自從被引入到油氣鉆井工業(yè)以來，聚晶金剛石 PDC 鉆 頭 在 發(fā) 展過程中經(jīng)歷了無數(shù)次的技術(shù)改進，比如切削齒技術(shù)的飛速發(fā)展和抗回旋技術(shù)的成功應(yīng)用。最近，出現(xiàn)了一種新型 PDC 鉆頭技術(shù)——切削深度（DOC）控制技術(shù)。該技術(shù)是 2000 年之后才被應(yīng)用到PDC 鉆頭上，其目的是通過管理鉆頭的切削攻擊能力從而有效降低井下扭轉(zhuǎn)振動。

 

固定式 PDC 完不成的任務(wù)然而，當(dāng)今鉆井業(yè)所面臨的重大挑戰(zhàn)之一是用單只鉆頭一次下井鉆完地層巖性完全不同的各個井段。基于這種要求，固定式 PDC 鉆頭始終不能完美的實現(xiàn)這一目標(biāo)，根據(jù)固定式 PDC 鉆頭本身結(jié)構(gòu)的固有特性，在鉆井過程中不得不在某些井段中容忍一定的振動，或者在另一些井段中無法實現(xiàn)理想的機械鉆速（ROP）。而切削深度（DOC）控制技術(shù)卻能夠有效的提高鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性以及鉆井效率，這對其技術(shù)本身而言是一種重大的突破，但是傳統(tǒng)的切削深度控制元件是被固定化在鉆頭上某個固定的位置且通常也只適用于一種特定的巖石硬度，隨著鉆井深度的增加，就可能會需要更換鉆頭，增加鉆井過程中的浪費性。

 

新技術(shù)匹配新型 PDC 鉆頭為 解 決 這 一 問 題， 美 國 貝 克休斯公司技術(shù)人員研發(fā)出一種能夠在鉆井過程中自動調(diào)節(jié)切削深度的PDC 鉆頭。這種鉆頭能夠延緩鉆頭的損壞并提高綜合機械鉆速，利于自動鉆井作業(yè)的發(fā)展并有望使用單只鉆頭一次性鉆完各種難鉆井段。這種新型鉆頭技術(shù)的工作特點是通過使切削深度控制特征隨時適應(yīng)不斷變化的鉆井環(huán)境、最大程度的減小鉆井過程中的粘 / 滑現(xiàn)象，有效提高機械鉆速。其自動調(diào)節(jié)裝置實際上是一種被封裝在自帶式套筒內(nèi)的被動式液體力學(xué)反饋機構(gòu)。裝置套筒安裝在鉆頭刀翼中，見圖 1 所示。

 

自 動 調(diào) 節(jié) 裝 置 的 基 本 工 作 原理是切削深度控制元件安裝在套筒上，套筒通過專門設(shè)計的基于鉆進速度的收縮和快速擴展動作而對外部載荷產(chǎn)生反應(yīng)，只有在鉆頭出現(xiàn)有害振動時其切削深度控制功能才會被啟動，而在正常的穩(wěn)態(tài)鉆井條件下該功能則不會發(fā)生作用，從而使得能夠?qū)崿F(xiàn)快速和更為有效的鉆井進程。

 

鉆頭可設(shè)計帶有三個裝置套筒，它們使切削深度控制機構(gòu)與鉆井液相互隔離，并具有壓力和溫度補償能力。整個裝置為精致小巧的可更換型模塊設(shè)計，便于在鉆頭刀翼上的安裝和拆卸。另外，該控制裝置為故障安全型設(shè)計，套筒組件本身的失效不會使鉆頭失效，也不會對鉆井進程造成嚴(yán)重的影響，鉆頭可像標(biāo)準(zhǔn)的 PDC 鉆頭那樣繼續(xù)鉆進。

不同情況的鉆進問題
 

如果遇到對鉆進不利的情況，比如產(chǎn)生了會引起鉆柱粘 / 滑現(xiàn)象的周期性切削深度波動，在夾層地層中切削深度發(fā)生突然變化或因鉆壓變化而造成切削深度波動時，切削深度控制元件就會快速擴展與地層相互嚙合并吸收部分鉆壓，從而以最快的速度達(dá)到使振動減小的目的。

