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　　本文討論的地層的地質(zhì)特征：主要由輕質(zhì)砂巖層構(gòu)成，并含有塑性頁巖夾層和粉砂巖夾層。由于該地層砂巖的巖石顆粒粒徑介于細粒和粗之間，因此其硬度變化范圍也很大。巖石強度大幅變化使得巖石界面的情況更為復(fù)雜。

 

 

　　由于非均質(zhì)性地層含大量夾層以及巖石強度差異較大，所以該地區(qū)常用的牙輪鉆頭機械鉆速往往較低，且鉆穿此地層所需的鉆頭數(shù)量也比較多。對應(yīng)于上述地質(zhì)條件，該地區(qū)報廢的鉆頭基本上都表現(xiàn)出嚴重的切削結(jié)構(gòu)損毀，這往往在由軟地層過度到硬地層時的較大沖擊造成。同時也可以觀察到典型的由向前和向后渦動造成的偏心旋轉(zhuǎn)損毀，這個問題也需要重點考慮。并且這些偏心旋轉(zhuǎn)損毀也可以被某些底部鉆具和鉆頭穩(wěn)定器放大。由于地層傾斜，在鉆非均質(zhì)性地層時常常需要井下馬達和彎外殼定向支座來保證井眼軌跡。

 

　　以鉆直井和小角度定向井（井斜角上限為30°，全角變化率約為30°/30m）為設(shè)計宗旨的非轉(zhuǎn)盤鉆三維定向井鉆井系統(tǒng)在過去常常被用于防斜和保證鉆頭的穩(wěn)定工作狀態(tài)。該設(shè)備主要由性能良好的井下馬達和擁有先進轉(zhuǎn)向技術(shù)的井下結(jié)構(gòu)組成。本次鉆進使用的自動化定向井鉆井設(shè)備只在直井使用，主要組成：轉(zhuǎn)向穩(wěn)定器、井下馬達段、控制短節(jié)和脈沖短節(jié)。采用該設(shè)備后并不需要隨鉆測量系統(tǒng)，從而降低了總成本。該設(shè)備在定向井和直井中都不需要鉆柱的旋轉(zhuǎn)就可以得到理想的井眼軌道。井下馬達提供了鉆頭的扭矩和轉(zhuǎn)速。由于無需鉆柱旋轉(zhuǎn)，因此這使得底部鉆具組合、鉆柱、套管的磨損最小化；減弱了井眼的變形；降低了鉆柱脫扣的風(fēng)險；避免了井壁帶來的機械磨損；底部的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定器采用了支撐在井壁上的三個肋狀結(jié)構(gòu)來確保井眼垂直或完成增斜/降斜、增加/降低方位角的操作；依賴近鉆頭傾斜指示表的肋狀結(jié)構(gòu)能夠確保井眼軌道的垂直。如果近鉆頭傾斜指示表探測到井眼正在偏離鉛垂線，三個肋狀結(jié)構(gòu)就會進行調(diào)整，來對鉆頭前進方向進行糾正使其重新回到鉛垂線上。因此該設(shè)備很適合在高傾角和斷層地層中使用。常規(guī)鉆井設(shè)備在這些地層中則需要大量的時間來調(diào)整鉆頭的前進方向。

 

　　1.1復(fù)合式鉆頭技術(shù)

 

　　在非均質(zhì)地層中使用的復(fù)合鉆頭由牙輪鉆頭和PDC有機結(jié)合而成，其設(shè)計宗旨是集牙輪鉆頭和固定切削刃鉆頭的優(yōu)點于一身。PDC鉆頭的主要優(yōu)勢在于：高機械鉆速、高破巖效率（主要以剪切破巖為主）、低扭矩。復(fù)合式鉆頭的設(shè)計基礎(chǔ)是六切削刃PDC鉆頭，其中的副切削刃由截短的牙輪取代。復(fù)合式鉆頭由三個鑲齒牙輪、三個帶有16mm耐沖擊的PDC切削刃、為保護鉆頭肩部和保證切削元件密度的輔助保徑部分組成。

 

　　井眼中心部分主要由原有的PDC切削齒進行切削，而難于切削的井眼邊緣部分則由PDC鉆頭的突出部分和其它三個牙輪上的切削元件共同完成破巖。復(fù)合式鉆頭主要用于含夾層地層，在這類地層中鉆頭粘滑是一個嚴重的問題。與PDC鉆頭相比，復(fù)合式鉆頭體現(xiàn)出低扭矩、最小化的扭矩振蕩、對工具面的良好控制等優(yōu)勢。復(fù)合式鉆頭在美國為主的眾多地區(qū)應(yīng)用，并在各種不同巖性的地層（如砂巖、頁巖、燧石、花崗質(zhì)砂巖等中取得了成功）。分別在轉(zhuǎn)盤變向系統(tǒng)、井下馬達、轉(zhuǎn)盤鉆組合鉆井設(shè)備下，完成直井和水平井中100次運行、35000m進尺后，人們認為復(fù)合式鉆頭能夠迎接非均質(zhì)地層中地層帶來的挑戰(zhàn)。

 

 

　　復(fù)合鉆頭以5.85m/hr的平均機械鉆速完成了在含砂巖和頁巖夾層地層中362m（2138-2500m）的鉆進，起鉆的原因是進入了下套深度。鉆砂巖的機械鉆速高于鉆頁巖時的機械鉆速。機械鉆速的變化范圍為3—8.5ft/hr。在鉆進的大部分時間里，鉆壓高于33klb，鉆頭轉(zhuǎn)速為110轉(zhuǎn)/分、泵排量為700gal/min。自動化定向井鉆井設(shè)備運行的整個過程中，即使在進入過渡帶時，扭矩的擺動也很少發(fā)生。而且復(fù)合式鉆頭對工具面的控制和穩(wěn)定在整個過程中也是完美的。復(fù)合式鉆頭結(jié)構(gòu)中的牙輪和PDC切削齒在完成本次鉆進后仍保持完好無缺。鉆頭并未受到損毀和自動化定向井鉆井設(shè)備的穩(wěn)定壓差表明：復(fù)合式鉆頭在鉆穿整個過渡帶時運行穩(wěn)定。與相同狀態(tài)下的PDC和牙輪鉆頭相比，復(fù)合式鉆頭的機械鉆速在鉆穿不同地層時變化不大。

       3結(jié)論

 

　　復(fù)合式鉆頭在非均質(zhì)地層中使用收獲了令人滿意的穩(wěn)定性和機械鉆速、良好的防斜能力。為此人們也有理由期待，復(fù)合式鉆頭也將適用于那些牙輪和PDC鉆頭無法使用的夾層更多的地層。同時人們也計劃將復(fù)合式鉆頭引入內(nèi)陸以更一步的體現(xiàn)出其價值并推廣應(yīng)用。