陰治平，朱劍飛，尚鉦凱，李興鑫，王關(guān)鎖

中國(guó)石油塔里木油田分公司 安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心（新疆 庫(kù)爾勒841000）

PDC 鉆頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生位移的現(xiàn)象稱為鉆頭渦動(dòng)。PDC 鉆頭渦動(dòng)會(huì)使機(jī)械比能突然大幅增加。渦動(dòng)導(dǎo)致肩部切削齒出現(xiàn)崩碎、崩裂等嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象，由于沖擊作用導(dǎo)致肩部齒損傷，并且肩部齒的損傷裂紋呈“沙灘”型，切削齒受損后容易快速磨損，從而導(dǎo)致PDC 鉆頭出現(xiàn)早期破壞、機(jī)械鉆速降低、鉆頭壽命減少、鉆井周期加長(zhǎng)，進(jìn)而引發(fā)次生井下復(fù)雜事故，甚至?xí)?dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工程師誤判鉆頭與地層的配伍性[1]。PDC 鉆頭在鉆進(jìn)過程中，鉆頭與巖層間的相互作用既與鉆頭的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，還與巖層的性質(zhì)有關(guān)。深部硬地層巖石硬度高、塑性大、研磨性強(qiáng)及可鉆性差等特點(diǎn)使得這些井段的粘滑振動(dòng)頻繁發(fā)生[2-3]。粘滑震動(dòng)是造成鉆井功能紊亂的主要原因，進(jìn)而影響井身質(zhì)量，同時(shí)增加鉆井成本。

1 現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別方法

許多科研學(xué)者和鉆井工程師對(duì)PDC 鉆頭渦動(dòng)和粘滑做了大量的研究。筆者根據(jù)自身現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)識(shí)，提出以下現(xiàn)場(chǎng)鉆頭渦動(dòng)和粘滑震動(dòng)識(shí)別方法。

1.1 渦動(dòng)識(shí)別方法

1.1.1 機(jī)械比能法

機(jī)械比能是用來(lái)衡量鉆頭破除單位體積巖石所需要的能量，其計(jì)算公式[4]為:

式中：Se為機(jī)械比能；W 為鉆壓,kN；SA為井筒面積，mm2;N 為鉆頭鉆速，r/min；Tb為扭矩，kN·m；R 為機(jī)械鉆速，m/h。

當(dāng)鉆頭處于100%有效鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)械比能等于巖石抗壓強(qiáng)度（CCS）。若巖石抗壓強(qiáng)度已知，可以計(jì)算出能量效率（E），PDC 鉆頭通常最大能量效率在35%左右。

調(diào)整后PDC鉆頭的機(jī)械比能

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行試鉆測(cè)試實(shí)驗(yàn)，一定的鉆壓范圍內(nèi)，保持轉(zhuǎn)速為恒定值，隨著鉆壓的持續(xù)增加，扭矩和機(jī)械鉆速保持線性關(guān)系上升，計(jì)算出來(lái)的Seadj保持恒定。

在深部硬地層鉆井過程中，若調(diào)整后機(jī)械比能遠(yuǎn)高于巖石抗壓強(qiáng)度（2～10倍），說(shuō)明井下有嚴(yán)重的能量損失，此時(shí)如果能夠排除其他原因?qū)е碌哪芰繐p失（鉆頭泥包、鉆頭損傷、粘滑等），則推斷出鉆頭出現(xiàn)渦動(dòng)。

1.1.2現(xiàn)場(chǎng)判斷法

當(dāng)一只新PDC鉆頭入井，往往會(huì)采用試鉆的方式獲取最佳鉆井參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速）。其操作方法為：①將鉆壓快速加到鉆頭允許鉆壓上限的90%，然后在某一恒定的轉(zhuǎn)速下記錄鉆壓下降到50%的過程中，鉆壓每下降1 t 所消耗的時(shí)間，用時(shí)最短對(duì)應(yīng)的鉆壓為最佳鉆壓；②在最佳鉆壓下，嘗試不同的轉(zhuǎn)速試鉆來(lái)獲取最佳轉(zhuǎn)速。

鉆頭在巖性未發(fā)生較大變化的某井段鉆進(jìn)過程中（通過返出巖屑排除鉆頭損壞），采用最佳參數(shù)鉆進(jìn)，但是機(jī)械鉆速大幅下降，同時(shí)井口鉆具出現(xiàn)明顯的公轉(zhuǎn)，可以初步確定井下出現(xiàn)鉆頭渦動(dòng)。

