張 龍， 張 凱， 周 琴， 李國(guó)民， 劉寶林

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

“十三五”期間，我國(guó)將“三深一土”科技創(chuàng)新發(fā)展為主攻方向。其中深地探測(cè)戰(zhàn)略的目標(biāo)之一就是儲(chǔ)備一批5000 m以深資源勘查前沿技術(shù)。而深井超深井鉆井是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，井溫梯度和壓力梯度高、井壁穩(wěn)定性條件復(fù)雜、深部地層巖石可鉆性差、鉆機(jī)負(fù)荷大等一系列問題在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)性。在進(jìn)行深井垂直鉆井中，如何控制井斜、提高垂直精度成為垂直鉆井工程中的一個(gè)重點(diǎn)問題。

針對(duì)糾斜問題，傳統(tǒng)的防斜技術(shù)雖然可以起到一定的糾斜效果，但其犧牲了鉆壓和鉆速而且使施工時(shí)間加長(zhǎng)，遠(yuǎn)不足以運(yùn)用到深井作業(yè)當(dāng)中[1]。VertiTrak系統(tǒng)、Power-V系統(tǒng)等一些自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)[2]能夠在深井鉆探中發(fā)揮出很好的效果，但是這些系統(tǒng)內(nèi)部均有大量且復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，這些電子元件不耐高溫、振動(dòng)，面對(duì)深井中的惡劣環(huán)境極易發(fā)生損壞，導(dǎo)致鉆井成本急劇加大。而機(jī)械式自動(dòng)垂鉆的出現(xiàn)很好地解決了這類問題[3]，其耐溫性高、成本低、適用性廣成為了針對(duì)深井垂直鉆井的又一選擇。與電子控制式相比，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)和糾斜原理都較為簡(jiǎn)單。Scout Downhole公司設(shè)計(jì)出的Vertical Scout，在偏重機(jī)構(gòu)受到重力影響時(shí)，偏重塊轉(zhuǎn)至井眼低邊，在盤閥的配合下連通鉆井液流道，使高壓鉆井液流入位于井眼高邊的活塞腔體中，以此提供推靠力，完成糾斜。哈里伯頓推出的V-pilot系統(tǒng)，在井斜發(fā)生時(shí)鐘擺總成在重力的作用下，使鉆井液流道打開，涌進(jìn)的高壓鉆井液經(jīng)過閥門總成內(nèi)部的螺旋形流道，將位于井眼高邊一側(cè)的活塞推出完成糾斜。此外還有哈里伯頓研制的VertiSteer，以及國(guó)內(nèi)中國(guó)石化勝利鉆井研究院設(shè)計(jì)的UPC-VDS垂鉆系統(tǒng)。但機(jī)械式垂鉆控制精度相對(duì)較低、且受振動(dòng)影響較大，嚴(yán)重影響了其糾斜效果，而隨著鉆進(jìn)深度加大，粘滑振動(dòng)越來越顯著，底部鉆具的粘滑振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響垂直鉆具工作的穩(wěn)定性，使糾斜效果惡化。

針對(duì)這種情況，本文基于機(jī)械式自動(dòng)垂鉆糾斜的原理，以及影響粘滑振動(dòng)的主要因素，對(duì)如今幾種抑制粘滑振動(dòng)的方法與機(jī)械式自動(dòng)垂鉆的鍥合度進(jìn)行研究，并進(jìn)行了相關(guān)展望。

1 機(jī)械式自動(dòng)垂鉆糾斜原理

自動(dòng)垂直鉆具包括電子控制式和機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具兩大類[4]。機(jī)械式自動(dòng)垂鉆技術(shù)是在電子控制式的基礎(chǔ)上研究得來的，對(duì)于現(xiàn)今主流的機(jī)械式自動(dòng)式垂鉆鉆具，其工作方式大多數(shù)都通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在重力作用下完成糾斜的。

機(jī)械式垂直鉆具通常都包括重力感應(yīng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中重力感應(yīng)機(jī)構(gòu)包括偏重塊以及上下盤閥。偏重塊在軸承作用下可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其底部與上盤閥剛性連接并保持同步旋轉(zhuǎn)，上盤閥有一個(gè)開孔，其位置與偏重塊呈對(duì)位分布，下盤閥有多個(gè)開孔，分別與下部鉆井液流道相連，當(dāng)重力機(jī)構(gòu)感應(yīng)到井斜時(shí)，偏重塊擺動(dòng)至井眼低邊，此時(shí)上盤閥開口擺至井眼高邊并連通該側(cè)流道，鉆井液通過流道進(jìn)入推靠機(jī)構(gòu)，在壓力差的作用下，將對(duì)應(yīng)位置的活塞推至井壁(見圖1)。在反作用力的影響下，鉆頭會(huì)加劇對(duì)井眼低邊的切削，井眼軌跡逐漸回復(fù)到垂直位置[5]。

圖1 機(jī)械式垂直鉆具重力感應(yīng)糾斜機(jī)構(gòu)[5]Fig.1 Mechanical vertical drilling tool with the gravity sensor

通過對(duì)糾斜原理的分析可以看出，機(jī)械式垂鉆工具的糾斜精度與偏重塊能否快速穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)到井眼低邊位置以及推靠機(jī)構(gòu)能否可以及時(shí)推出活塞進(jìn)行糾斜有著密切的關(guān)系。但隨著鉆進(jìn)深度的不斷增加，巖石強(qiáng)度變大、可鉆性變差，鉆頭擊碎巖石所需的能量變大；另外，鉆柱也隨之越來越長(zhǎng)，管柱剛度變小[6]。井底粘滑振動(dòng)趨于劇烈，粘滑振動(dòng)會(huì)使底部鉆具出現(xiàn)卡滑的現(xiàn)象，勢(shì)必會(huì)影響偏重機(jī)構(gòu)位于井眼低邊位置的穩(wěn)定性，以及推靠塊推靠井壁時(shí)糾斜力的穩(wěn)定，使其糾斜效果降低。

