旋转导向PDC钻头结构研究初探.docx

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旋转导向PDC钻头结构研究初探

编号：

论文题目：

旋转导向PDC钻头切削结构研究初探

单位：

产品所

作者姓名：

张建平

编写时间：

二○○五年三月二十五日

二00五年一月编制

旋转导向PDC钻头切削结构研究初探

张建平

摘要本文简要介绍了目前世界上比较成功应用的三种典型旋转导向系统――AutoTrakRCLS、PowerDriver、Goe-Pilot，对其导向原理和工作模式进行了深入分析，并在此基础上得出了在推靠钻头式和指向钻头式这两种导向模式下PDC钻头的受力和运动特点，根据这些特点分析提出了适应于旋转导向系统的PDC钻头应具有的力平衡、浅内锥短轮廓、连续递增后倾角、过载保护齿以及低扭矩保径等结构。

特别是在对旋转导向系统两种导向方式（推靠钻头式和指向钻头式）进行充分研究后提出了一种新的保径结构——选择性低扭矩侧切保径结构。

关键词PDC钻头旋转导向系统

图1

1、MWD，2、井下计算机，3、近钻头井斜传感器，4、偏心稳定器，5、PDC钻头，6、压力测量短节，7、LWD，8、储层导向短节

旋转自动导向闭环钻井技术是20世纪90年代发展起来的一项尖端自动化钻井技术，它代表了当今世界上钻井技术的最高水平，这项技术的出现使世界钻井技术发生了一次质的飞跃。

采用这种导向系统完全抛开了传统的滑动导向方式，而代以旋转导向钻进方式，可以自动、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和钻井安全性，轨迹控制精度也非常高，完全适合目前开发特殊油藏的超深井、高难定向井、水平井、大位移井等特殊工艺井导向钻井的需要。

但是，目前国内外对旋转导向系统的研究基本上都是专注于该系统本身，而对适用于该系统的PDC钻头切削结构的研究比较少。

本文试图在对旋转导向系统的工作原理、运动模式进行研究分析的基础上对适用于这一系统的PDC钻头切削结构进行初步探讨。

1、典型旋转导向系统概述

目前，国际上已经商业化且比较成熟的旋转导向系统主要有BakerHughesInteg公司的AutoTrakRCLS系统、Halliburton下属子公司Sperry-Sun的Geo-Pilot系统、Schlumberger公司的PowerDrive系统。

国内石油大学、西安石油大学、上海大学等院校也在开展这方面的研究并取得了一定的科研成果。

1.1、AuotTrakRCLS系统

图2

BakerHughesInteg公司对AutoTrakRCLS系统的研究开始于1993年，RCLS是“RotaryClosed-LoopDrillingSystem”的缩写，意即“旋转闭环钻井系统”。

该系统于1996年研制成功并于该年正式推向市场，其总体结构见图1。

自下而上，在PDC钻头之上是旋转导向工具的本体（由近钻头井斜传感器、偏心稳定器和相应的执行机构、井下计算机组成，这些设备时装置于不旋转外套上的），其上部连接随钻测量（MWD）总成（可以进行方位角、倾斜角、振动测量以及提供与地面系统的通信），钻柱稳定器、储层导向短节（地质参数测量短节）、LWD（提供中子孔隙度和密度岩性测井）、压力测量短节。

图2是AutoTrakRCLS的工作原理图。

由图上可以看到，当周向均布的三个支撑活塞分别以不同液压力支撑于井壁时，将使不旋转外套不随钻柱旋转，同时井壁的反作用力将对井下偏置导向工具产生一个偏置合力。

通过控制三个支撑活塞的支出力大小可以控制偏置力的大小和方向，从而控制导向钻井。

在导向工具下井前，其井下计算机内预置了井眼轨迹设计数据和若干控制指令。

当导向工具在井底工作时，近钻头传感器测量井斜、方位并与井底计算机内的预设值进行比较，若其偏差超过规定范围则井底计算机就会发出控制指令使执行机构产生相应控制动作，使偏心稳定器的三个活塞进行调整（伸缩），造成工具本体上的一个偏置力（见图2）从而使前端的钻头得到足够的侧向力来进行导向钻进，这样就完成了“井下闭环”控制。

