彭明旺， 白彬珍， 王 軻， 李少安， 李 斐

(1.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

塔河油田12區(qū)是該油田近年來的主力上產(chǎn)區(qū)塊之一，但因深部地層年代古老[1-3]，壓實程度高，采用PDC鉆頭鉆進(jìn)因黏滑振動造成機(jī)械鉆速低(僅12.20 m/h左右)。國內(nèi)外目前常采用旋沖鉆井和高壓水射流鉆井等技術(shù)解決由于PDC鉆頭黏滑振動造成機(jī)械鉆速低的問題，但這些技術(shù)都各有特點，適用范圍有限，不能徹底解決深部硬地層黏滑振動的難題。隨鉆恒扭器可有效防止因黏滑引起的失速[4-8]，避免因失速所引發(fā)的鉆頭及螺桿的損壞、鉆柱自激振動、井下鉆具扭斷、工具接頭過載失效、隨鉆測井系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等工具的失效及損壞。因此，為提高塔河油田12區(qū)深部硬地層的機(jī)械鉆速，在TH121125井深部硬地層鉆進(jìn)中試驗應(yīng)用了隨鉆恒扭器，并獲得很好的提速效果。

1 隨鉆恒扭器的結(jié)構(gòu)及工作原理

隨鉆恒扭器是一種新型的鉆井用井下工具，具有過載卸荷、減振保護(hù)功能，能夠?qū)崟r自動調(diào)整鉆井扭矩，消除黏滑現(xiàn)象。在直井、定向井、水平井以及大位移水平井及復(fù)雜地層鉆井作業(yè)中均可使用。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

隨鉆恒扭器主要由密封機(jī)構(gòu)、彈性蓄能機(jī)構(gòu)和壓扭轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等幾大部分組成，具體有上接頭、筒體、內(nèi)套、碟簧、活塞、心軸以及各連接處的密封圈等部件，如圖1所示。

圖1 隨鉆恒扭器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of constant torque converter while drilling1.上接頭；2.密封圈；3.墊片；4.碟簧；5.彈簧內(nèi)套；6.彈簧筒體；7.通氣孔；8.活塞；9.心軸體；10.油堵；11.密封體；12.心軸

1.2 工作原理

隨鉆恒扭器通過心軸下端的外螺紋及上接頭的內(nèi)螺紋實現(xiàn)與其他鉆井工具的連接。正常鉆進(jìn)過程中，地面鉆井設(shè)備通過鉆柱向鉆頭傳遞正向扭矩，驅(qū)動鉆頭正向轉(zhuǎn)動并切削地層，切削過程中，地層會對鉆頭產(chǎn)生一個反扭矩，在反扭矩作用下，隨鉆恒扭器的壓扭轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動并使彈性蓄能機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓縮，但彈性蓄能機(jī)構(gòu)的反力會阻止壓扭轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)鉆井扭矩的傳遞[9-11]。

當(dāng)隨鉆恒扭器下部鉆具或鉆頭處因黏滯或地層交替而出現(xiàn)失速時，扭矩突然增大，鉆頭會停止轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)速急劇下降，隨鉆恒扭器上部的鉆具與下部的鉆具會出現(xiàn)速度差，此時壓扭轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)會在大扭矩及速度差作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動并使彈性蓄能機(jī)構(gòu)產(chǎn)生壓縮，隨鉆恒扭器下部的鉆具會被提升一定距離，釋放部分反扭矩，整個過程中部分反扭矩會被儲存到彈性蓄能機(jī)構(gòu)、并隨著反扭矩的減小而逐步釋放。該過程會在易失速井段的鉆井過程中持續(xù)反復(fù)，從而減少對鉆頭及鉆柱的沖擊，提高破巖效率，延長鉆頭及鉆柱的使用壽命。

鉆進(jìn)過程中，縱向振動及周向扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動會在壓扭轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)作用下被彈性蓄能機(jī)構(gòu)吸收，防止因失速引起自激振動，同時消除其他因素引起的振動，保護(hù)鉆頭、鉆具及鉆柱，防止隨鉆測井系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等鉆井工具及隨鉆測量儀器的失效及損壞。

鉆具組合中加入隨鉆恒扭器后，在井口鉆壓不變的條件下，鉆頭鉆壓波動甚微，扭矩十分平穩(wěn)、波動較小，鉆頭的鉆井進(jìn)尺也相對平穩(wěn)，如圖2所示。

圖2 應(yīng)用隨鉆恒扭器鉆進(jìn)硬地層時的扭矩和鉆壓Fig.2 Torque and WOB of using constant torque converter while drilling for hard formation

1.3 技術(shù)特點及主要參數(shù)