1.2 粘滑震動(dòng)的識(shí)別方法

1.2.1 機(jī)械比能法

機(jī)械比能的本質(zhì)是計(jì)算并判斷鉆井的效率高低。鉆頭在井底平穩(wěn)工作，鉆井效率高；鉆頭由于某些原因處于不穩(wěn)定狀態(tài)，鉆井效率就會(huì)下降。通過大量計(jì)算和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆頭處于粘滑狀態(tài)時(shí)，機(jī)械比能會(huì)大幅波動(dòng)，但平均值呈現(xiàn)較高狀態(tài)。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)判斷法

深部硬地層巖石的硬度高、塑性大、可鉆性差，PDC鉆頭使用一定鉆井參數(shù)鉆進(jìn)，鉆壓持續(xù)加大到臨界鉆壓以上，會(huì)出現(xiàn)扭矩大范圍、周期性地波動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)此種扭矩波動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)降低機(jī)械鉆速和損壞鉆頭切削齒。扭矩大范圍、周期性地波動(dòng)是粘滑震動(dòng)現(xiàn)象現(xiàn)場(chǎng)最直觀的表現(xiàn)特征。如果下部鉆具組合中加入螺桿，立壓會(huì)上下波動(dòng)。

2 消除措施

針對(duì)PDC 鉆頭鉆進(jìn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)渦動(dòng)和粘滑兩種非正常、不穩(wěn)定的工作狀況，筆者查閱了大量文獻(xiàn)結(jié)合自身的現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以下的現(xiàn)場(chǎng)消除方法。但需指出的是，渦動(dòng)和粘滑震動(dòng)并非總是單獨(dú)出現(xiàn)，往往是既存在渦動(dòng)又存在粘滑震動(dòng)，然而兩者的消除措施彼此存在一定程度的相互沖突，這增加了現(xiàn)場(chǎng)操作的難度[5-7]。

2.1 消除渦動(dòng)措施

鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。鉆頭合理的布局是鉆頭防渦動(dòng)的關(guān)鍵，這也是在設(shè)計(jì)中所追求的目標(biāo)。根據(jù)平衡設(shè)計(jì)理論，作用于鉆頭所有切削齒的力將形成一個(gè)合力。這個(gè)合力可以分解為一個(gè)軸向力(鉆壓)，一個(gè)對(duì)鉆頭中心線的力矩和一個(gè)徑向力。根據(jù)鉆頭運(yùn)動(dòng)形式可知，徑向力即為產(chǎn)生渦動(dòng)的根源(即為不平衡力)。在鉆頭設(shè)計(jì)中，綜合考慮螺旋刀翼布齒方式、優(yōu)化復(fù)合片切削角度、利用低摩阻保徑技術(shù)、鉆頭形面周圍的流場(chǎng)分布等關(guān)鍵因素，以側(cè)向不平衡力最小為目標(biāo)，可以將PDC鉆頭的總側(cè)向力控制在鉆壓的1%以內(nèi)。

鉆頭冠部輪廓形狀和保徑長(zhǎng)度對(duì)渦動(dòng)影響效果顯著。選擇具有深輪廓、深內(nèi)錐角、保徑刀翼長(zhǎng)度最低達(dá)到101～152 mm 特征的PDC 鉆頭，具有良好地抑制渦動(dòng)能力。

現(xiàn)場(chǎng)工程師不正確的操作方式容易引發(fā)鉆頭渦動(dòng)，如將鉆頭重新放回井低時(shí)采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓鉆井參數(shù)鉆進(jìn)，接單根前采用高轉(zhuǎn)速把鉆壓回完。根據(jù)以上錯(cuò)誤的操作方式，可以總結(jié)出消除渦動(dòng)的措施：①鉆頭重新放回井底時(shí)采用低轉(zhuǎn)速、高鉆壓（至少達(dá)到目標(biāo)鉆壓的50%以上）；②鉆進(jìn)0.6～1 m，若渦動(dòng)嚴(yán)重，需要將第1 個(gè)扶正器放入新井眼內(nèi)；③提高轉(zhuǎn)速，直到機(jī)械比能開始增加為止；④增加鉆壓，直到機(jī)械比能開始增加為止；⑤重復(fù)步驟3、4，直到機(jī)械比能不再降低。

2.2 消除粘滑震動(dòng)措施

在一定的鉆井參數(shù)下，鉆柱系統(tǒng)在轉(zhuǎn)盤（頂驅(qū)）轉(zhuǎn)速較低時(shí)會(huì)發(fā)生粘滑振動(dòng)，轉(zhuǎn)盤（頂驅(qū)）轉(zhuǎn)速越低，粘滑振動(dòng)越激烈；鉆柱系統(tǒng)存在發(fā)生粘滑振動(dòng)的臨界值，當(dāng)轉(zhuǎn)盤（頂驅(qū)）轉(zhuǎn)速不斷增大到臨界值時(shí)，鉆柱系統(tǒng)粘滑振動(dòng)突然消失。