 

相反，在正常穩(wěn)態(tài)鉆井中變換操作參數(shù)時，則切削深度控制元件會逐漸縮回，從而不會吸收鉆壓并使鉆頭能夠以較大的切削深度向下鉆進。如此，在較軟的井段、在鉆壓受到限制的水平井段以及在以較高機械鉆速為鉆井目標(biāo)的相似情況下鉆井進程就會更快且效率更高。自調(diào)節(jié)式 PDC 鉆頭在剛開始鉆進時其切削深度控制元件處于伸展位置。在一口具有三種不同井段的井內(nèi)，比如最上部的井段較軟且不容易發(fā)生粘 / 滑現(xiàn)象，而下面兩個井段的巖層則是不同的、容易發(fā)生粘 / 滑現(xiàn)象的巖性，則鉆頭的切削深度控制元件會針對每個井段的地層情況做出不同響應(yīng)。

 

在較軟的頂部井段巖層中，削深度控制元件會在幾分鐘以內(nèi)逐漸縮回，直到其接觸力達(dá)到一個較小的值后為止，此時鉆頭就像一只標(biāo)準(zhǔn)的 PDC 鉆頭那樣以一定的鉆壓（WOB）平穩(wěn)的向下鉆進，而切削深度控制元件則不與地層相嚙合。在鉆頭鉆到下面的地層后，如果切削深度控制元件開始快速波動，則整個調(diào)節(jié)機構(gòu)就會快速伸展從而使切削深度控制元件與地層相嚙合，阻止鉆頭上突發(fā)的內(nèi)向運動，產(chǎn)生一個較大的接觸力。阻止切削深度加大的結(jié)果是能夠防止粘 / 滑現(xiàn)象的發(fā)生，如果無論如何都還是會發(fā)生粘 / 滑現(xiàn)象的話，則調(diào)節(jié)機構(gòu)就會針對每個粘 / 滑周期進行具體的調(diào)節(jié)，直到這種粘 / 滑現(xiàn)象被消除或是其嚴(yán)重性得以有效減小后為止。

 

新型 PDC 鉆頭實用性試驗為了對這種新型自調(diào)節(jié)式 PDC鉆頭的設(shè)計概念進行實用性驗證。貝克休斯公司設(shè)計制造出一只 8 3 / 4英寸的原型鉆頭并在實驗室進行了圍壓鉆井試驗，在試驗過程中，無論是在快速還是在慢速情況下鉆頭對切削深度變化的響應(yīng)都很好；實驗室試驗成功后，又在美國俄克拉荷馬州一個具有多種變化地層的井場對該鉆頭進行了現(xiàn)場試驗，在試驗中觀察到，該鉆頭不但能夠在鉆進過程中有效的減小鉆柱的粘 / 滑現(xiàn)象，還能提高鉆井機械鉆速。

 

通過與固定式 PDC 鉆頭的對比試驗發(fā)現(xiàn)，隨著對鉆井參數(shù)進行調(diào)節(jié)以便以較低的機械比能和更高的機械鉆速實現(xiàn)更快和更為有效的鉆井進程，在機械鉆速超過每小時10.40 米后，固定式 PDC 鉆頭便會發(fā)生嚴(yán)重的粘 / 滑現(xiàn)象，而這種新型自調(diào)節(jié)式 PDC 鉆頭在機械鉆速達(dá)到每小時 27.40 米時卻仍然沒有發(fā)生粘 / 滑現(xiàn)象。這種新型自調(diào)節(jié)式PDC 鉆頭的調(diào)節(jié)機構(gòu)中不含任何電子傳感元件，因而成本不高，但可靠性卻很好。通過各種試驗已經(jīng)證實了這種新型鉆頭結(jié)構(gòu)的發(fā)展?jié)摿Γ@為在更為惡劣的鉆井環(huán)境中對這種新型鉆頭進行現(xiàn)場試驗奠定了牢固的基礎(chǔ)，同時也向建造全套的自動鉆井系統(tǒng)又邁進了一大步。