單牙輪鉆頭在定向側(cè)鉆井中的推廣應(yīng)用

前言

　　鉆頭是影響定向側(cè)鉆機(jī)械鉆速的重要因素之一，現(xiàn)在側(cè)鉆井常用的小尺寸鉆頭主要有三牙輪鉆頭、PDC鉆頭和單牙輪鉆頭，其中，三牙輪鉆頭最明顯的缺點(diǎn)是軸承尺寸小，它主要靠沖擊、壓碎和小距離刮擠方式破巖，鉆頭接觸井底的牙齒數(shù)變化大，牙齒受力不均勻，軸承使用壽命短；PDC鉆頭由于受結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，不僅工作時(shí)扭矩較大，牙齒的沖洗和冷卻困難，而且它對(duì)地層巖性的敏感性較強(qiáng)，不適合鉆進(jìn)礫石地層和軟硬交錯(cuò)的地層；目前勝利油田定向側(cè)鉆使用最多的就是江漢鉆頭廠生產(chǎn)的單牙輪鉆頭，它比三牙輪鉆頭更適用于強(qiáng)度和塑性同時(shí)都大的地層，同時(shí)又能適用于PDC鉆頭難于對(duì)付的硬夾層和其他復(fù)雜地層，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸承空間大，使用安全可靠，鉆頭尺寸容易小型化，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。
　　
　　二、單牙輪鉆頭的改進(jìn)及特點(diǎn)
　　
　　（一）問題的發(fā)現(xiàn)及改進(jìn)
　　1999年，井下作業(yè)公司開始引進(jìn)江漢鉆頭廠生產(chǎn)的YA系列單牙輪鉆頭，之前用的最多的是PDC鉆頭，平均機(jī)械鉆速僅有1.0m/h左右，在單牙輪使用初期，也僅用于穩(wěn)斜段，在增斜段使用時(shí)測(cè)斜儀的指示波動(dòng)大，操作困難，后來經(jīng)過對(duì)增斜鉆具組合合理調(diào)整，鉆進(jìn)中測(cè)斜儀器顯示良好，這才發(fā)揮出了單牙輪鉆頭鉆速快的優(yōu)勢(shì)，并且可使用于全部裸眼井段。但1999-2001年期間使用的單牙輪鉆頭發(fā)展還不成熟，存在巴掌易刺壞、牙輪牙齒磨損快、牙輪流道易沖蝕、使用壽命短、機(jī)械鉆速低等問題， 根據(jù)施工中出現(xiàn)的各種問題，我們提出了改進(jìn)措施，并結(jié)合江漢鉆頭廠共同研究，將單牙輪鉆頭的軸承、牙齒、牙輪掌背及流道進(jìn)行了強(qiáng)化處理和改進(jìn)，改進(jìn)后的單牙輪鉆頭在小井眼鉆井的應(yīng)用中獲得了極大成功，克服了以前單牙輪鉆頭的各種缺陷，它消除了單牙輪鉆頭牙齒易掉落、掌背易刺穿、過多的起下鉆以及鉆井成本較高等問題，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。
　　改進(jìn)后的YA系列單牙輪鉆頭在階梯牙輪的永久接觸區(qū)鑲裝耐磨性好的錐球齒、輪換接觸區(qū)鑲裝耐磨性好的楔形齒、牙輪頂平面鑲裝小直徑硬質(zhì)合金齒防止牙輪基體磨損，鉆頭體鑲裝錐球齒加強(qiáng)保徑，加強(qiáng)了鉆頭底部銑齒的研磨性；并對(duì)牙掌軸頸表面強(qiáng)化處理，牙掌軸承副表面堆焊硬金屬層，牙輪內(nèi)孔鑲焊減磨合金，提高了軸承工作能力；優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆頭體主水孔流道直徑、位置、和傾斜角度，增加掌背厚度，降低主水孔流道內(nèi)流速，有效防止流道沖蝕；
　　（二）YA系列單牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　1.軸承尺寸大，常用的￠118mm單牙輪鉆頭軸承尺寸和強(qiáng)度可以達(dá)到￠215mm以上三牙輪鉆頭的軸承尺寸規(guī)格，在小井眼中使用安全可靠。
