張 輝，蔡文軍，吳仲華

（中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營257017）

PDC鉆頭防失速工具在復(fù)雜地層中的應(yīng)用

張 輝，蔡文軍，吳仲華

（中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營257017）

為防止鉆井工程中PDC鉆頭卡滑產(chǎn)生的沖擊能量達(dá)到損壞級別，優(yōu)化巖石切削效率，研制了一種PDC鉆頭防失速工具。該工具設(shè)計有使旋轉(zhuǎn)運動（超出設(shè)定轉(zhuǎn)矩時）轉(zhuǎn)化為直線運動的機械結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r自動調(diào)整鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩，減少鉆具振動，防止馬達(dá)失速、隨鉆測量儀器損壞和井下工具磨損，并提高機械鉆速。介紹了PDC鉆頭防失速技術(shù)的原理和工具結(jié)構(gòu)。該工具在深井、復(fù)雜地層中的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期效果。

PDC鉆頭；防失速工具；轉(zhuǎn)矩

在一些新探區(qū)，油氣藏埋藏深，地層堅硬，研磨性強，機械鉆速低，鉆井提速一直是現(xiàn)場面臨的技術(shù)難題。PDC鉆頭在鉆進(jìn)過程中，特別是鉆遇軟硬交錯地層時，容易發(fā)生卡滑現(xiàn)象，引起鉆頭和鉆具的頻繁憋跳和扭振，導(dǎo)致鉆頭崩齒、損壞、鉆具斷脫、井下鉆井工具（旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、垂鉆系統(tǒng)）和隨鉆測量儀器的損壞。

PDC鉆頭防失速工具是為了改善鉆具工作狀態(tài)，并增加破巖能量而設(shè)計的，可以提高PDC鉆頭的工作穩(wěn)定性、防止鉆頭損壞、延長鉆頭壽命和增加鉆頭破巖能量、提高鉆頭破巖效率。為現(xiàn)場提供鉆井提速新技術(shù)，解決現(xiàn)場亟需的鉆井提速技術(shù)難題，加快新探區(qū)勘探開發(fā)速度［1-3］。因此，開展PDC鉆頭防失速工具的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 PDC鉆頭防失速技術(shù)

PDC鉆頭防失速技術(shù)是通過使旋轉(zhuǎn)運動（超出設(shè)定轉(zhuǎn)矩時）轉(zhuǎn)化為直線運動的機械結(jié)構(gòu)，對PDC鉆頭破巖過程進(jìn)行有效的控制，即轉(zhuǎn)移鉆井過程中產(chǎn)生的能量，防止沖擊能量達(dá)到損壞級別，從而保持鉆具組合完好和優(yōu)化巖石切削效率。PDC鉆頭防失速工具是一種以實時自動調(diào)整鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩為目的的井下工具，最初由To max AS公司針對連續(xù)油管應(yīng)用研發(fā)的井下工具，已證明它除了具有減少振動、馬達(dá)失速、設(shè)備失效和井下工具磨損的能力外，還可以提高機械鉆速和鉆頭進(jìn)尺。后來對該工具進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)鉆井施工中，目的是消除在復(fù)雜地層中由鉆頭引起的轉(zhuǎn)矩波動和鉆具失速以及由此帶來的有害影響［4］。

作為底部鉆具組合（BHA）的組成部分，PDC鉆頭防失速工具可以快速持續(xù)地阻止鉆頭制動，從而限制嚴(yán)重卡-滑振動的形成。這種井下工具的工作原理是將增大的將引起鉆頭蹩鉆的鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為BHA的軸向收縮，使鉆頭的鉆壓立刻降低。鉆壓的快速降低使鉆頭切削齒吃入地層的深度減少，從而維持鉆頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化軸向收縮運動是通過多道內(nèi)外螺旋線嚙合實現(xiàn)的，類似震擊器的縮徑部位在軸向收縮變短，同時位于收縮短節(jié)上部、工具本體內(nèi)的高強度彈簧壓縮儲能，之后彈簧吸收的能量會反饋給鉆頭，在轉(zhuǎn)矩變小時對鉆頭施加壓力，從而維持一個恒定的扭轉(zhuǎn)載荷，這種能夠吸收與釋放能量的系統(tǒng)可以實現(xiàn)連續(xù)不斷地工作。PDC鉆頭防失速工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)矩超過預(yù)定值，導(dǎo)致多道外螺旋線芯軸和內(nèi)螺旋線本體通過螺旋副將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，產(chǎn)生向上力超過預(yù)緊力時，使外螺旋線芯軸在與之嚙合內(nèi)螺旋線本體上轉(zhuǎn)動，工具芯軸縮徑部位收縮，鉆柱變短，鉆頭被逐漸提離井底直至恢復(fù)到全轉(zhuǎn)速狀態(tài)，當(dāng)作用于工具上的轉(zhuǎn)矩降低時，工具將通過螺旋副相應(yīng)地伸長，鉆頭將始終保持相對恒定轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)地鉆進(jìn)。

