn)尺 1,268ft，機(jī)械鉆速 23.7ft/hr.。計(jì)算結(jié)果顯示，平均轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片鉆頭超過固定復(fù)合片鉆頭進(jìn)尺11%，平均機(jī)械鉆速提高 34%。為了證明轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片鉆頭降低鉆井成本的能力，進(jìn)行了一項(xiàng)每英尺成本（CPF）經(jīng)濟(jì)分析，假設(shè)一只鉆頭的固定成本為 20,000US$，每天 60,000US$（2,500$/hr.）的鉆機(jī)日費(fèi)不包括鉆頭費(fèi)用。 CPF= （鉆頭費(fèi)用 +（鉆機(jī)日費(fèi)率 * 鉆頭下井小時(shí)））/ 鉆頭進(jìn)尺，鉆頭下井小時(shí) = 進(jìn)尺 / 機(jī)械鉆速；計(jì)算結(jié)果：平均轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片鉆頭每英尺成本為93.04$/ft.；平均固定復(fù)合片鉆頭每英尺成本為 121.39$/ft.。

計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片鉆頭提高成本效益 23%。石 油 公 司 用 兩 只 刀 翼 數(shù) 和 切削結(jié)構(gòu)完全相同的鉆頭，不過一只配有轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片，另一只為固定復(fù)合 片， 鉆 一 段 GW 水 平 段 地 層，結(jié) 果 為 顯 示， 轉(zhuǎn) 動(dòng) 復(fù) 合 片 鉆 頭 進(jìn)尺 2,546ft.、鉆時(shí) 70hrs.、機(jī)械鉆速 36.4ft/hr.；接著使用一只固定復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)了 2,216ft.、鉆時(shí)73.5hrs.、 機(jī) 械 鉆 速 30.2ft/hr.；平均轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片鉆頭每英尺成本為76.59$/ft.；平均固定復(fù)合片鉆頭每英尺成本為 91.94$/ft.。圖 2 給出了轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片與固定復(fù)合片鉆頭鈍拙狀況的對(duì)比，綠色箭頭顯示了轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片的磨損情況，而右色箭頭顯示的固定復(fù)合片遭受到一個(gè)明顯的磨平痕跡，兩只鉆頭鉆進(jìn)的進(jìn)尺相同，但轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合片比固定復(fù)合片鉆頭快 17%，優(yōu)勢明顯。