查春青，柳貢慧，，李 軍，席 巖，汪 偉

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引 言

PDC鉆頭是目前應(yīng)用較廣的鉆頭之一，PDC鉆頭在遇到嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，易出現(xiàn)崩齒、損壞等情況，大幅縮短使用壽命，增加鉆井成本[1-5]。扭力沖擊器被認(rèn)為是一種有效抑制PDC鉆頭黏滑振動(dòng)的工具[6-10]。目前，該類工具在鉆井現(xiàn)場(chǎng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，其在鉆遇硬質(zhì)地層時(shí)效果較好，但對(duì)軟地層及軟硬交錯(cuò)地層的使用效果不是很明顯。一些學(xué)者研制了針對(duì)PDC鉆頭的減振工具，如恒扭矩工具、防憋鉆工具、隨鉆恒扭器等[11-13]，該類工具的工作原理類似：當(dāng)鉆頭處鉆壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，會(huì)通過(guò)工具內(nèi)部的螺旋及碟簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為扭矩，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)鉆頭轉(zhuǎn)速的作用。目前該類工具在鉆井現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用，如塔河油田、四川盆地，取得了較好的使用效果，但也存在一些問(wèn)題，如該工具在不同地層、不同施工參數(shù)情況下的減振效果差別較大，與PDC鉆頭匹配關(guān)系不確定等。這些問(wèn)題的關(guān)鍵原因是對(duì)該類工具的減振機(jī)理及參數(shù)設(shè)計(jì)理論研究不足，使得該類工具在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中存在一定的盲目性和經(jīng)驗(yàn)性。為了更加科學(xué)地指導(dǎo)該類工具的設(shè)計(jì)及使用，基于筆者設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具[14]，對(duì)其減振機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，根據(jù)理論分析結(jié)果對(duì)工具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)其減振及提速效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的理論分析

1.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上部短節(jié)、驅(qū)動(dòng)短節(jié)、外殼體、碟簧與鉆頭座組成，驅(qū)動(dòng)短節(jié)和鉆頭座之間通過(guò)螺旋導(dǎo)軌連接，兩者之間可以相互旋轉(zhuǎn)。該工具左端接鉆鋌，右端接PDC鉆頭或者井下動(dòng)力鉆具，正常工作時(shí)，該工具起到接頭的作用。

當(dāng)鉆壓恒定時(shí)，碟簧的壓縮量為恒定值。當(dāng)鉆壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)短節(jié)的軸向載荷出現(xiàn)變化，驅(qū)動(dòng)短節(jié)會(huì)繞著鉆頭座上端的螺旋導(dǎo)軌進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，改變碟簧的壓縮量。當(dāng)鉆壓突增時(shí)，向下的軸向力使得驅(qū)動(dòng)短節(jié)向下運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)鉆頭座沿著螺旋導(dǎo)軌順時(shí)針(與鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同)轉(zhuǎn)動(dòng)，將一部分軸向力分解為切削扭矩。

圖1 研制的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具結(jié)構(gòu)

1.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的工作原理

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆壓的波動(dòng)會(huì)造成PDC鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，同時(shí)，PDC鉆頭轉(zhuǎn)速的波動(dòng)會(huì)造成鉆壓的波動(dòng)，即鉆壓的波動(dòng)和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)會(huì)相互影響[15-17]。

根據(jù)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的結(jié)構(gòu)及作用，為了更加直觀地分析其工作原理，將其簡(jiǎn)化為如圖2所示的原理圖。

圖2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的工作原理示意圖

由圖2可知，轉(zhuǎn)盤以一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速Ω轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)PDC鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，PDC鉆頭處受到一個(gè)反向的阻力扭矩Tr，其中，彈簧a為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的螺旋導(dǎo)軌，彈簧b為鉆柱系統(tǒng)。在沒(méi)有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和PDC鉆頭的運(yùn)動(dòng)速度相等，兩者之間的彈簧a、b的伸長(zhǎng)量為恒定值；當(dāng)PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，該工具可以通過(guò)彈簧a帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)作用在PDC鉆頭上端的力，進(jìn)而調(diào)節(jié)PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速。