同时，MWD将近钻头传感器的输出参数转换为钻井液脉冲信号传至地面，地面处理系统将这些参数与原设计参数进行比较，如果偏差较大，则地面控制系统就通过MWD向井下计算机发出校正指令，从而又完成了井下─地面─井下的闭环控制。

图3

由以上分析可知，AutoTrakRCLS的导向方式是一种推靠钻头式（见图3），也就是说在有一个远钻头支点的情况下，在尽量靠近钻头的位置由偏置机构产生一定的偏置力，在接触井壁后靠井壁的反作用力使钻头产生侧向切削力，从而实现导向。

同时，该系统的偏置活塞的运动按照“力工作模式”进行，即偏置机构在驱动机构的作用下，能够根据导向需要产生的恒定的偏置力，进而实现偏置。

对导向系统的控制是控制该偏置力的大小，而不考虑该偏置力产生的位移，并且该偏置力只是根据导向需要进行调整，而不随位移的变化而改变。

这种导向方式的特点是钻头的侧向力大，造斜率高，但旋转导向钻出的井眼狗腿大、轨迹波动大、不平滑。

图4PowerDriver系统

1.2、PowerDriver系统

PowerDriver系统（图4）由英国Camoco公司于1994年研制成功，1999年Camoco公司与Schlumberger公司旗下的Anadrill公司合并，于是PowerDriver也被Schlumberger收入囊中。

2000年，该公司将PowerDriver系统引入中国，在设计井深8800米，水平位移超过7500米的南海西江油田XJ24-3-A18井的6871~8610井段中成功应用。

PowerDriver也采用了偏心稳定器和井下闭环控制方式，其工作原理与AuotTrak相同，也是在“力工作模式”下利用支撑活塞的运动来实现导向，属于推靠钻头式工作方式。

PowerDriver系统由控制单元稳定平台和活塞运动控制机构组成。

控制单元稳定平台内部包括测量传感器、井下计算机和控制电路，通过上下轴承悬挂在外套内，靠控制两端的涡轮在钻井液中的转速使该部分形成一个不随钻柱旋转的的、相对稳定的控制平台。

与AutoTrakRCLS系统靠独立的液压系统为支撑活塞提供动力来源不同的是，PowerDriver系统的支撑活塞的支出动力来自于钻井过程中自然存在的钻柱内外的钻井液压差。

其具体工作原理可见参考文献[1]。

1.3、Geo-Pilot系统

Geo-Pilot系统（图5）是Halliburton公司下属的Sperry-Sun公司开发的旋转导向系统。

这是一种和AutoTrak、PowerDriver工作原理和结构形式有较大区别的一种旋转导向系统，其主要特征是下部驱动主轴可在壳体内偏转一定角度，相当于形成一个可调弯角，从而为钻头提供了一个与井眼轴线不一致的倾角，产生导向作用。

其偏置机构是一套由几个可控制的偏心圆环组合形成的偏心机构，当井下自动控制系统完成组合后，该机构将相对于不旋转外套固定，从而将旋转心轴始终向固定方向偏置，为钻头提供一个方向固定的倾角（见图6）。

图7

Geo-Pilot的偏置方式是“指向钻头式”（见图7），即在有一个近钻头支点的情况下，在离钻头较远的位置使偏移机构根据“位移工作方式”产生偏置，并最终使钻头产生一个相对于井眼轴线的倾角实现导向。

所谓“位移工作方式”是指偏置机构在驱动机构的作用下，能够根据导向需要产生固定的偏置位移，并进而实现偏置。

该偏置位移只是根据导向需要进行调整，而不考虑所需要的偏置力的大小，当工具系统在直井眼内开始导向时，该偏置位移可能首先是通过弯曲驱动心轴实现的，而当工具系统完全进入弯曲井眼后，该偏置位移则主要是通过指向钻头实现。

