近鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器破巖機(jī)理及應(yīng)用

李 瑋何選蓬閆 鐵王樹(shù)超

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

近鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器破巖機(jī)理及應(yīng)用

李 瑋1何選蓬2閆 鐵1王樹(shù)超2

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

PDC鉆頭是超深井硬地層主要的破巖工具。由于黏滑振動(dòng)引發(fā)的PDC鉆頭過(guò)早失效是造成超深井鉆井成本增加的一個(gè)重要因素。本文針對(duì)PDC鉆頭的黏滑振動(dòng)效應(yīng)，理論分析了黏滑振動(dòng)機(jī)理，建立了PDC鉆頭黏滑振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型，并用高頻低幅扭轉(zhuǎn)沖擊器及優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)的方式來(lái)消除鉆頭的黏滑振動(dòng)。研究結(jié)果表明：PDC鉆頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)，能量衰減越快，扭轉(zhuǎn)沖擊能量傳遞效率越低；PDC鉆頭截面積越大，長(zhǎng)度越小，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器沖擊系統(tǒng)能量傳遞效率越高。新疆塔里木盆地XK3井試驗(yàn)表明，扭轉(zhuǎn)沖擊工具與常規(guī)鉆具相比機(jī)械鉆速提高1倍以上，能夠有效消除PDC 鉆頭的黏滑振動(dòng)效應(yīng)，減輕鉆柱扭轉(zhuǎn)振蕩，降低鉆井成本。

PDC鉆頭；扭轉(zhuǎn)沖擊器；黏滑振動(dòng)；鉆頭優(yōu)化；傳遞效率

目前，超深井的勘探開(kāi)發(fā)比例正逐年增加，其中塔里木油田、元壩地區(qū)較為典型［1-2］。PDC鉆頭是超深井硬地層主要的破巖工具，其破巖進(jìn)尺占總進(jìn)尺的60%以上，由于PDC鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生黏滑振動(dòng)，引發(fā)PDC鉆頭過(guò)早失效［3］。因此研究和解決黏滑振動(dòng)對(duì)于提高鉆頭使用壽命、降低鉆井成本具有十分重要的意義。

早期黏滑振動(dòng)研究主要用數(shù)學(xué)方法建立鉆頭—鉆柱系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程［4-6］，了解下部鉆具的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示鉆頭黏滑振動(dòng)的產(chǎn)生條件，通過(guò)優(yōu)化鉆井參數(shù)來(lái)降低、甚至消除黏滑振動(dòng)對(duì)鉆井的影響。文獻(xiàn)［7］研發(fā)了扭轉(zhuǎn)沖擊器抑制黏滑振動(dòng)，該工具可產(chǎn)生高頻低幅的周向沖擊，從而可有效地緩解鉆頭黏滑振動(dòng)。文獻(xiàn)［8］通過(guò)優(yōu)化鉆頭的力學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)降低黏滑振動(dòng)，取得良好鉆井效果。

國(guó)內(nèi)，2010年普光氣田試驗(yàn)了用扭轉(zhuǎn)沖擊工具鉆進(jìn)［9］，提速效果非常明顯。截至2011年，四川元壩地區(qū)扭轉(zhuǎn)沖擊工具已試驗(yàn)應(yīng)用了11口井，取得了明顯的提速效果，該工具已經(jīng)成為元壩地區(qū)下沙溪廟組、千佛崖組地層鉆井提速的一種有效手段［10］。本文通過(guò)分析鉆頭黏滑振動(dòng)機(jī)理，建立鉆頭、鉆柱黏滑振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型，通過(guò)應(yīng)用高頻低幅扭轉(zhuǎn)沖擊器及優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)的方式來(lái)消除黏滑振動(dòng)的影響，完成塔里木油田的深層鉆井。

1 PDC鉆頭黏滑振動(dòng)機(jī)理分析

旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)是由鉆機(jī)、鉆柱和鉆頭構(gòu)成。鉆進(jìn)系統(tǒng)的振動(dòng)方式與選擇的鉆頭有直接關(guān)系。對(duì)于PDC刮刀鉆頭的鉆進(jìn)系統(tǒng)主要產(chǎn)生周向的扭轉(zhuǎn)沖擊振動(dòng)，而牙輪類(lèi)鉆頭則產(chǎn)生軸向上的沖擊振動(dòng)。

