钻头冠部和规径如何影响井眼轨迹

钻头冠部和规径如何影响井眼轨迹
技术助理编辑Karen Bybee 编写的这篇文章包含了SPE74459（钻头冠部和规径如何影响井眼轨迹）的重要内容。

此篇文章最先在2002年2月26-28日的IADC/SPE 钻井会议上发表。

PDC钻头的定向行为分析结果表明PDC钻头每一部分对于影响钻头移位趋向和导向性都起着主要作用。

本文就这些主要因素对井眼轨迹的影响作了大量分析评估。

为了测量PDC钻头的移位趋向和导向性，建立了一个1：1 的钻井平台。

结果表明钻头冠部、规径齿、规径长度对于移位趋向和导向性有极大的影响。

同时研制出3D岩石/钻头相互作用模型，仿造钻井试验结果。

简介
石油和天然气行业主要依靠定向钻井，在环境敏感区和限制区开发多层井、定向井和延伸井，增加石油储量。

这样的定向系统如：旋转井底钻具组合、导向泥浆马达或旋转导向系统都用于控制复杂井的井斜。

不论运用哪一种系统，全面钻进钻头都会影响钻井系统的定向行为。

背景
PDC钻头定向行为特征是钻头移位趋向和导向性。

PDC钻头的移位角指的是施加在钻头上的侧向力方向和从垂直于钻头轴线的平面所测得的横向位移方向之间的夹角。

当钻头横向位移在侧向力的左边时，钻头有向左移位的趋向；如果横向位移在侧向力的右边，钻头就有向右移位的趋向。

中性钻头的横向位移与侧向力方向一致。

钻头导向性代表钻头顺着侧向力和轴向力进行侧向造斜的能力。

钻头导向性代表钻头进行侧向造斜的能力，即侧向可钻性与轴向可钻性的比。

侧向可钻性是钻头旋转一周的横向位移除以侧向力的结果。

轴向可钻性是钻头旋转一周的轴向进尺除以钻压的结果。

许多PDC钻头的导向性根据切削冠部、规径齿和规径瓣的特征，范围从0.001到0.1不等。

具有强导向性的钻头具有很强的侧向趋势，并且能使造斜和降斜率达到最大。

岩石/钻头相互作用模型
在过去30年里，Ecole des Mines de Paris研究出一套用于切削和钻井系统设计和选型的方法。

并仔细研究了如何提高钻井效率、减小磨损、防振以及有效清
洗钻头。

研制出A3D岩石/钻头相互作用模型来计算PDC钻头在均质地层和非均质地层中的定向行为。

钻头模型包括与地层相互作用的三个部分：切削结构、主动规径即规径齿、被动规径即规径瓣。

切削结构：
岩石/钻头模型包括具有PDC几何特征的PDC相互作用模型（这些特征包括切削齿尺寸和几何结构、后倾角、倒角、磨损和摩擦力）以及岩石特征（内聚力、内摩擦角、单轴抗压强度、孔隙压力和倾角）。