圖1 PDC鉆頭防失速工具

PDC鉆頭防失速工具盡可能放置在距離鉆頭最近的位置，一般根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和隨鉆數(shù)據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)反饋的需要放置在隨鉆測量儀器（MWD）之上（如圖2），特殊作業(yè)通常根據(jù)實際情況加在磨銑銑錐或擴眼器之上［3］。

圖2 PDC鉆頭防失速工具

2 技術(shù)特點

PDC鉆頭防失速工具是一個動態(tài)的、自動檢測響應(yīng)的井下機械系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過鉆壓來有限控制鉆頭的切削深度，使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩作為輸入控制參數(shù)，通過簡單有效的方式有效抵消地層軟硬交錯產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩突然變大和粘滑。

2.1 持續(xù)防止鉆頭失速

PDC鉆頭防失速工具是基于鉆井轉(zhuǎn)矩升高至失速之前，引起軸向收縮，導(dǎo)致鉆壓立即降低，快速減少的鉆壓能充分減少鉆頭切削深度而保持鉆頭旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。隨著收縮，在外螺旋線芯軸縮徑部分上部與內(nèi)螺旋線本體內(nèi)部空間放置有高性能彈簧，彈簧受到壓縮吸收能量后通過螺旋副系統(tǒng)反饋給鉆頭，依次來保持一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩負(fù)載，吸收和釋放能量連續(xù)的過程使此系統(tǒng)可以持續(xù)工作，無需重新設(shè)置。

圖3 PDC鉆頭防失速工具

先導(dǎo)試驗給出了在444.5 mm（17?2英寸）井眼中使用PDC鉆頭防失速工具前后關(guān)于扭轉(zhuǎn)振動（粘滑）的井下記錄［6］（如圖4），該井在鉆遇到異常復(fù)雜地層后，經(jīng)過幾次起下鉆更換不同類型鉆頭鉆進(jìn)，效果不理想，使用PDC鉆頭防失速工具下鉆至井深2 567 m改變機械鉆速。加入PDC鉆頭防失速工具前后兩趟鉆的鉆具組合是完全一樣的，兩者井深幾乎相同，地層一致，此外兩趟鉆的鉆進(jìn)參數(shù)盡量保持一樣，這樣鉆進(jìn)性能的改善都因于PDC鉆頭防失速工具的加入，圖4數(shù)據(jù)顯示了粘滑振動得到明顯減少。使用PDC鉆頭防失速工具后，使PDC鉆頭崩齒、提前損壞現(xiàn)象減少（如圖5）。PDC鉆頭防失速工具可以在蹩鉆鉆壓載荷下靈活調(diào)整鉆頭轉(zhuǎn)矩，無需調(diào)整工具結(jié)構(gòu)或干預(yù)鉆臺操作參數(shù)。

圖4 使用工具前后兩趟鉆卡滑-機械鉆速-轉(zhuǎn)速對比

圖5 使用工具前后鉆頭對比

2.2 保持轉(zhuǎn)矩最優(yōu)并恒定

現(xiàn)場測試工具預(yù)防卡-滑的效果，證明該工具有能力為鉆頭提供一個更加穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)載荷。該工具只在鉆頭切削齒即將發(fā)生制動的那一刻才開始工作，通過這種方式持續(xù)地對轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化，這給鉆進(jìn)速度帶來成倍的提高。該工具在現(xiàn)場測試中，機械鉆速提高了2倍，后來的現(xiàn)場實際應(yīng)用也取得了同樣的效果，改善效果最好的情況發(fā)生在那些卡-滑最嚴(yán)重的井眼。

扭轉(zhuǎn)振動可能來自鉆柱與井壁之間的相互作用，這樣的振動在碳酸鹽之類的具有高摩擦因數(shù)的地層中會異常強烈，從而引起角速度的劇烈變化，對隨鉆測量儀器加速度計測量數(shù)據(jù)造成嚴(yán)重干擾。上述情形下，在底部鉆柱受到壓縮時便會出現(xiàn)最為嚴(yán)重的振動，其結(jié)果是無法分清振動是由鉆頭引起的還是由鉆柱與井壁之間的摩擦引起的，如果在這種情況下應(yīng)用PDC鉆頭防失速工具，防失速技術(shù)的閉環(huán)作用便會解除上述兩個振動源之間的相互耦合作用，這可防止應(yīng)力與振動在BHA最底端的積聚，而這個位置就是MWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等精密井下儀器所在的位置，這種情形下防制動工具能夠使輸入給鉆頭的振蕩能量更加平穩(wěn)，從而獲得最佳的鉆頭破巖效率和最高的機械鉆速。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

PDC鉆頭防失速技術(shù)在油田的應(yīng)用正在不斷增加，表1給出了防失速工具配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用分布情況［6-7］，以及和隨鉆擴眼器的配合使用情況。廣泛的現(xiàn)場研究與科學(xué)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計清楚地展示了這種新方法對振動程度的降低作用和其他一些益處。2011年對其中一家鉆井技術(shù)服務(wù)公司78次應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)計結(jié)果表明，由于采用了防失速工具，由振動造成的井下工具失效問題減少了50%，機械鉆速得到了相應(yīng)的提高，應(yīng)用過程中沒有出現(xiàn)負(fù)面的影響。

