PDC钻头保径特征对定向性能的影响

PDC 钻头保径特征对定向性能的影响

PDC 钻头的导向能力是由钻头剖面、保径齿和保径块共同决定的。对于每一个IADC 钻头剖面标准，钻头的导向性和漂移趋势可以通过一些经验方程来确定，这些方程仅仅与切削剖面的高度和长度有关。现在人们逐渐认识到PDC 钻头的保径对其导向能力影响更大。现在越来越多利用保径长度和保径齿特性来提高钻头导向性。

一．钻头导向性的定义

钻头的导向性(Bs)是当钻头受到横向和轴向力时产生横向位移的能力，可以用横向和轴向钻进能力的比值来表示：

lat

ax D BS D (1)

横向钻进能力lat D 是钻头在横向力作用下每旋转一周产生的横向位移,轴向钻进能力ax D 是钻头在钻压作用下每旋转一周的轴向钻进位移。对大多数PDC 钻头来说,BS 数值通常介于0.001-0.1之间,与切削形状、保径齿和保径块的特性有关。导向性越高的钻头，它的横向偏移趋势越强，可获得最大的造斜率或降斜率。

在定向井作业中，PDC 钻头除了应具备一定的稳定性和耐用性要求，钻头必须要对导向系统产生的侧向力能够恰当、迅速的作出反应，以便进行造斜。因此，钻头的导向性应该与导向系统相一致。钻头的设计应该考虑这三部分与地层的相互作用——切削结构(主要是切削剖面和后倾角)，主动保径(保径齿或保径齿)，被动保径(一般叫做保径块)。PDC 切削结构的导向性主要依赖于钻头剖面；钻头越平，导向性越强。

Barton [1]进行了大量不同钻头剖面的数值模拟，计算各向异性指数(相当于Bs)。作者观察到随着锥形长度的降低，导向性增加，平钻头剖面产生高的各向异性指数。

钻头的导向性不仅与钻头剖面有关，而且与保径特性(保径齿和保径块)关系更大。

有研究[2]发现在钻头施加侧向力。发现保径块(全保径)消耗了84%的侧向力，相比而言，钻头剖面(切削结构)只消耗了少量的侧向力。

图1 定向井PDC

钻头各部位消耗的侧向力

Fig1 The lateral force consumed by each part of the PDC bit in directional drilling

二．保径特性对其导向性的影响

主动保径由PDC 钻头的直径位置上的削平部分构成，形成了切削结构和被动保径之间的过渡区。

图2 主动保径

Fig2 Description of the active gage

大部分钻头上的保径齿预先磨平，并与岩石有两个接触面，切削面和摩擦面。全圆柱PDC 切削齿能减少井眼的摩擦面，因此增加侧向切削能力，但产生的反扭矩较大。主动保径的侧向切削能力很大程度上依赖切削过程的整个摩擦面。摩擦面越大(大量保径齿),钻头导向性越差。原因是在钻头发生侧向侵入之前，一部分侧向力要克服摩擦力。

被动保径(图3)有许多设计特征。被动保径的主要特性是长度，PG L ；环形覆盖，PG C (取

决于保径块的数量和螺旋角)；表面粗糙度(光滑保径块，例如低摩擦或是易吃入地层保径块，取决于碳化物或金刚石的嵌入类型)；保径直径，

PG φ(全保径或尺寸不足)。所有这些参数确定井眼中的摩擦面积，fPG S 。这个摩擦面通过室内定向钻井架进行测定，在一定的钻压和侧向力作用下，使用全尺寸钻头钻进岩样进行试验。此面积与保径长度有关：

fPG PG S kL = (2)

式中，k 是和周向覆盖系数，

PG C ；保径块的数量；保径直径，PG φ；表面粗糙度相关

的。

图3 被动保径（保径块）

Fig3 Description of the passive gage (gage pad)

一般认为，保径长度是选择PDC 钻头的关键因素，也是有争议的因素。长度该如何选择。一般认为长保径不利于井眼造斜，短保径和主动保径(1.5寸以下)更利于产生侧向切削。这些短保径设计将产生质量较差井眼，表现在：不规则、台阶和螺旋井眼。相反地，长保径设计因为提高了稳定性，从而可以防止井眼螺旋和钻头回旋，从而钻出高质量的井眼，但不利于侧向切削。然而，最近研究发现：通过合理设置扶正器位置、弯角、发动机距离，甚至在导向性BHA 中使用长保径钻头，都能够获得好的导向性，而且指引钻头式系统一般使用加长保径钻头。

完整钻头的导向性公式如下[3]：

2

18BS D ∝(3) 从公式(3)可以看出：保径块越长（更大的摩擦面积，fPG S ），钻头导向性越差。保径块

产生的摩擦降低了导向性。如果保径缩短，随着和井眼摩擦面

fPG S 的急剧减小，导向性增

加。

三．保径的各项特性对定向性能优化的影响 在定向钻井中，技术和实践上要求钻进的稳定性，钻速，导向性，耐用性和井眼质量的最优化。井底钻具组合和钻头的发展必须辅助优化这一过程。

保径的设计和配置直接影响着钻头地稳定性、导向性和井眼的质量。

关于保径设计对PDC 钻头性能的影响，尤其是对在定向钻井中的影响，争议由来已久。包括许多因素，如保径长度的定义都没有统一。在多数情况下保径长度和被动保径长度被当做一回事，但是它们是不同的设计参数。

(1)保径长度GL

保径块长度即被动保径长度(PG L )：从钻头剖面的最后一个保径切削齿开始测量，被定义成超过这个点，在钻头直径位置上，并远离钻头顶部的部分。

保径齿长度即主动保径长度(AG L )：从钻头剖面的最后一个保径切削齿并朝着钻头顶部方向开始测量，保径齿长度被定义成在钻头直径上构成PDC 钻头切削齿的部分。

保径长度(GL)：保径的长度是保径块长度和保径齿长度之和。

A G P G G L L L =+ (4)

上面的定义说明了保径块长度和保径长度的区别。分布在钻头主动保径上的切削齿确保了钻成全保径尺寸的井眼。

当其他参数确定时，包括主动保径，保径块长度对性能优化的影响如下：

1)增加保径块的长度可以提高钻头的侧向稳定性。在钻进过程中，初始时刻钻头面部的横向偏移趋势是会因为钻头总体硬度的增加而减小的。

在硬地层中钻头横向如果没有好的稳定性(切削结构不合理)那涡动趋势就会很明显。

2).增加保径块长度会提高扭矩，尤其在定向井中。这是因为增加了钻头和地层在保径处的接触面积。

但是，值得注意的时扭矩的增加并不意味着钻头不稳定。实际上，扭矩稳定表明钻头稳定。扭矩增加会使钻头更容易产生粘滑卡钻，尤其是在低转速和钻头侧向不平衡情况下 (切削结构不合理)。

3)增加保径块长度会提高钻头的强度，这将提高钻头的抗压性。