如圖1所示，鉆頭破巖過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不僅與自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，且與上部鉆柱系統(tǒng)及工作面上的巖石性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)鉆柱提供給鉆頭的扭矩小于工作面上巖石的剪切極限時(shí)，鉆頭停止隨鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)鉆頭處于黏滯狀態(tài)。由于井口鉆機(jī)持續(xù)向鉆柱提供扭矩，并使鉆柱中積蓄的扭矩大于鉆頭下巖石剪切極限時(shí)，鉆柱中扭轉(zhuǎn)彈性能將瞬間釋放，使鉆頭繞軸向做不規(guī)則的變速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)鉆頭處于滑脫狀態(tài)。這種黏滯、滑脫狀態(tài)周期性交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，稱(chēng)為黏滑振動(dòng)。黏滑振動(dòng)在深部硬地層中將變得更加明顯。

圖1 PDC鉆頭黏滑振動(dòng)示意圖

黏滑振動(dòng)增大鉆頭磨損，加速鉆頭失效，消耗井口驅(qū)動(dòng)能量，加快下部鉆具疲勞失效，降低井身質(zhì)量，增加純鉆進(jìn)時(shí)間及起下鉆次數(shù)，降低鉆進(jìn)效率。

2 PDC鉆頭黏滑振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題分析，對(duì)鉆進(jìn)系統(tǒng)做如下假設(shè)：（1）井架對(duì)鉆柱的拉力及鉆機(jī)對(duì)鉆柱提供的驅(qū)動(dòng)角速度視為常量；（2）鉆頭破巖形成垂直的井眼；（3）鉆進(jìn)過(guò)程沒(méi)有橫向運(yùn)動(dòng)；（4）鉆柱系統(tǒng)簡(jiǎn)化為具有一定剛度的彈簧。

簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示，其中Ho為井架對(duì)鉆柱的拉力，Ωo為鉆頭角速度。

圖2 鉆柱系統(tǒng)的力學(xué)簡(jiǎn)化模型

則鉆柱系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程由鉆壓、扭矩、鉆速及轉(zhuǎn)速等因素確定，其在周向及軸向的運(yùn)動(dòng)方程為

式中，U（t）為在時(shí)間t時(shí)鉆頭的垂向位置，m；Φ（t）為在時(shí)間t時(shí)鉆頭的角度，rad；I為鉆柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；C為鉆柱的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m；T（t）為鉆頭的瞬時(shí)扭矩，N·m；W（t）為鉆頭瞬時(shí)鉆壓，kN；M為扭轉(zhuǎn)擺的質(zhì)量，kg。

鉆壓W（t）及扭矩T（t）都是Φ（t）和U（t）的函數(shù)，且都與切削深度成正比關(guān)系。在t時(shí)刻鉆頭破巖形成的切削深度d（t）為

式中，tn為延遲時(shí)間，s。

黏滑振動(dòng)分為黏滯、滑脫2個(gè)階段。其中黏滯階段鉆頭的邊界條件為

式中，tk為黏滯時(shí)間，s。

滑脫階段鉆頭邊界條件為

式中，σ為鉆頭與井壁的平均接觸壓力，Pa；l為刀翼摩擦面沿徑向長(zhǎng)度，m；r為鉆頭半徑，m；ε為巖石破碎比功，J/m3；μ為摩擦因數(shù)；γ為鉆頭幾何形狀參數(shù)，r>1。

求解上述方程式（1）至式（3），可繪制如下曲線，得圖3。由圖3可知，PDC鉆頭在采用常規(guī)鉆井工藝時(shí)，鉆頭在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)破巖階段后，鉆頭處出現(xiàn)劇烈的黏滑振動(dòng)，扭矩波動(dòng)大。這種黏滑振動(dòng)降低鉆頭的使用壽命。

圖3 鉆頭扭矩隨時(shí)間變化

3 扭轉(zhuǎn)沖擊器及鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前，降低、解決黏滑振動(dòng)的方法主要有優(yōu)化鉆井參數(shù)、采用減振工具和優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)等。本文主要通過(guò)使用扭轉(zhuǎn)沖擊工具和鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式來(lái)進(jìn)行減振。

3.1 扭轉(zhuǎn)沖擊器

渤海鉆探塔里木油田鉆井公司從2010年開(kāi)始應(yīng)用扭轉(zhuǎn)沖擊工具。該工具安裝在PDC鉆頭上面（圖4），其性能參數(shù)如表1所示。

