PDC鉆頭扭矩控制技術(shù)分析

韓 飛，郭慧娟，戴 揚(yáng)，楊斯媛，楊 磊

（1.中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195；2.中國石油集團(tuán) 辦公廳，北京100007）①

PDC鉆頭能顯著提高鉆井效率，已得到廣泛應(yīng)用［1］。但是，PDC鉆頭在鉆遇硬地層（尤其是深井、超深井的軟硬交錯(cuò)地層）時(shí)，扭矩波動(dòng)較大、蹩跳鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆頭使用壽命低，機(jī)械鉆速低。國外一些公司開展了相應(yīng)扭矩控制技術(shù)的研究，主要的研究思路有2種：

1） 通過泥漿作用，在原有鉆頭扭矩基礎(chǔ)上提供高頻、低幅的協(xié)助破巖扭矩，以提高鉆頭破巖扭矩，防止鉆頭停轉(zhuǎn)及蹩跳鉆。

2） 通過井底工具自身的結(jié)構(gòu)，不借助外部能量，實(shí)現(xiàn)鉆頭扭矩的實(shí)時(shí)自平衡。

本文通過對(duì)國外先進(jìn)PDC鉆頭扭矩控制技術(shù)的介紹及分析，為國內(nèi)PDC鉆頭扭矩控制技術(shù)的研發(fā)提供一些建議和參考。

1 PDC鉆頭扭矩波動(dòng)機(jī)理

在正常鉆井條件下，PDC鉆頭能以極高的速度和效率鉆穿地層（如圖1a）。但在鉆遇硬地層時(shí)，PDC鉆頭會(huì)隨時(shí)停轉(zhuǎn)，直至有足夠的破巖扭矩來剪切開巖層。此時(shí)，鉆柱存儲(chǔ)大量扭矩能量（如圖1b）。一旦鉆頭達(dá)到破巖扭矩值時(shí)，鉆柱存儲(chǔ)扭矩能量瞬間釋放，鉆頭將會(huì)以高于普通鉆頭的轉(zhuǎn)速破巖（最高可達(dá)井口轉(zhuǎn)速的2倍），產(chǎn)生劇烈蹩跳鉆現(xiàn)象（如圖1c）。從對(duì)PDC鉆頭鉆井過程中的鉆頭扭矩波動(dòng)（如圖2）分析來看，PDC鉆頭在鉆硬地層時(shí)，扭矩的波動(dòng)會(huì)使鉆頭產(chǎn)生劇烈的沖擊載荷。這些劇烈的沖擊載荷將會(huì)大幅降低鉆頭的壽命、降低鉆井的機(jī)械鉆速。同時(shí)，鉆柱聚集大量的扭矩能量后，容易損壞一些精細(xì)的工具，例如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、MWD等，還會(huì)造成鉆柱粘扣。

圖1 PDC鉆頭鉆井過程示意

圖2 PDC鉆頭在硬地層鉆進(jìn)時(shí)扭矩波動(dòng)示意

2 技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前，國外一些石油公司已經(jīng)擁有成熟的PDC鉆頭扭矩控制技術(shù)，具有代表性的產(chǎn)品主要有Ulterra公司的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具（TORKBUSTER），Southard公司的行星鉆頭驅(qū)動(dòng)器（Planetary Bit Driver）及Tomax公司的衡扭矩鉆井工具（Anti Stall Tool）。

2.1 旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具

Ulterra公司研制的旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具（如圖3）的設(shè)計(jì)理念是基于傳統(tǒng)液動(dòng)沖擊鉆具技術(shù)，唯一不同的是旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具將鉆井液能量轉(zhuǎn)化為一種直接施加到PDC鉆頭上的一個(gè)持續(xù)、高頻、均勻的沖擊扭轉(zhuǎn)力，協(xié)助PDC鉆頭破巖，其沖擊頻率為680～2 400Hz，沖擊扭矩為610～1 627N·m。旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具能夠使PDC鉆頭在平穩(wěn)的鉆井扭矩條件下進(jìn)行高效破巖，其破巖扭矩波動(dòng)模擬曲線如圖4（假設(shè)在井口恒鉆壓條件下）。

圖3 TORKBUSTER旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具樣機(jī)

旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具由鉆井液能量轉(zhuǎn)換器、沖擊扭力發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)短節(jié)以及鉆頭接頭等組成。部分鉆井液從上接頭旁通口進(jìn)入鉆井液能量轉(zhuǎn)換器，鉆井液能量轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)下部驅(qū)動(dòng)短節(jié)內(nèi)的2個(gè)動(dòng)力錘持續(xù)相互反轉(zhuǎn)碰撞，產(chǎn)生的高頻沖擊扭矩，經(jīng)鉆頭接頭傳遞給鉆頭，使鉆頭均勻、穩(wěn)定地破碎巖石，可獲得較高的機(jī)械鉆速，并達(dá)到延長鉆頭壽命的目的［2］。