隨鉆恒扭器的主要技術(shù)特點為：

1) 隨鉆恒扭器可用于海洋及陸地的直井、定向井和水平井鉆井作業(yè)中，可與PDC鉆頭、牙輪鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭等配合使用。

2) 可使鉆頭保持在一個持續(xù)的動態(tài)扭矩范圍內(nèi)，消除周向扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動及縱向振動，從而有效提高方位控制精度。

3) 通過恒定鉆頭扭矩，對鉆頭提供過載保護(hù)，防止因扭矩突變引起鉆頭損壞，延長鉆頭的使用壽命，同時增強(qiáng)鉆頭的穿透率。

4) 可吸收因地層夾層引起的振動，避免因振動引起的隨鉆測井系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等儀器、工具的失效及損壞。

5) 可防止因失速導(dǎo)致的鉆柱扭曲變形、扭斷，工具接頭的過載失效以及動力鉆具失速。

隨鉆恒扭器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 隨鉆恒扭器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of constant torque converter while drilling

2 現(xiàn)場試驗

在塔河油田12區(qū)的TH121125井的1 204.00～4 845.00 mm井段進(jìn)行了隨鉆恒扭器試驗。鉆具組合為：φ250.8 mmPDC鉆頭+φ197.0 mm螺桿鉆具+DTS178型隨鉆恒扭器+φ177.8 mm鉆鋌+φ247.0 mm穩(wěn)定器+φ177.8 mm鉆鋌+φ247.0 mm穩(wěn)定器+φ177.8 mm鉆鋌+φ127.0 mm加重鉆桿+φ127.0 mm鉆桿+φ139.7 mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓40～50 kN，轉(zhuǎn)速60 r/min，排量32～48 L/s，立壓21～23 MPa。鉆井液密度1.13～1.26 kg/L。鉆遇地層的巖性以砂巖、泥巖及砂泥巖互層為主。

隨鉆恒扭器試驗進(jìn)尺3 641.00 m，純鉆時間174 h，平均機(jī)械鉆速20.93 m/h，鉆井周期11.23 d，僅使用了1只PDC鉆頭，一趟鉆完成了試驗井段。按照鉆頭類型相同、地層相同、井深相近的可比性原則，將TH121125井與同區(qū)塊5口鄰井進(jìn)行了比較：機(jī)械鉆速提高了20.56%～59.65%，鉆井周期縮短了21.08%～41.39%(見表2)。由此可見，應(yīng)用隨鉆恒扭器可提高深部地層的鉆井速度。

表2 TH121125井試驗井段與鄰井相同井段指標(biāo)對比Table 2 Indicators comparison of the test section in Well TH121125 and offset wells

現(xiàn)場錄井顯示，隨鉆恒扭器試驗井段的實鉆扭矩波動小，比較平穩(wěn)(見圖3)，避免了因扭矩突變引起的鉆頭損壞，有效保護(hù)了鉆頭及鉆柱。隨鉆恒扭器和鉆頭出井后，結(jié)構(gòu)較為完整，外表面未見明顯損傷，鉆頭出井新度達(dá)90%，切削齒只有輕微磨損。

圖4和圖5為TH121125井隨鉆恒扭器試驗井段與鄰井相同井段井斜角和井徑擴(kuò)大率的對比。由圖4和圖5可知，應(yīng)用隨鉆恒扭器后，井身質(zhì)量得到提高，最大井斜角僅為1.07°,最大井徑擴(kuò)大率僅為6.42%。

圖3 TH121125井試驗井段的扭矩Fig.3 Torque of the test section in Well TH121125

圖4 TH121125井試驗井段與鄰井相同井段的井斜角Fig.4 Hole inclination angle of the test section in Well TH121125 and offset wells

圖5 TH121125井試驗井段與鄰井相同井段的井徑擴(kuò)大率Fig.5 Hole enlargement rate of the test section in Well TH121125 and offset wells

3 結(jié)論與建議

1) 隨鉆恒扭器通過施加恒定的扭矩給鉆頭，能消除PDC鉆頭的黏滑現(xiàn)象，應(yīng)用于深部硬地層鉆井，提速效果明顯。

2) TH121125井應(yīng)用隨鉆恒扭器后，雖然鉆井速度和井身質(zhì)量得到了提高，但由于地層原因?qū)е戮姿轿灰破蟆Ｒ虼?，建議開展鉆井參數(shù)優(yōu)化研究，使其充分發(fā)揮防斜打快的作用。

3) 隨鉆恒扭器是一種新型的鉆井工具，具有過載卸荷、減振保護(hù)功能，能夠?qū)崟r自動調(diào)整鉆井扭矩，在直井、定向井、水平井以及大位移水平井及復(fù)雜地層鉆井作業(yè)中均可使用。建議加強(qiáng)配套鉆頭的適應(yīng)性研究，確保隨鉆恒扭器工具的可靠性。

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