李 瑋何選蓬閆 鐵王樹超

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

近鉆頭扭轉(zhuǎn)沖擊器破巖機理及應用

李 瑋1何選蓬2閆 鐵1王樹超2

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

PDC鉆頭是超深井硬地層主要的破巖工具。由于黏滑振動引發(fā)的PDC鉆頭過早失效是造成超深井鉆井成本增加的一個重要因素。本文針對PDC鉆頭的黏滑振動效應，理論分析了黏滑振動機理，建立了PDC鉆頭黏滑振動系統(tǒng)的力學模型，并用高頻低幅扭轉(zhuǎn)沖擊器及優(yōu)化鉆頭結構的方式來消除鉆頭的黏滑振動。研究結果表明：PDC鉆頭長度越長，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井試驗表明，扭轉(zhuǎn)沖擊工具與常規(guī)鉆具相比機械鉆速提高1倍以上，能夠有效消除PDC 鉆頭的黏滑振動效應，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；鉆頭優(yōu)化；傳遞效率

目前，超深井的勘探開發(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，其破巖進尺占總進尺的60%以上，由于PDC鉆頭破巖時產(chǎn)生黏滑振動，引發(fā)PDC鉆頭過早失效［3］。因此研究和解決黏滑振動對于提高鉆頭使用壽命、降低鉆井成本具有十分重要的意義。

早期黏滑振動研究主要用數(shù)學方法建立鉆頭—鉆柱系統(tǒng)的運動方程［4-6］，了解下部鉆具的運動規(guī)律，揭示鉆頭黏滑振動的產(chǎn)生條件，通過優(yōu)化鉆井參數(shù)來降低、甚至消除黏滑振動對鉆井的影響。文獻［7］研發(fā)了扭轉(zhuǎn)沖擊器抑制黏滑振動，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。文獻［8］通過優(yōu)化鉆頭的力學結構來降低黏滑振動，取得良好鉆井效果。

國內(nèi)，2010年普光氣田試驗了用扭轉(zhuǎn)沖擊工具鉆進［9］，提速效果非常明顯。截至2011年，四川元壩地區(qū)扭轉(zhuǎn)沖擊工具已試驗應用了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］。本文通過分析鉆頭黏滑振動機理，建立鉆頭、鉆柱黏滑振動系統(tǒng)的力學模型，通過應用高頻低幅扭轉(zhuǎn)沖擊器及優(yōu)化鉆頭結構的方式來消除黏滑振動的影響，完成塔里木油田的深層鉆井。

1 PDC鉆頭黏滑振動機理分析

旋轉(zhuǎn)鉆進系統(tǒng)主要機械結構是由鉆機、鉆柱和鉆頭構成。鉆進系統(tǒng)的振動方式與選擇的鉆頭有直接關系。對于PDC刮刀鉆頭的鉆進系統(tǒng)主要產(chǎn)生周向的扭轉(zhuǎn)沖擊振動，而牙輪類鉆頭則產(chǎn)生軸向上的沖擊振動。

如圖1所示，鉆頭破巖過程中的運動狀態(tài)，不僅與自身的結構特點有關，且與上部鉆柱系統(tǒng)及工作面上的巖石性質(zhì)有關。當鉆柱提供給鉆頭的扭矩小于工作面上巖石的剪切極限時，鉆頭停止隨鉆柱轉(zhuǎn)動，此時鉆頭處于黏滯狀態(tài)。由于井口鉆機持續(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，鉆柱中扭轉(zhuǎn)彈性能將瞬間釋放，使鉆頭繞軸向做不規(guī)則的變速運動，此時鉆頭處于滑脫狀態(tài)。這種黏滯、滑脫狀態(tài)周期性交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，稱為黏滑振動。黏滑振動在深部硬地層中將變得更加明顯。

圖1 PDC鉆頭黏滑振動示意圖

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

2 PDC鉆頭黏滑振動系統(tǒng)的力學模型

為了簡化問題分析，對鉆進系統(tǒng)做如下假設：（1）井架對鉆柱的拉力及鉆機對鉆柱提供的驅(qū)動角速度視為常量；（2）鉆頭破巖形成垂直的井眼；（3）鉆進過程沒有橫向運動；（4）鉆柱系統(tǒng)簡化為具有一定剛度的彈簧。