降低鉆壓或者采用切深控制設(shè)計(jì)的鉆頭，可以消除粘滑振動(dòng)。其本質(zhì)是減少PDC 齒進(jìn)入地層的深度，使PDC 鉆頭所需克服巖石固有的剪切強(qiáng)度（黏聚力）變小，達(dá)到消除粘滑振動(dòng)的效果。同時(shí)，提高鉆機(jī)鉆井扭矩限定，也可以起到消除粘滑振動(dòng)的作用，其原理是增大PDC鉆頭的輸入扭矩。

鉆頭的刀翼數(shù)對(duì)粘滑振動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生粘滑振動(dòng)時(shí)，增加刀翼數(shù)，會(huì)減弱或抑制粘滑振動(dòng)，減少刀翼數(shù)，粘滑振動(dòng)更加激烈。對(duì)克深區(qū)塊康村組及以下的硬地層，推薦采用6 刀翼及以上的PDC鉆頭，對(duì)粘滑震動(dòng)的抑制效果明顯優(yōu)于5刀翼的PDC鉆頭。

3 實(shí)例分析

克深17井三開第1趟鉆采用333.4 mm（13 ?"）STS615G 鉆頭鉆進(jìn)至井深3 340 m（康村組，褐色泥巖、褐色細(xì)砂巖，套管鞋位置3 328 m），在鉆井參數(shù)沒有改變的情況下，鉆時(shí)由15 min/m升高到35 min/m，機(jī)械比能突然增大，同時(shí)伴隨井口鉆具出現(xiàn)明顯的公轉(zhuǎn)，判斷PDC鉆頭出現(xiàn)渦動(dòng)。

通過以下技術(shù)手段很快消除了鉆頭渦動(dòng)：①降低轉(zhuǎn)速至原轉(zhuǎn)速的50%，上提鉆具1 m；②將限定扭矩由25 kN·m 升高到32 kN·m;③保持轉(zhuǎn)速不變，快速增加鉆壓至目標(biāo)鉆壓的50%；④鉆進(jìn)0.5 m后逐漸將鉆壓和轉(zhuǎn)速提高。當(dāng)鉆壓和轉(zhuǎn)速均恢復(fù)到渦動(dòng)出現(xiàn)前的大小，鉆時(shí)由35 min/m下降到15 min/m，機(jī)械比能降低到原值。

克深17井三開第5趟鉆采用333.4 mm（13 ?"）Z716 七刀翼PDC 鉆頭鉆進(jìn)至井深3 490 m（層位為康村組，套管鞋位置3 328 m），3 480～3 490 m 巖性為褐色泥巖，鉆壓14～16 t，轉(zhuǎn)速為50～70 r/min，扭矩大范圍波動(dòng)（2～25 kN·m），現(xiàn)場(chǎng)判斷鉆頭出現(xiàn)粘滑震動(dòng)，嘗試將轉(zhuǎn)速提高100 r/min，扭矩立即平穩(wěn)，鉆時(shí)由70 min/m↓18 min/m。后期嘗試將轉(zhuǎn)速下調(diào)到80 r/min 以下,扭矩立即出現(xiàn)大范圍波動(dòng)現(xiàn)象（2～25 kN·m），鉆頭再次出現(xiàn)粘滑震動(dòng)，80 r/min 為當(dāng)前的鉆頭出現(xiàn)粘滑震動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

1）通過機(jī)械比能法和現(xiàn)場(chǎng)判斷法識(shí)別PDC 鉆頭出現(xiàn)渦動(dòng)和粘滑震動(dòng)。

2）通過優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)，將PDC鉆頭的總側(cè)向力控制在鉆壓的1%以內(nèi)；選擇具有深輪廓、深內(nèi)錐角、保徑刀翼長(zhǎng)度最低達(dá)到101～152 mm 的PDC鉆頭；優(yōu)化鉆井參數(shù)，采用高鉆壓低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)等措施消除PDC鉆頭渦動(dòng)。

3）通過提高轉(zhuǎn)盤（頂驅(qū)）轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速；降低鉆壓或者選用切深控制設(shè)計(jì)的鉆頭；增加刀翼數(shù)以達(dá)到增加鉆頭與地層接觸面積等措施消除PDC鉆頭粘滑震動(dòng)。

4）鉆頭渦動(dòng)和粘滑震動(dòng)現(xiàn)象往往同時(shí)或交替出現(xiàn)，由于粘滑震動(dòng)對(duì)鉆頭和鉆具的傷害比渦動(dòng)小，現(xiàn)場(chǎng)工程師在優(yōu)化調(diào)整鉆井參數(shù)時(shí)要綜合考慮二者所帶來(lái)的弊端，必要時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮消除鉆頭渦動(dòng)。