衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具研制

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(1.中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200；2.中國石油集團(tuán) 渤海石油裝備集團(tuán)有限公司，天津300272)

衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具研制

韓飛1，朱英杰1，牛增強(qiáng)2，梁國紅1

(1.中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102200；2.中國石油集團(tuán) 渤海石油裝備集團(tuán)有限公司，天津300272)

PDC鉆頭在難鉆地層鉆進(jìn)時(shí)有“憋跳鉆”現(xiàn)象嚴(yán)重、鉆頭機(jī)械鉆速低、單只鉆頭進(jìn)尺低等問題。研制了一種衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具，該工具采用彈簧+螺旋導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)方式，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、釋放鉆井轉(zhuǎn)矩能量；通過對(duì)鉆頭的破巖能量實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了鉆井轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的“消峰填谷”，平穩(wěn)鉆進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具設(shè)計(jì)合理、性能可靠，可滿足直井和定向井工程需求，能夠有效減少鉆井轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、提高鉆頭進(jìn)尺及機(jī)械鉆速。

PDC鉆頭；衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具；機(jī)械轉(zhuǎn)速

提速、提效是鉆井工程的永恒目標(biāo)。PDC鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用廣泛，但基于其剪切破巖的特性，PDC鉆頭在鉆遇深部硬地層、夾層時(shí)容易產(chǎn)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，導(dǎo)致鉆頭轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大、切削齒損傷嚴(yán)重，單只鉆頭進(jìn)尺低，機(jī)械鉆速低，造成鉆井成本的大幅增加[1-4]。

近年來，針對(duì)提高PDC機(jī)械鉆速及進(jìn)尺的輔助工具發(fā)展很快，主要有沖擊工具和參數(shù)自優(yōu)化工具2大類。沖擊工具是通過鉆井液觸發(fā)工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生一定頻率軸向或徑向沖擊力，輔助PDC鉆頭高效破巖。沖擊工具相當(dāng)于提供額外的能量輔助破巖，提速提效效果十分顯著。例如美國阿特拉公司生產(chǎn)的扭力沖擊器在大慶肇深19井同比提高機(jī)械鉆速達(dá)71%[5]。參數(shù)自優(yōu)化工具主要是通過自動(dòng)調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)矩參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭的快速鉆進(jìn)。參數(shù)自優(yōu)化工具典型產(chǎn)品為Tomax公司生產(chǎn)的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具，該工具在挪威Ula油田應(yīng)用，提高機(jī)械鉆速30%，節(jié)約鉆井周期6 d[6]。相對(duì)沖擊工具，衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具的提速效果略差，但是在結(jié)構(gòu)、適用性上，衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具優(yōu)勢(shì)明顯。沖擊工具內(nèi)部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)鉆井液介質(zhì)要求高，容易損壞；衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具為全機(jī)械驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單；沖擊工具常常需要配套專用鉆頭，成本較高；衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具配套常規(guī)鉆頭即可。

基于參數(shù)自優(yōu)化研制的衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具在吉林、長慶、冀東地區(qū)進(jìn)行了4口井應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具設(shè)計(jì)合理、性能可靠，操作簡單，可滿足直井和定向井工程需求，能夠有效解決PDC鉆頭在難鉆地層壽命短、機(jī)械鉆速低等難題。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具主要由上接頭、彈簧套、彈簧、連接接頭、螺旋套、螺旋芯軸及密封套等組成。如圖1。

其中上接頭、彈簧套、彈簧、連接接頭組成蓄能總成，彈簧在軸向力的作用下可自由伸縮、進(jìn)行能量的存儲(chǔ)及釋放；螺旋套、螺旋芯軸及密封套組成傳動(dòng)總成，螺旋套、螺旋芯軸(如圖2)通過9頭螺紋配合在一起，在鉆井轉(zhuǎn)矩和鉆壓的作用下能夠旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，控制鉆井鉆壓及轉(zhuǎn)矩；密封套用來密封螺旋機(jī)構(gòu)的潤滑油。

1—上接頭；2—彈簧套；3—彈簧；4—連接接頭；5—螺旋套；6—螺旋芯軸；7—密封套。圖1 衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具結(jié)構(gòu)示意

圖2 螺旋芯軸

1.2 工作原理

衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具采用彈簧+螺旋導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)方式實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、釋放鉆井轉(zhuǎn)矩能量，通過對(duì)鉆頭的破巖能量實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)鉆井轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的“消峰填谷”，平穩(wěn)鉆進(jìn)。當(dāng)PDC鉆頭鉆遇夾層時(shí)，破巖轉(zhuǎn)矩增大到工具設(shè)定轉(zhuǎn)矩值時(shí)，傳動(dòng)總成螺旋機(jī)構(gòu)破巖轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為軸向力，進(jìn)而壓縮彈簧蓄能，降低鉆壓；當(dāng)破巖轉(zhuǎn)矩不足工具設(shè)定轉(zhuǎn)矩值時(shí)，傳動(dòng)總成螺旋機(jī)構(gòu)將存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為軸向力，伸長彈簧釋能，提高鉆壓[7]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具有效長度4 089 mm，最大外徑178 mm，水眼直徑60 mm，最大工作轉(zhuǎn)矩20 kN·m，平衡轉(zhuǎn)矩4～10 kN·m，最大工作拉力1 600 kN，最大工作溫度150 ℃，兩端連接扣型NC50。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