簡化的動力學模型如圖2所示，其中Ho為井架對鉆柱的拉力，Ωo為鉆頭角速度。

圖2 鉆柱系統(tǒng)的力學簡化模型

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

式中，U（t）為在時間t時鉆頭的垂向位置，m；Φ（t）為在時間t時鉆頭的角度，rad；I為鉆柱的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；C為鉆柱的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m；T（t）為鉆頭的瞬時扭矩，N·m；W（t）為鉆頭瞬時鉆壓，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系。在t時刻鉆頭破巖形成的切削深度d（t）為

式中，tn為延遲時間，s。

黏滑振動分為黏滯、滑脫2個階段。其中黏滯階段鉆頭的邊界條件為

式中，tk為黏滯時間，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，鉆頭在進入穩(wěn)態(tài)破巖階段后，鉆頭處出現(xiàn)劇烈的黏滑振動，扭矩波動大。這種黏滑振動降低鉆頭的使用壽命。

圖3 鉆頭扭矩隨時間變化

3 扭轉(zhuǎn)沖擊器及鉆頭結構優(yōu)化

目前，降低、解決黏滑振動的方法主要有優(yōu)化鉆井參數(shù)、采用減振工具和優(yōu)化鉆頭結構等。本文主要通過使用扭轉(zhuǎn)沖擊工具和鉆頭結構優(yōu)化的方式來進行減振。

3.1 扭轉(zhuǎn)沖擊器

渤海鉆探塔里木油田鉆井公司從2010年開始應用扭轉(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)

該工具結構尺寸短，可適用于各種液相鉆井液的鉆井工藝中，且可以應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PDC鉆頭使用壽命，有利于降低鉆井成本。

鉆進過程中，大排量高壓鉆井液在流過工具時，工具內(nèi)部的獨特的收縮流道結構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，鉆頭處扭矩的波動遠小于常規(guī)鉆進，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊大大減弱甚至消除了鉆頭的黏滑振動。

圖5 鉆頭振動隨時間變化曲線

3.2 PDC鉆頭選型依據(jù)

針對上述工具的技術特點，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，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)半徑相對較小，而旋轉(zhuǎn)半徑大的外緣齒，受力相對較小，這樣不同部位切削齒的磨損相對比較均勻。

對于中硬到硬地層，選用直徑小的PDC復合片，采用中密或高密布齒的鉆頭。對切削齒傾角進行優(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的程度。在不考慮撞擊過程中產(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)撞擊過程中損失的能量，此處等價于沖擊系統(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及工具的特點，分析PDC鉆頭直徑和長度與高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率關系，如圖6和圖7。

圖6 能量傳遞效率η與鉆頭截面積S關系

圖7 能量傳遞效率η與鉆頭長度L關系

由圖6可知，PDC鉆頭的截面積與傳遞效率成類對數(shù)關系，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鉆頭長度的增加，能量傳遞效率成線性遞減關系。即PDC鉆頭長度越長，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，應該盡量選擇超短型單體式鉆頭體，有助于提高扭轉(zhuǎn)沖擊器的應用效率。

4 現(xiàn)場應用

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。工具總進尺1 299 m，純鉆時212.5 h，平均機械鉆速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，地層適應能力強，平均可比鄰井機械鉆速提高一倍以上，鉆井周期明顯縮短。

5 結論

（1）建立了PDC鉆頭黏滑振動系統(tǒng)的力學模型，分析了鉆頭黏滑振動的邊界條件，研究了鉆頭黏滑振動機理的影響因素。

（2）給出了扭轉(zhuǎn)沖擊能量的傳遞效率模型，分析表明：PDC鉆頭長度越長，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)場應用表明：高頻低幅扭轉(zhuǎn)沖擊器及優(yōu)化的PDC鉆頭能有效消除PDC 鉆頭的黏滑振動效應，減輕鉆柱扭轉(zhuǎn)振蕩，能夠有效保護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井試驗表明，扭轉(zhuǎn)沖擊工具、PDC鉆頭與常規(guī)鉆具、PDC鉆頭相比機械鉆速提高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)沖擊器破巖機理及應用［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

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

李瑋， 1978年生。主要研究方向為油氣井巖石力學、高效破巖等。電話：13936811904。E-mail：our.126@126.com。