具體工作原理為：當(dāng)巖石硬度突增或鉆壓突增，PDC鉆頭處的阻力扭矩突增，使得PDC鉆頭轉(zhuǎn)速降低，彈簧a伸長(zhǎng)量增大，連桿機(jī)構(gòu)順時(shí)針向上提拉PDC鉆頭，使得PDC鉆頭切入巖石的深度減小，降低PDC鉆頭和巖石之間的摩擦力，最終起到增大PDC鉆頭轉(zhuǎn)速的作用；反之，則會(huì)減小PDC鉆頭轉(zhuǎn)速。

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具是一個(gè)閉環(huán)的減振系統(tǒng)，該工具的使用，會(huì)對(duì)鉆頭處的鉆壓和轉(zhuǎn)速進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，最終避免鉆頭處出現(xiàn)過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，即嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 PDC鉆頭與巖石之間的相互作用

鉆壓是指作用在鉆頭處的壓力，在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，其值為[18]：

(1)

式中：W(t)為鉆頭處的鉆壓，N；x為鉆桿的長(zhǎng)度，m；Ka為鉆柱的軸向剛度，N/m；s為鉆頭正好接觸井底時(shí)鉆桿的拉伸長(zhǎng)度，m。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，增加的鉆壓會(huì)增加PDC鉆頭的切削深度，同時(shí)，增加PDC鉆頭和巖石之間的摩擦力，使得PDC鉆頭處的阻力扭矩增大。

PDC鉆頭切削部分主要是由若干個(gè)刀翼以及設(shè)置在刀翼上的切削齒組成，切削齒是PDC鉆頭破巖的主要結(jié)構(gòu)，其切削深度和鉆壓之間的關(guān)系為[16，19]：

(2)

PDC鉆頭處的扭矩和鉆壓之間的關(guān)系為[13]：

(3)

式中：d(t)為切削深度，m；σ為接觸應(yīng)力，MPa；a為鉆頭半徑，m；l為摩擦面的長(zhǎng)度，m；ζ為切削面上鉆壓與扭矩之間的關(guān)系參數(shù)，與鉆頭的形狀有關(guān)；ε為與巖石硬度相關(guān)的系數(shù)，表示單位體積的巖石被破壞所需要的能量，MPa；Tr為鉆頭處的扭矩，N·m；γ為與鉆頭結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，一般取值為4/3>γ≥1[20]；μ為鉆頭與巖石之間的摩擦系數(shù)；β為與地層及后傾角有關(guān)的參數(shù)[15，20]。

2.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是轉(zhuǎn)速和鉆壓之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即式(3)中拉伸長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)速之間的比值，也是變化的扭矩和鉆壓進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的比值。圖3為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具中鉆頭座的螺旋導(dǎo)軌的受力分析圖。

圖3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具螺旋導(dǎo)軌受力分析

假設(shè)鉆壓突然增加了ΔW，如果不考慮鉆頭與巖石之間的接觸，此時(shí)增加的鉆壓理論上會(huì)使得鉆柱長(zhǎng)度縮短：

(4)

鉆頭處的阻力扭矩增加值為：

(5)

增加的阻力扭矩，會(huì)降低鉆頭的轉(zhuǎn)速，增大鉆頭和轉(zhuǎn)盤之間的角度差，增大值為：

(6)

式中：Δφ為鉆桿和鉆頭之間角度差的變化值，rad；Kt為鉆桿的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/rad。

綜合式(4)、(5)、(6)得到：

(7)

式中：k為螺旋導(dǎo)軌處切向和軸向位移的比值；R為工具螺旋導(dǎo)軌處的等效半徑，m。

螺旋導(dǎo)軌螺旋角的表達(dá)式為：

(8)

式中：α為螺旋導(dǎo)軌的螺旋角，°。

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具中螺旋角是工具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響著工具的減振效果。如果所選工具的螺旋角較大，即當(dāng)鉆頭出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，波動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)換成的鉆壓較小，不足以完全抑制鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；反之，當(dāng)所選工具的螺旋角較小時(shí)，會(huì)使得波動(dòng)扭矩轉(zhuǎn)換成的鉆壓過(guò)大，鉆頭的最低轉(zhuǎn)速偏小，減振效果不佳。