圖4 旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具扭矩波動(dòng)示意

目前，該公司的產(chǎn)品主要有4種型號(hào)，外徑分別為127、165、219、279mm。該旋轉(zhuǎn)沖擊鉆具已經(jīng)在油田現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用效果明顯。我國的中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院引進(jìn)了扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具及PDC鉆頭，在川東北地區(qū)元壩10井進(jìn)行了應(yīng)用，最高機(jī)械鉆速提高3.04倍，鉆頭壽命提高2.89倍［3］。

2.2 行星鉆頭驅(qū)動(dòng)器

Southard公司的行星鉆頭驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理念是基于解決定向鉆井時(shí)較大的反扭矩導(dǎo)致工具面控制不穩(wěn)、影響鉆進(jìn)的速度及連續(xù)性問題。

行星鉆頭驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖5，主要由中心鉆頭、外部鉆頭、行星齒輪、軸承及心軸等構(gòu)成。工作時(shí)，動(dòng)力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)心軸并帶動(dòng)中心鉆頭順時(shí)針鉆進(jìn)；同時(shí)，心軸在行星齒輪作用下驅(qū)動(dòng)外鉆頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，中心鉆頭及外部鉆頭的扭矩相互平衡，從而減少甚至消除了在下部鉆具組合上的反扭矩［4－7］。

圖5 行星鉆頭驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

目前，行星鉆頭驅(qū)動(dòng)器正進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，尚未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平。

2.3 衡扭矩鉆井工具

Tomax公司的衡扭矩鉆井工具（如圖6）是基于對(duì)鉆頭扭矩能量的存儲(chǔ)和釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭扭矩的實(shí)時(shí)自平衡，實(shí)現(xiàn)鉆頭扭矩波動(dòng)的“消峰填谷”。

該工具主要由上接頭、彈簧套、彈簧、導(dǎo)向套及螺旋心軸等構(gòu)成。當(dāng)PDC鉆頭的扭矩達(dá)到一定值時(shí)，衡扭矩鉆井工具克服彈簧力，上接頭、彈簧套、導(dǎo)向套相對(duì)于螺旋心軸的螺旋花鍵配合在一起，壓縮彈簧，使整個(gè)工具處于壓縮狀態(tài)，使整個(gè)鉆井管柱變短（存儲(chǔ)扭矩能量）。這時(shí)鉆頭會(huì)被逐漸從井底提起，直到鉆頭回到原來的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)鉆頭的扭矩減少時(shí)，彈簧將會(huì)適當(dāng)?shù)乩欤ㄡ尫排ぞ啬芰浚?，維持鉆頭正常鉆井［8］。

圖6 衡扭矩鉆井工具樣機(jī)

鉆井作業(yè)中，衡扭矩鉆井工具在鉆壓略有降低的條件下，能夠有效地減緩鉆頭扭矩的波動(dòng)，大幅減少磨損，提高機(jī)械鉆速。衡扭矩鉆井工具扭矩、鉆壓及進(jìn)尺工況模擬如圖7（假設(shè)在井口恒鉆壓條件下）。經(jīng)分析，在井口恒鉆壓條件下，鉆頭鉆壓略微降低波動(dòng)，扭矩十分平穩(wěn)、波動(dòng)較小，PDC鉆頭的機(jī)械進(jìn)尺相對(duì)平穩(wěn)。

目前，該公司的產(chǎn)品主要有4種型號(hào)，外徑分別為121、171、229、241mm。該衡扭矩鉆井工具已經(jīng)在油田現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用效果明顯。比較典型的案例是在Norway的Gyda區(qū)塊使用時(shí)，節(jié)省3d鉆井時(shí)間，節(jié)約成本＄225萬元。

圖7 衡扭矩鉆井工具在硬地層鉆進(jìn)時(shí)扭矩和鉆壓波動(dòng)示意

3 結(jié)論

1） 國外3種典型的扭矩控制技術(shù)能夠有效地控制鉆頭的扭矩波動(dòng)，減少PDC鉆頭的磨損，提高機(jī)械鉆速。

2） 國內(nèi)應(yīng)開展PDC鉆頭扭矩控制技術(shù)研究。從3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)著手，即：PDC鉆頭扭矩控制破巖機(jī)理；匹配鉆頭及配套鉆井參數(shù)優(yōu)化；高溫、高壓下PDC鉆頭扭矩控制配套工具的可靠性。

［1］向 亮，楊 濤，付建紅，等.一種新的PDC鉆頭設(shè)計(jì)模型研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（10）：50－54.

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