　　2.YA系列單牙輪鉆頭是一種減速鉆頭，即牙輪的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速要比鉆頭的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低，其旋轉(zhuǎn)速度僅相當(dāng)于同尺寸三牙輪鉆頭的一半左右。
　　3.單牙輪鉆頭水力系統(tǒng)采用主、副兩水眼式結(jié)構(gòu)，使用擴(kuò)散型噴嘴的上井眼徹底徹底清洗牙輪，使用射流型噴嘴的下水眼提高射流沖刺力，有效的清除巖屑和輔助破巖。
　　4.單牙輪鉆頭牙齒采用交錯(cuò)布齒，牙輪形狀、齒排數(shù)、齒數(shù)、露高等都通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬優(yōu)選，使切削結(jié)構(gòu)在井底形成的網(wǎng)狀切削模式更均勻，以及井底覆蓋更好。
　　5.該鉆頭采用牙輪和鉆頭體兩極保徑，鉆頭體上鑲裝主動(dòng)切削保徑和被動(dòng)抗磨保徑齒，使鉆頭具有較好的保徑作用和倒劃眼功能，在單牙輪永久接觸區(qū)鑲裝耐磨性好的錐球齒，增強(qiáng)牙齒的耐磨性。
　　
　　三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
　　
　　勝利油田井下作業(yè)公司從1992年開始進(jìn)行老井側(cè)鉆，但因小尺寸鉆頭機(jī)械鉆速低，側(cè)鉆工期長(zhǎng)、成本高、工藝不成熟，一直沒有真正形成規(guī)模。自1999年以來，勝利油田通過一系列技術(shù)攻關(guān)，技術(shù)水平發(fā)生了“質(zhì)”的飛躍。特別是單牙輪鉆頭的改進(jìn)和推廣應(yīng)用解決了多年來制約小井眼鉆井的“瓶頸”問題,解決了小井眼側(cè)鉆井鉆頭使用壽命短、機(jī)械鉆速低等諸多難題。
　　
　　表3－1改進(jìn)后的單牙輪鉆頭在勝利油田所施工的部分側(cè)鉆井的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表。從單牙輪鉆頭在現(xiàn)場(chǎng)的使用效果來看，單牙輪鉆頭具有以下特點(diǎn)：
　　（一）單牙輪鉆頭的主要優(yōu)點(diǎn)是提高了側(cè)鉆井機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本。
　　（二）鉆進(jìn)平穩(wěn)。單牙輪鉆頭在牙齒吃入并刮削地層時(shí)，有較多的牙齒與井底保持接觸。它不同于三牙輪鉆頭的滾動(dòng)沖擊和刮削地層，也有別于PDC鉆頭的剪切地層。
　　（三）單牙輪鉆頭克服了PDC鉆頭軟地層易泥包、硬地層進(jìn)尺慢等缺點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因小井眼PDC鉆頭泥包問題，每口井平均需起下鉆4次左右，使用單牙輪鉆頭可減少了起下鉆次數(shù)，縮短了施工周期。
　　（四）單牙輪鉆頭平均使用壽命60多小時(shí)，小尺寸三牙輪鉆頭平均純鉆進(jìn)時(shí)間20小時(shí)左右，是三牙輪鉆頭的3倍。
　　（五）單牙輪鉆頭所需扭矩比固定切削齒鉆頭所需扭矩小，配合井下動(dòng)力鉆具能滿足高轉(zhuǎn)速的需要。
　　（六）單牙輪鉆頭對(duì)鉆壓的影響要比對(duì)轉(zhuǎn)速的影響更為敏感，它主要以刮削方式破碎巖石，施加合理的鉆壓能夠獲得較快的機(jī)械鉆速。適用于高轉(zhuǎn)速高鉆壓下的老井開窗側(cè)鉆、老井加深等小井眼鉆井作業(yè)。
　　四、結(jié)論
　　改進(jìn)后的單牙輪鉆頭經(jīng)過多次實(shí)踐，使用效果較好，能夠提高側(cè)鉆井機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，從而降低鉆井成本，即可應(yīng)用于增斜鉆進(jìn)，更適合穩(wěn)斜鉆進(jìn)，更適用于小井眼鉆井，因單牙輪鉆頭在套管內(nèi)定向側(cè)鉆中有廣泛的應(yīng)用前景。