■ 徐 昉

1989年间，美国阿莫科石油公司的研究人员发现，回旋现象是PDC钻头经常会遇到的一种振动模式，用PDC钻头钻井时如发生回旋能在几秒钟内彻底损坏钻头。从那时起至今，PDC钻头设计师们就一直致力于开发能够有效实现抗回旋的PDC钻头。

然而，在目前的常规旋转钻井中，回旋还是造成PDC钻头损坏的主要原因吗？答案是否定的。科学研究人员经过长期的研究和试验后发现，在常规旋转钻井中，尤其是在硬岩直井钻井过程中，最常见的振动形式是粘-滑而非回旋。同时，PDC切削齿技术的飞速发展也使得在钻井过程中能够给钻头施加更大的钻压，以便提高钻井效率，但钻压越大则越容易引起粘-滑振动，所以，与以前的钻井实践相比，现在的PDC钻头更容易受到粘-滑振动的影响。因此，在石油与天然气钻井过程中，无论是勘探井还是生产井，有效防止钻柱的扭转振动或粘-滑振动都是十分重要的。

实际上，钻井研究人员对钻井过程中的粘-滑现象进行研究已有二十多年的历史，并认为它是造成各种钻井问题（如过度的钻头磨损、早期钻具失效以及钻井速度过慢等）的一个主要原因。原因之一就是在粘-滑振动的滑动相中会产生很高的峰值速度，而这种过高的旋转速度又会带来极端的轴向和侧向加速度和作用力。

在实际钻井过程中，由于在钻头上施加的扭矩（一般大约为500～10000 Nm）过程中钻柱会被扭转好几圈，钻柱同时还会体现出一种复杂的动态行为，包括轴向振动、侧向振动以及扭转振动。在地面和在钻头处对钻井旋转情况所进行的同步测量表明，钻柱的行为常常就像是一个扭转钟摆，也就是说，钻柱在其顶部是以恒定的角速度旋转的，而在钻头处则是以变化的角速度旋转的，其中包括一个恒定的部分，同时还呈现出扭转振动。如果出现极端情况，其扭转振动情况会变得很严重，以至于使钻头会周期性的完全停止转动，而在此期间钻柱的扭矩则会迅速增大，直到钻头突然以比在地面上测量到的角速度快很多的角速度再度旋转，这种现象在钻井过程中就被称为粘-滑振动。

因此，目前在石油及天然气钻井设计过程中，粘-滑振动现象已成为一个需要评价的重要因素，其主要原因是现代钻井技术的特点是常常要求采用包括PDC钻头在内的全套先进井下工具，以便能够一次下井即可钻完整个井段，然而在难钻地层中，PDC钻头却经常会面临着严重的粘-滑振动，因而使得钻井过程效率很低甚至有时会具有破坏性。因此，在钻井过程中有效的控制粘-滑振动现象可以在很大程度上延缓钻头失效，提高机械钻速，降低钻井成本。

目前国内外已有多家厂商推出了各种防粘-滑钻井工具，其中美国Ulterra（阿特拉）公司和挪威Tomax公司的产品很有代表性。Ulterra公司的TorkBuster防粘滑工具可直接配置在用于旋转或定向钻井的底部钻具组合的PDC钻头上方，特点是能够向钻头施加旋转冲击力，通过加大钻头切削齿与岩层之间界面的能量而提高钻井效率（机械钻速）、延长钻头寿命并减小与钻头有关的粘-滑振动。在钻井过程中，使用TorkBuster防粘滑工具可通过改善钻头性能而降低钻井成本，可以使用进攻性更强且效率更高的PDC切削结构，在硬地层钻井实践中能够实现更高的机械钻速（ROP），同时能够延长PDC钻头的工作寿命从而减少起下钻次数。另外，应用这种防粘-滑工具还能够最大程度地减少与扭转振动相关的损坏，延长整个底部钻具组合的工作寿命，而且在定向钻井中还能够改善PDC钻头的工具面控制。

Ulterra公司的TorkBuster防粘滑工具

Tomax公司的专用防粘-滑工具（AST）则是一种独立的、可用螺栓上紧的工具，不需要增加井队人员即可轻松。这种专用防粘-滑工具在使用时一般是被置于随钻测量工具或底部钻具组合的非磁性部分的上方，可以与PDC划眼工具一同使用。AST在外观上非常像是一个减振器，但实际上它更像是一个牵引控制装置，供给钻头的全部重量和扭矩都会通过这种防粘-滑工具，而该防粘-滑工具则应用其内部机构连续控制所施加的重量，从而使得能够保持一个稳定的负载，进而防止钻柱被卡滞或是积聚过大的扭转能量。据Tomax公司介绍，由于其专用防粘-滑工具（AST）是一种能有效防止钻柱超载并使钻头稳定的井下装置，所以，使用该防粘-滑工具后可在PDC钻头上设计更为锋利的切削齿以提高钻速。通过采用Tomax公司设计制造的专用防粘-滑工具AST，可为钻井创造一种没有粘-滑振动的平稳钻井环境。

Tomax公司的专用防粘滑工具（AST）

总之，在采用PDC钻头进行实际钻井的过程中，如果能够有效地抑制钻头与钻柱的粘-滑振动，形成稳定的井下钻井工况，且同时又能释放出一定的钻柱能量的话，就可以有效的延长PDC钻头的使用寿命并实现更高的机械钻速。