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        PDC鉆頭扭矩控制技術(shù)分析

        2012-09-07 10:36:14郭慧娟楊斯媛
        石油礦場(chǎng)機(jī)械 2012年12期
        關(guān)鍵詞:破巖驅(qū)動(dòng)器鉆具

        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(zhǎng)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.

        [2]高航獻(xiàn),瞿 佳,曾鵬琿.元壩地區(qū)鉆井提速探索與實(shí)踐[J].石油鉆探技術(shù),2010,38(4):26-29.

        [3]孫起昱,張雨生,李少海,等.鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器在元壩10井的應(yīng)用 [J].石油鉆探技術(shù),2010,38(6):84-87.

        [4]戴金嶺,溫林榮,何育光,等.無反扭矩鉆井裝置及扭矩平衡分析 [J].石油鉆探技術(shù),2008,36(1):53-56.

        [5]何 超,韓烈祥,陳曉彬,等.行星式PDC鉆頭驅(qū)動(dòng)器研制 [J].石油鉆采工藝,2010(32):73-75.

        [6]ROBERT Southard.New assembly drills without reactive torque[C].SPE/IADC 105000,2007.

        [7]陳 勇,陳若銘,張興國,等.PDC鉆頭反扭矩分析及控制技術(shù)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(5):59-61.

        [8]Knut Sigve Selnes.Drilling Difficult Formations Efficiently With the Use of an Anti-stall Tool[C].SPE/IADC 111874,2008.

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