表1 PDC鉆頭防失速工具配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的應(yīng)用情況

目前可以在PDC鉆頭防失速工具內(nèi)部安裝自動記錄儀來測量實際的工作載荷以及軸向位移，從而可以更好地了解閉環(huán)系統(tǒng)工作過程進(jìn)而改進(jìn)工具結(jié)構(gòu)，對鉆頭的切削深度進(jìn)行動態(tài)的控制，從而在復(fù)雜井段鉆井節(jié)省時間與費用。

3.1 挪威Oseberg South油田

為了改善鉆井的經(jīng)濟性，設(shè)法提高難鉆、研磨、部分石灰?guī)r膠結(jié)泥砂巖地層的鉆井速度，Oseberg South油田F-27水平井應(yīng)用215.9 mm（8?2英寸）PDC鉆頭防失速工具配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)并且在鉆具上接241.3 mm（9?2英寸）隨鉆擴眼器（刀片鑲PDC齒），工具在井下工作24 h后起鉆出井，為了對比分析鉆進(jìn)效率，第2趟鉆未接工具，其余鉆具組合是完全一致，兩趟鉆的鉆進(jìn)參數(shù)盡量保持一樣，盡管是在90°井斜、3 800 m以上的井深，記錄數(shù)據(jù)顯示使用工具使轉(zhuǎn)矩小而平穩(wěn)，并且機械鉆速得到明顯提高（如圖6）。

圖6 Oseber g South油田F-27水平井使用171.45 mm（6■?英寸）工具前后井段數(shù)據(jù)

3.2 挪威海上Asgar d油田

挪威Smorbukk南部Asgar d油田區(qū)塊是有名的鉆井難度最大的區(qū)塊之一，挪威國家石油公司使用PDC鉆頭防失速工具提高難鉆、研磨、部分方解石膠結(jié)砂巖地層高溫／高壓開發(fā)井的鉆井速度。在海上半潛式鉆井平臺West Alpha 215.9 mm（8?2英寸）井眼中應(yīng)用工具，同樣顯示井下轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。粘卡振動值通過MWD系統(tǒng)顯示在鉆臺屏幕上（如圖7）：0-1級為綠色（轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)）、2-4級為黃色（轉(zhuǎn)矩波動）、5-6級為紅色（一般卡滑）、7級為紫色（嚴(yán)重卡滑）。帶PDC鉆頭防失速工具鉆進(jìn)時，卡滑值立刻從紅色降到黃色水平，進(jìn)一步調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)后卡滑值在綠色區(qū)域范圍。該井段實現(xiàn)了一趟鉆一次性完成鉆進(jìn)至目標(biāo)靶區(qū)，比預(yù)定鉆井周期減少25 d［5］。還在該井帶PDC鉆頭防失速工具進(jìn)行了取心作業(yè)，同樣獲得成功。

圖7 West Alpha鉆井平臺使用172 mm（6■?英寸）工具前后MWD測試卡滑值

4 結(jié)論

1） 現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗表明［5-8］，PDC鉆頭防失速工具能夠減少井底環(huán)境中鉆柱的粘卡振動、提高機械鉆速和保護(hù)PDC鉆頭，可以極大地改善勘探開發(fā)鉆井的經(jīng)濟性。

2） PDC鉆頭防失速工具在井下扭轉(zhuǎn)憋跳嚴(yán)重的情況使用，例如鍛銑、開窗或擴眼等特殊作業(yè)中，可以最大化保護(hù)井下管柱。

3） 通過利用PDC鉆頭防失速工具，能夠更優(yōu)化采用先進(jìn)精密的井下儀器、數(shù)據(jù)傳輸和壓力控制等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)對于采收率的持續(xù)提高至關(guān)重要。

4） 今后的發(fā)展方向是在內(nèi)部安裝自動記錄儀，測量實際的工作參數(shù)。研發(fā)能與MWD儀器互補結(jié)合的系統(tǒng)。

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Application of the PDC Bit Antistall Tool in Drilling Difficult For mations

ZHANG Hui，CAI Wen-jun，WU Zhong-hua
（Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257017，China）

The develop ment of PDC bit antistall tool ai ms at preventing the drilling produced destr uctive levels ener gy to avoid t he resultant har mf ul effects and opti mizing t he cutting efficiency.PDC bit antistall tool is a mechanical downhole tool which ai ms to adj ust the drilling torque automaticall y in real ti me，The tool can reduce vibrations，motor stalls，equip ment fail ures and general wear，in addition to increasing the penetration rate and r un length.The goal of the tool is to eli minate cutter-induced tor que variations and string stalls in difficult f or mations.In addition，t he develop ment trend is proposed.

PDC bit；antistall tool；tor que

TE921.107

B

1001-3482（2014）06-0045-04

2013-12-15

中石化石油工程有限公司科研項目“PDC鉆頭防蹩鉆工具研制”（SG1301-02K）部分內(nèi)容

張 輝（1979-），男，遼寧昌圖人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），現(xiàn)主要從事井下工具研發(fā)工作，E-mail：zhanghui211.slyt＠sinopec.co m。