2、旋转导向方式对PDC钻头受力和运动的影响

根据以上介绍，旋转导向系统的导向方式分为两种：

推靠钻头式和指向钻头式。

这两种导向方式对钻头受力的影响不同的。

2.1、推靠钻头导向方式

当采用推靠钻头导向方式时，钻头的受力和运动有如下特点：

2.1.1、推靠钻头导向方式是以力工作模式工作的，导向工具根据井眼设计要求来调整偏置力的大小和方向，将钻头推向所需方向的井壁，通过钻头的侧向切削来实现导向，因此，这种在导向方式下钻头所受的侧向力较大，保径、外排齿容易损坏。

2.1.2、由于力工作模式下系统不考虑位移的大小，因此有可能将钻头的排屑槽部分顶到井壁上，而随后的切削刀翼被憋在井壁上造成憋钻。

2.1.3、由于远钻头支点的存在，在钻头被推向井壁后本身的倾斜很小，钻头的保径段大部分会接触井壁，从而影响钻头的造斜能力。

2.1.4、当钻头被推向井壁时，由于工作区域位于一有限的圆弧段内，各刀翼不是同时接触井壁参与切削，而只有少数刀翼同时参与切削工作，当未参与切削的刀翼进入工作区域时必然产生较大的冲击，由此产生的侧向振动对钻头的寿命有较大影响。

2.1.5、由于在该模式下工作时钻头侧面大部分被偏置机构顶在井壁上，造成其所受的侧向摩阻较大，由此其所受的反向扭矩也较大，从而增大了钻头的扭矩。

2.1.6、由于PDC钻头在工作时必然会产生或大或小的侧向不平衡力，而在钻头切削齿保持一定新度的情况下，该力的方向相对于钻头基本固定在某一确定区域内，当钻头旋转导致该力方向与导向工具偏置力方向相反时必然会减小偏置力的作用而减弱钻头的侧向切削能力，当该力方向与偏置力方向一致时又会增强偏置力的作用而增强钻头的侧向切削能力，从而导致偏置力作用的周期性波动对系统控制造成不利影响。

2.2、指向钻头导向方式

2.2.1、指向钻头导向方式是在位移工作模式在工作的，导向工具根据井身设计需要在远离近钻头支点处由偏置机构产生一个偏置位移，使钻头与井眼轴线发生相对倾斜，从而实现导向钻进。

因此，相对于推靠钻头方式来说，钻头所受的侧向力较小，由于钻头偏斜至预定方向，导向时能够以主切削齿部分工作，对钻头的损害较小。

但在导向初期，冠部刀翼也可能出现局部切削的现象，因此对其冠部的磨损较为严重。

2.2.2、由于在位移模式下工作控制系统不考虑偏置力的大小，因此有可能在导向初期由于井底没有足够的偏移量，导致偏置机构强制位移造成钻头冠部受到强烈的挤压作用而早期损坏。

2.2.3、在指向钻头导向方式下工作的钻头主要靠其冠部切削能力来完成导向，为了保持稳定性需要降低钻头的侧向切削能力以及较长的非攻击性保径段。

2.2.4、导向系统对钻头的侧向挤压作用相对于推靠钻头式系统较小，因此相对于推靠式系统来说，钻头的摩阻和扭矩都较小。

2.2.5、PDC钻头上所受的不平衡力对系统的影响类似于推靠钻头导向方式。

3、适应旋转导向系统的PDC钻头切削结构

根据以上分析，适应旋转导向系统应用的PDC钻头应具备如下特征：

3.1、力平衡设计

如前所述，PDC钻头在井地工作时所受的不平衡力会对导向系统的偏置力产生干扰作用，因此，在设计时应充分考虑钻头的力平衡特性，将不平衡力尽量减小，比如将其控制在钻压值的0.5%左右，同时应将径向力与周向力比值控制在1.1~1.3，以减小周向力产生的钻头反扭矩（见参考文献[5]）。