根據(jù)式(8)可知：設(shè)計(jì)螺旋角時(shí)需要綜合考慮鉆柱系統(tǒng)的軸向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、鉆頭的參數(shù)以及巖石參數(shù)；當(dāng)軸向剛度越大、扭轉(zhuǎn)剛度越小、鉆頭直徑越大、后傾角越大以及巖石硬度越高，所需的α值越大。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，為了達(dá)到抑制PDC鉆頭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的最佳效果，需要根據(jù)實(shí)際情況(鉆具組合、鉆頭參數(shù)及地層參數(shù))對(duì)扭矩減振工具的螺旋導(dǎo)軌螺旋角進(jìn)行優(yōu)選。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具在山西某區(qū)塊A井進(jìn)行試驗(yàn)，該井為定向井，試驗(yàn)層位埋深為180～1 564 m。采用的鉆頭為5刀翼單排PDC鉆頭；所使用的鉆井液密度為1.13～1.24 g/cm3；鉆壓為8～10 kN；鉆井液排量為35 L/s；所鉆地層為煤巖，并含有一部分的砂礫巖與砂質(zhì)泥巖夾層；采用螺桿+轉(zhuǎn)盤的復(fù)合鉆進(jìn)方式。

根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)工況，并參考文獻(xiàn)[2]，式(8)中的計(jì)算參數(shù)為：Ka=7×105N/m，Kt=938 Nm/rad，R=0.108 m，ξ=0.6，μ=0.6，β=0.3，γ=1。

根據(jù)式(8)計(jì)算出最佳導(dǎo)軌螺旋角為66 °。根據(jù)已有的型號(hào)，為了得到最佳的使用效果，優(yōu)選導(dǎo)軌螺旋角為70 °(與最佳導(dǎo)軌螺旋角最接近)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具。

該工具的主要技術(shù)參數(shù)為：外徑為172 mm，內(nèi)徑為46 mm，長(zhǎng)度為2 600 mm，芯軸伸縮量為140 mm。

為了使得減振效果最大化，該工具需盡可能地安裝在近鉆頭處?？紤]工具長(zhǎng)度較長(zhǎng)，如果安裝在螺桿鉆具和PDC鉆頭之間，會(huì)影響造斜，因此，結(jié)合鉆井設(shè)計(jì)及工具特點(diǎn)，將該工具安裝在螺桿鉆具上端。

該工具的累計(jì)工作時(shí)間為105 h，平均機(jī)械鉆速為13.01 m/h，實(shí)現(xiàn)了一趟鉆柱完成二開(kāi)鉆進(jìn)。圖4為試驗(yàn)后PDC鉆頭5個(gè)刀翼的照片。由圖4可知，起出后的PDC鉆頭刀翼側(cè)部的部分切削齒出現(xiàn)正常的磨損，但主切削齒沒(méi)有出現(xiàn)崩齒破壞，該P(yáng)DC鉆頭的新度較高，符合再次入井標(biāo)準(zhǔn)。鄰井在該層位共使用了2個(gè)同類型的PDC鉆頭，純鉆進(jìn)時(shí)間為132 h，該層位的平均機(jī)械鉆速為9.75 m/h。與鄰井同層位相比，采用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具后，平均機(jī)械鉆速提高了33.44%，另外，該工具的使用節(jié)省了一個(gè)PDC鉆頭和一次起下鉆的非鉆進(jìn)時(shí)間。

圖4 使用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具后PDC鉆頭刀翼的照片

現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明，該工具能有效地抑制PDC鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高PDC鉆頭的使用壽命及機(jī)械鉆速。

4 結(jié)論與建議

(1) 設(shè)計(jì)了能抑制PDC鉆頭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振工具，建立了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的減振模型，對(duì)其減振機(jī)理進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了其原理的可行性。

(2) 結(jié)合扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的工作原理及PDC鉆頭與巖石的接觸模型，建立了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的最佳螺旋角的計(jì)算模型。最佳螺旋角度值與鉆柱系統(tǒng)軸向剛度、鉆頭直徑、巖石硬度成正比，與鉆柱系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度及PDC鉆頭后傾角成反比。

(3) 根據(jù)計(jì)算模型及鉆井現(xiàn)場(chǎng)的工況，優(yōu)選了螺旋角為70 °的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該工具能有效地抑制鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高PDC鉆頭的使用壽命；與鄰井同層位相比，采用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具后，平均機(jī)械鉆速提高了33.44%。

(4) 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振工具的螺旋導(dǎo)軌的螺旋角的計(jì)算模型是基于其直接安裝在PDC鉆頭上端的情況，而目前實(shí)際應(yīng)用中，一般需要結(jié)合井下動(dòng)力鉆具使用。因此，為了更好地與實(shí)際情況相結(jié)合，在螺旋導(dǎo)軌螺旋角的計(jì)算模型中需要考慮其安裝位置，提高其普適性。