圖4 扭轉(zhuǎn)沖擊工具

表1 扭轉(zhuǎn)沖擊器性能參數(shù)

該工具結(jié)構(gòu)尺寸短，可適用于各種液相鉆井液的鉆井工藝中，且可以應(yīng)用在定向井的造斜段、穩(wěn)斜段、降斜段。該工具工作穩(wěn)定，可延長(zhǎng)PDC鉆頭使用壽命，有利于降低鉆井成本。

鉆進(jìn)過(guò)程中，大排量高壓鉆井液在流過(guò)工具時(shí)，工具內(nèi)部的獨(dú)特的收縮流道結(jié)構(gòu)將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成周向的、高頻的（750~1 500 Hz/min） 、均勻穩(wěn)定的周向機(jī)械沖擊力（約2 kN·m），并直接傳遞給PDC鉆頭，這就使鉆頭不需要等待積蓄足夠的扭力能量就可以切削地層，有效避免PDC鉆頭的卡滑現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速。

由圖5可知，使用扭轉(zhuǎn)沖擊工具后，鉆頭處扭矩的波動(dòng)遠(yuǎn)小于常規(guī)鉆進(jìn)，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊大大減弱甚至消除了鉆頭的黏滑振動(dòng)。

圖5 鉆頭振動(dòng)隨時(shí)間變化曲線

3.2 PDC鉆頭選型依據(jù)

針對(duì)上述工具的技術(shù)特點(diǎn)，配套PDC鉆頭可采用五刀翼或六刀翼，平衡鉆頭的沖擊性和切削齒的工作效率。冠部輪廓采用拋物線形剖面，外翼較長(zhǎng)，布齒更多，冠頂受力較大的部位更靠近鉆頭中心。冠頂旋轉(zhuǎn)半徑相對(duì)較小，而旋轉(zhuǎn)半徑大的外緣齒，受力相對(duì)較小，這樣不同部位切削齒的磨損相對(duì)比較均勻。

對(duì)于中硬到硬地層，選用直徑小的PDC復(fù)合片，采用中密或高密布齒的鉆頭。對(duì)切削齒傾角進(jìn)行優(yōu)化，位于中間的切削齒后傾角較低，使其具有更大的切削性。

3.3 扭轉(zhuǎn)沖擊能量的傳遞效率

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器有效傳遞給PDC鉆頭沖擊能量，將影響PDC鉆頭破巖效果及消除黏滑效應(yīng)的程度。在不考慮撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的熱、聲、光等能量損失的情況下，定義沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率為沖擊系統(tǒng)破碎巖石的功與沖擊系統(tǒng)的初始動(dòng)能的比值，用η表示。則每沖擊一次的能量傳遞效率為

式中，W1為沖擊系統(tǒng)中沖擊能量最終用于巖石破碎的部分，J；W2為沖擊系統(tǒng)撞擊過(guò)程中損失的能量，此處等價(jià)于沖擊系統(tǒng)的變形能，J；W為沖擊系統(tǒng)的初始能量，J。

在考慮沖擊工具波阻抗的影響情況下，推導(dǎo)可得沖擊系統(tǒng)能量傳遞效率公式

式中，E為工具材料的彈性模量，GPa；k為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；l為沖擊傳遞到巖石工作面的距離，m；Z為波阻系數(shù)。

根據(jù)所鉆地層的巖石力學(xué)及工具的特點(diǎn)，分析PDC鉆頭直徑和長(zhǎng)度與高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率關(guān)系，如圖6和圖7。

圖6 能量傳遞效率η與鉆頭截面積S關(guān)系

圖7 能量傳遞效率η與鉆頭長(zhǎng)度L關(guān)系

由圖6可知，PDC鉆頭的截面積與傳遞效率成類(lèi)對(duì)數(shù)關(guān)系，隨著PDC鉆頭面積的增大，系統(tǒng)的能量傳遞效率越高，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭越匹配，其工作性能越穩(wěn)定。