切削结构由切削冠部、切削齿位置和方位确定。

主动规径
主动规径与切短的PDC切削齿相一致，这个切短的PDC齿使钻头直径与从切削结构到被动规径间的过渡相一致。

在单齿试验中，研制出一个切削齿/岩石相互作用模型，并把它与岩石/钻头模型结合起来。

主动规径取决于它的长度、切削齿数量、切削齿后倾角以及岩石摩擦表面（由切削齿切短情况决定）。

被动规径
被动规径即规径瓣对PDC钻头稳定性起着重要的作用。

被动规径的主要特征是长度、环形覆盖和表面粗糙度。

在岩石/钻头模型中被动规径的特征是长度和刀翼特征（如数量、直刀翼或螺旋刀翼、金刚石或碳化钨镶块），这些因素都会影响钻头的运动轨迹。

运动学
假定钻头连续围绕轴线旋转。

用5个变量来描述钻头——三个直移运动，两个旋转运动。

描述了钻头的运动后，岩石/钻头模型计算所有切削元件上的力，将钻头表面的力加在一起，产生一个总体的力和钻头旋转一周的平均扭矩。

结论
轴向和横向运动需要3D岩石/钻头模型计算出钻压和侧向力。

通过岩石/钻头模型计算出的钻头导向性是钻压、侧向力、岩石强度和非均质体的一个函数，通过这些参数可预测移位角和导向性。

实验室测试
定向钻井平台。

修改现有钻井平台，以便测量钻头导向性和移位趋向。

新系统可以测试大到12-1/4”的钻头侧切削能力和移位趋向。

定向测试可采用大至15吨
的钻压和大至1.5吨的横向力。

横向可钻性通过岩石样本的横向位移和由此引起的侧向力计算得出。

轴向可钻性可从ROP，转速和钻压中测出。

测试步骤。

所有试验在孚日山脉的单轴抗压强度为40Mpa的硬砂岩中进行。

以600升/分钟的固定流速使用1150千克/立方米的水基泥浆。

转速保持在60转/分，钻压和侧向力不断变化以测试他们对导向性和移位趋向的影响。

离开井底试验用于测试主动和被动规径的侧向可钻性。

在这个试验中，将钻头保持在井底上方，施加一个侧向力测试规径与井眼的相互作用。

在定向钻井平台上测试了三只具有不同冠部形状的PDC钻头（图1）。

三个不同冠部的钻头后倾角的分布都一样，范围从内锥角15°到外部结构30°不等。

钻头的基本特征为：8-1/2”，8个螺旋型刀翼，13.3厘米PDC切削齿，4个喷嘴。

三个钻头都有被动规径，各自都有不同类型的镶齿来保护规径。

为了评估三个钻头不同零件的作用（如切削结构、主动规径和被动规径），采用了五种不同的结构来测试每只钻头。

首先，分别测试被动规径长度为4、2、1英寸的三只钻头。

然后测试没有被动规径的三只钻头，最后测试只有切削结构（没有主动和被动规径）的三只钻头。

结果
导向性。

钻头导向性随被动规径长度的减小而增强。

所有试验都采用相同的钻压和侧向力。

钻头A导向性能最强。

这是由不同的主动规径长度和不同的钻头冠部引起的，并得到了3D岩石/钻头模型的计算验证。

在没有被动规径的测试中，钻头A导向性最强，钻头C最弱。

钻头C主动规径最长，而钻头A则最短。

在只有切削结构的测试中，钻头B导向性最强，钻头C 最弱，这是因为钻头冠部不同。

钻头B有一个平的冠部（IADC 钻头冠部，代号9），钻头C冠部成中锥形（IADC钻头冠部，代号5）。

施加了不同侧向力的试验结果表明钻头导向性取决于侧向力的强度。

主动规径为2英寸的钻头C，当侧向力增长27%时，其导向性增长30%。

离开井底试验证实主动和被动规径的侧向可钻性取决于所施加的侧向力。

而钻压对侧向可钻性似乎没有影响。

移位趋向。

在有主动和被动规径的测试中，不论被动规径有多长，PDC钻头总有向左移位的趋向。

在只有切削结构的测试中，钻头A 有向右的移位趋向，钻头C
有向左移位的趋向，钻头B则处于中立趋势。

在定向钻井平台上所测得的移位趋向使钻井测出的实际数据与岩石/钻头模型计算的数值相互关联。

由于钻头B的移位趋向依次为中立、左、右、中立……，因此在井眼中呈螺旋式运动趋势。

这是由钻头平滑的冠部所导致。

钻头/钻具组合耦合模型
Ecole des Mines de Paris研制出的软件将3D岩石/钻头模型和3D机械钻具组合模型结合在一起，可预测井眼轨迹、井斜趋势和方位角。

3D机械模型以有限元法为基础，可以预测结构变形、施加在系统上的力以及钻杆和井壁之间各个部位的接触力。

将BHA 和钻头的定向行为相结合，软件可以计算出钻井系统理论上的3D平衡曲率。

结果。

用钻头/BHA模型计算已钻的两口井的造斜和降斜率及方位偏转速率。

在计算中，所有的扶正器都是全规径。

钻井1时，所计算出的钻头W的导向性产生的造斜率与所测量的非常接近。

在井2中，预计造斜/降斜率从钻头X降斜-0.42度/30米到钻头Z增斜0.38度/30米不等。

在这口井中，钻头W的预测降斜率与实际降斜率不一致，这是因为钻头W理论上的导向性没有实际的强，但是高侧向力导致钻头导向性的增强与油田观察的高降斜率相一致。

这些计算的结果证实了钻头导向性对井眼轨迹的影响以及计算出正确的钻头导向性对正确预测井眼轨迹的重要性。

结论
1．PDC钻头的移位角不仅取决于钻头冠部，还取决于主动和被动规径。

2．实验室试验表明具有被动规径的钻头有向左的移位趋向。

3．PDC切削结构的移位角是内锥角高度、外部结构高度和后倾角的一个函数，并受主动和被动规径的影响。

4．PDC钻头导向性取决于钻头冠部，随主动和被动规径长度的增加而减弱。

5．钻头/BHA模拟以及与油田结果的对比显示钻头移位角对井眼造斜和降斜率没有影响，而导向性和造斜/降斜率却有明显的关系。