3.2、浅内锥短冠部轮廓

由于在旋转导向时PDC钻头需要在导向系统控制下在井底灵活转向，较深的内锥和较长的冠部轮廓会限制钻头的“机动”能力，因此设计时应采用150°的浅内锥，冠部轮廓可以采用短抛物线形以获得足够的布齿密度。

3.3、连续递增后倾角

钻头内锥部分采用较小后倾角（如15°）以增强对地层的攻击性，从鼻部切削齿开始后倾角以一较小数值（如2°）连续递增直至外排最后一个齿。

采用连续递增后倾角设计可以减轻钻头切削齿受力曲线和功率曲线的波动，延长切削齿的寿命，同时可以减小钻头的扭矩波动。

3.4、过载保护齿

在每个刀翼上与该刀翼第一颗保径齿相邻的主切削齿后布置一颗过载保护齿，这种齿可以是比主切削齿小的PDC复合片，也可以是牙轮钻头用的硬质合金齿。

其出露高度应小于钻头每转进尺的有效切入深度，有效切入深度的计算方法见参考文献[6]。

采用过载保护齿的目的是防止导向系统在导向初期对钻头进行强制偏移时使外排齿受到过强的挤压载荷而损坏，其较低的出露高度保证了其在钻头正常钻进时不影响机械钻速。

3.5、选择性低扭矩侧切保径

图8

这是笔者在对旋转导向系统两种导向方式（推靠钻头式和指向钻头式）进行充分研究后提出的一种新的保径结构（图8）。

这种保径结构将保径垫分成“主动保径”和“被动保径”两种，主动保径上镶装具有刮削井壁功能的切削齿，被动保径上镶装没有切削功能的耐磨硬质合金块或采用焊接的方法在其表面敷焊耐磨硬质合金材料，主、被动保径间隔布置。

这种结构由于保径垫与井壁的接触面积小，因此降低了旋转摩阻，从而减小了钻头的扭矩。

采用这种结构的钻头在采用推靠式导向方式时由于保径垫部分也有一定的侧向切削能力，所以可以提供更好的导向能力。

而当其应用于指向式导向方式时，由于这种系统对钻头施加的侧向偏置力要小于推靠式系统，所以主动保径垫对井壁的侧切作用较小，又由于其具有较长的保径垫，故能够提供在指向方式下导向所必需的钻头稳定性。

4、结论

本文在对典型旋转导向系统导向原理和工作模式进行深入分析的基础上得出了在推靠钻头式和指向钻头式这两种导向模式下PDC钻头的受力和运动特点，根据这些特点分析提出了适应于旋转导向系统的PDC钻头应具有的力平衡、浅内锥短轮廓、连续递增后倾角、过载保护齿以及低扭矩保径等结构。

特别是在对旋转导向系统两种导向方式（推靠钻头式和指向钻头式）进行充分研究后提出了一种新的保径结构——选择性低扭矩侧切保径结构。

由于目前可商业化应用的旋转导向系统都是国外厂商生产，国内对其引进的时间较晚，应用也大多在海洋钻井中，陆上钻井鲜有关于这方面的报道，因此其应用范围就国内来说还是比较窄的。

但是随着该技术的不断发展，国内各研究机构对这种系统的研究也取得了不少成果，相信在未来不长的时间内国产的旋转导向系统必然会推向市场从而扩大该系统的应用范围。

因此，此时开展旋转导向系统适用的PDC钻头的先期研究是具有一定的前瞻性意义的。

参考文献

1、《旋转导向闭环钻井系统》，杨剑锋，张绍槐，石油钻采工艺，2002年2月（第25卷）第1期。

2、《国外典型的旋转导向钻井系统》，赵金海、朱仝塔等，国外油田工程，2002年第11期。

3、《旋转导向钻井系统的功能、特性和典型结构》，苏义脑等，石油钻采工艺，2003年8月（第25卷）第4期。

4、Newtechnologycreatesastepchangeindrillingefficiency，WorldOil，April2004Vol.225No.4

5、《力平衡技术及其在PDC钻头设计中的应用》，张建平，1999年公司论文。

6、《PDC钻头切削齿基体井底干涉的研究》，张建平，2003年公司论文。