由圖7可知，隨著PDC鉆頭長(zhǎng)度的增加，能量傳遞效率成線性遞減關(guān)系。即PDC鉆頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)，損失的能量越多，因此在選擇PDC鉆頭與高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器組合時(shí)，應(yīng)該盡量選擇超短型單體式鉆頭體，有助于提高扭轉(zhuǎn)沖擊器的應(yīng)用效率。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新疆塔里木盆地哈拉哈塘區(qū)塊XK3井，垂深6 880 m。在二疊系、石炭系的巖性主要為凝灰?guī)r、泥巖、砂巖，其中二疊系以凝灰?guī)r為主，巖石硬度高，可鉆性差。在XK3井5 375~6 674 m井段中使用3套扭轉(zhuǎn)沖擊工具。鉆井參數(shù)鉆壓80~120 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，排量34 L/s，泵壓23~25 MPa。工具總進(jìn)尺1 299 m，純鉆時(shí)212.5 h，平均機(jī)械鉆速6.11 m/h，與常規(guī)鉆具+PDC鉆頭相比提高1倍以上，比XK405井快6 d。XK3井已于2012年10月份完鉆，鉆井周期44.13 d，刷新了哈拉哈塘區(qū)塊鉆井周期最短紀(jì)錄。

扭轉(zhuǎn)沖擊工具能夠鉆穿該區(qū)塊的玄武巖和礫石層，地層適應(yīng)能力強(qiáng)，平均可比鄰井機(jī)械鉆速提高一倍以上，鉆井周期明顯縮短。

5 結(jié)論

（1）建立了PDC鉆頭黏滑振動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)模型，分析了鉆頭黏滑振動(dòng)的邊界條件，研究了鉆頭黏滑振動(dòng)機(jī)理的影響因素。

（2）給出了扭轉(zhuǎn)沖擊能量的傳遞效率模型，分析表明：PDC鉆頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)，能量衰減越快，扭轉(zhuǎn)沖擊能量傳遞效率越低；PDC鉆頭截面積越大，長(zhǎng)度越小，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器沖擊系統(tǒng)能量傳遞效率越高。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：高頻低幅扭轉(zhuǎn)沖擊器及優(yōu)化的PDC鉆頭能有效消除PDC 鉆頭的黏滑振動(dòng)效應(yīng)，減輕鉆柱扭轉(zhuǎn)振蕩，能夠有效保護(hù)鉆頭和鉆具等配套部件，有效降低鉆井成本。

（4）新疆塔里木盆地XK3井試驗(yàn)表明，扭轉(zhuǎn)沖擊工具、PDC鉆頭與常規(guī)鉆具、PDC鉆頭相比機(jī)械鉆速提高1倍以上。

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（修改稿收到日期 2014-09-07）

〔編輯 景 暖〕

Rock fragmentation mechanism and application of near-bit torsion impacter

LI Wei1,HE Xuanpeng2,YAN Tie1,WANG Shuchao2
（1.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China; 2.Bohai Drilling Engineering Co.,Ltd.Tarim Branch,Korla841000,China）

PDC bit is the main rock-breaking tool in hard formation of ultra-deep wells.Its premature failure due to the stick-slip vibration is an important factor that results in increasing the drilling cost in ultra-deep wells.According to its stick-slip vibration effects,this paper analyzed stick-slip vibration mechanism theoretically,established the mechanical model of PDC bit stick-slip vibration system,and used high frequency-low amplitude torsion impact generator and bit structure optimization,for eliminating the drill stick-slip vibration.The results show that:length of PDC bit is longer,as a result,energy decays faster and energy transfer efficiency of torsion impacter is lower;section area is larger,as a result,length is smaller and energy transfer efficiency of high-frequency torsion impacter system is higher;Xinjiang Tarim Basin XK3 Well tests show that torsional impact tools could improve penetration rate more than doubled compared with the conventional drilling,could eliminate the stick-slip vibration effects of PDC bit,and could reduce the drilling string torsion oscillations and the drilling cost.

PDC bit;torsion impacter;stick-slip vibration;drill bit optimization;transfer efficiency

李瑋，何選蓬，閆鐵，等.近鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器破巖機(jī)理及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：1-4.

TE249

：A

1000–7393（2014） 05–0001– 04

10.13639/j.odpt.2014.05.001

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“碳酸鹽巖、火成巖及酸性氣藏高效安全鉆井技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05021-002）部分研究成果。

李瑋， 1978年生。主要研究方向?yàn)橛蜌饩畮r石力學(xué)、高效破巖等。電話：13936811904。E-mail：our.126@126.com。