螺旋導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。其在鉆壓及轉(zhuǎn)矩交變載荷的惡劣工況下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，它的性能好壞直接決定工具的使用效果。通過優(yōu)化，選取螺旋導(dǎo)向機(jī)構(gòu)螺旋升角α為45°；螺旋副表面采用氮化處理增加耐磨性，且采用硅油油浴潤滑，可消除螺紋粘扣、抱死及拉傷等問題。同時(shí)，螺旋副油腔設(shè)計(jì)了恒壓潤滑結(jié)構(gòu)，使得螺旋副在運(yùn)動(dòng)過程中，潤滑油一直保持恒壓力，鉆壓轉(zhuǎn)矩調(diào)整完全依靠彈簧，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可靠性。

2 試驗(yàn)

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1.1鉆壓轉(zhuǎn)矩性能

利用鉆具綜合測試試驗(yàn)臺(tái)架，分別對(duì)工具進(jìn)行50、60、70 kN 3種設(shè)計(jì)鉆壓下的轉(zhuǎn)矩測試，測試曲線如圖3所示。由圖3可知，50 kN鉆壓下平衡轉(zhuǎn)矩5～11 kN·m；60 kN鉆壓下平衡轉(zhuǎn)矩4～10 kN·m；70 kN鉆壓下平衡轉(zhuǎn)矩3～9 kN·m?？梢娹D(zhuǎn)矩增大時(shí)鉆壓降低，轉(zhuǎn)矩釋放時(shí)鉆壓升高，驗(yàn)證了工具工作原理的合理性。

圖3 鉆壓-轉(zhuǎn)矩測試曲線

2.1.2抗拉能力

利用拉拔臺(tái)架對(duì)工具進(jìn)行了拉載性能測試

(如

圖4)。工具設(shè)計(jì)抗拉載荷1 600 kN，試驗(yàn)加載1 700 kN，拆卸后各部件完好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 抗拉性能測試現(xiàn)場

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

自2015年以來，衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具先后在吉林油田、長慶油田、冀東油田先后施工了4口井，效果顯著。典型井施工數(shù)據(jù)如表1。

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具具有以下特點(diǎn)：①能夠有效平衡鉆井轉(zhuǎn)矩，井口轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量最大為5 kN·m；②能夠有效提高鉆頭進(jìn)尺，其中在慶1-14-68井最大提高100%以上；③該工具應(yīng)用累計(jì)進(jìn)尺2 200 m，累計(jì)純鉆進(jìn)時(shí)間500 h，使用可靠性高，零故障率；④工具適用性強(qiáng)。除了可在直井應(yīng)用外，還可配合螺桿鉆具和定向儀器在水平井和定向井中應(yīng)用，且不影響定向儀器信號(hào)傳輸。

表1 典型井施工數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1) 衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具設(shè)計(jì)合理，性能可靠，通過實(shí)時(shí)優(yōu)化，鉆壓轉(zhuǎn)矩能量能夠消除“憋跳鉆”問題，有效解決了PDC鉆頭在難鉆地層壽命短、機(jī)械鉆速低等難題。

2) 衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具適用性強(qiáng)，不僅適用于直井，還可以配合螺桿鉆具及定向儀器或者旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具應(yīng)用于定向井中，且不影響定向信號(hào)傳輸。

3) 衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具在夾層地層鉆井時(shí)效果顯著，可有效減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，保護(hù)鉆頭。

[1] 張曉東，易發(fā)權(quán)，張強(qiáng)，等.PDC鉆頭與巖石相互作用規(guī)律試驗(yàn)研究[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，6(25)：64-65.

[2] 韋忠良，陳庭根.PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)矩影響因素研究[J].石油鉆探技術(shù)，1995，23(1)，50-51.

[3] 韓春杰，閆鐵.大位移井鉆柱“ 粘滯-滑動(dòng)” 規(guī)律研究[J].天然氣工業(yè)，2004，24(11)：58-60.

[4] 韓飛，郭慧娟，戴楊，等.PDC鉆頭轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)分析[J].石油礦場機(jī)械，2012，41(12)：69-71.

[5] 鄭瑞強(qiáng).液動(dòng)旋沖工具的研制[J].石油機(jī)械，2017，45(1)，30-33.

[6] Knut Sigve Selness.Drilling Difficult Fomations effi-Eciently With the Use od an Anti-stall Tool[R].SPE/IADC 111874，2008.

[7] 韓飛，黃印國，秦建兵，等.衡轉(zhuǎn)矩鉆井工具在長慶油田的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2016，45(3)，83-85.

DevelopmentofTorqueBalancerTool

HAN Fei1，ZHU Yingjie1，NIU Zengqiang2，LIANG Guohong1

(1.DrillingResearchInstitute，CNPC，Beijing102200，China；2.BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，CNPC，Tianjin300272，China)

Serious bit bouncing and stick slip problems in drilling hard formation with PDC bit often results in low ROP and bit footage，which decreases ROP and drilling footage.The torque balancer tool can store and release torque energy by spring and helical pair，realize drilling with PDC bit smoothly.The field test results show that tool has a rational design structure，reliable working performance and easy operation，which can effectively decrease drilling torque fluctuation，increase drilling footage and ROP per bit in both vertical and directional drilling with PDC bit.

PDC bit；torque balancer tool；ROP

1001-3482(2017)06-0072-03

2017-05-12

中國石油集團(tuán)公司科技項(xiàng)目“水平井減阻降扭與管外封隔器等新工具研制”(2014B-4314)

韓 飛(1982-)，男，遼寧葫蘆島人，工程師，碩士，現(xiàn)從事石油鉆井裝備與工具研究工作，E -mail：hanfeidri@cnpc.com.cn。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.015