2 粘滑振動(dòng)影響機(jī)理分析

粘滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)為鉆柱系統(tǒng)提供能量，當(dāng)輸入能量不足以打破鉆頭與巖層間的摩擦扭矩時(shí)，鉆頭靜止處于粘滯狀態(tài)。此時(shí)鉆柱扭曲并積蓄能量，直到足夠克服摩擦扭矩，鉆頭以數(shù)倍于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入滑脫狀態(tài)。之后鉆頭的摩擦扭矩、鉆井液和鉆柱系統(tǒng)的阻尼力等均會(huì)消耗能量，使鉆頭再次處于粘滯狀態(tài)，并進(jìn)入高速運(yùn)動(dòng)和粘滯靜止運(yùn)動(dòng)相互交替的周期性運(yùn)動(dòng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)引起粘滑振動(dòng)的主要因素進(jìn)行了大量研究工作。

由粘滑振動(dòng)的定義可得，鉆頭的摩擦扭矩會(huì)對(duì)粘滑振動(dòng)起到重要的影響。Dawson[7]、VAN DE VRANDE[8]通過建立模型發(fā)現(xiàn)減小摩擦阻力可以抑制粘滑振動(dòng)產(chǎn)生；南旭東[9]、呂苗榮[10]、湯歷平[6]等得出鉆頭和鉆柱在井底和井壁間是介于動(dòng)摩擦和靜摩擦之間的一種非線性接觸，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)也會(huì)對(duì)粘滑振動(dòng)產(chǎn)生影響。由于鉆頭結(jié)構(gòu)的改變會(huì)使其摩擦扭矩也發(fā)生改變，Thomas Richard[11]考慮了在鉆頭破巖的過程中，鉆頭與巖石間的相互作用并建立了鉆頭為集中的質(zhì)量模型(見圖2)。Christophe Germay[12]基于圖2模型并對(duì)其進(jìn)行完善，得到粘滑振動(dòng)的產(chǎn)生與鉆頭結(jié)構(gòu)有關(guān)。劉清友等[13]利用彈性桿理論和單元法，進(jìn)一步了解了牙輪鉆頭和鉆柱在粘滑振動(dòng)發(fā)生時(shí)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律；張曉東等[14]對(duì)鉆頭與巖石兩者間的摩擦力進(jìn)行描述，使用能量法對(duì)鉆柱粘滑振動(dòng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

圖2 鉆柱系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型[11]Fig.2 Simplified model of the drill string system

由于鉆頭在粘滯狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)扭矩，因此鉆頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速之間有很大的關(guān)系。Jansen J D和Steen L[15]將鉆柱系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線性彈簧，并建立鉆頭的運(yùn)動(dòng)微分方程，分析在破巖過程中扭矩和角速度的波動(dòng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速高于某臨界值時(shí)粘滑振動(dòng)將消失。Lin、Dareing、Gulyaev、牟海維等[16-19]研究得出轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高有助于粘滑振動(dòng)的抑制。

鉆頭處的鉆壓是摩擦扭矩產(chǎn)生的必要因素，鉆頭所受鉆壓越大，鉆頭的摩擦扭矩也會(huì)相應(yīng)變大，所以針對(duì)鉆壓與粘滑振動(dòng)間的關(guān)系，AZADI SASSAN等[20]通過建立兩個(gè)自由度鉆柱系統(tǒng)力學(xué)模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，證實(shí)了通過改變鉆壓可以降低甚至消除粘滑振動(dòng)的影響，從而設(shè)計(jì)出了一種粘滑補(bǔ)償器。HUANG、馮程寶、付蒙、張焱、呂苗榮等[21-24，10]，都基于動(dòng)力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)低鉆壓可有效避免粘滑振動(dòng)的發(fā)生。

此外，對(duì)機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具，粘滑振動(dòng)的振幅和周期更會(huì)給偏重機(jī)構(gòu)和推靠裝置造成很大的影響[5]，其中偏重塊會(huì)由簡(jiǎn)單的衰減運(yùn)動(dòng)，變?yōu)閺?fù)雜的鐘擺運(yùn)動(dòng)，影響糾斜精度；推靠裝置由于粘滑振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，會(huì)降低其有效推靠力，降低糾斜效率。

3 抑制方法分析

抑制粘滑振動(dòng)的影響是提高機(jī)械式垂鉆的糾斜精度主要方法之一。通過對(duì)糾斜原理與產(chǎn)生粘滑振動(dòng)的主要因素的研究可以發(fā)現(xiàn)，通過改變某些鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)等方法，提高鉆頭破巖時(shí)的相對(duì)工作扭矩，可以起到抑制甚至消除粘滑振動(dòng)的效果。目前，出現(xiàn)了多種控制粘滑振動(dòng)的方法，筆者依據(jù)抑制機(jī)理將其分成4個(gè)方面，并依次針對(duì)是否適用于機(jī)械式垂直鉆具進(jìn)行分析：(1)基于鉆井參數(shù)的優(yōu)化;(2)鉆頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;(3)增加額外破巖工具;(4)鉆柱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1 基于鉆井參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)

在鉆頭處于粘滯狀態(tài)時(shí)，需要鉆柱從轉(zhuǎn)盤積攢足夠的扭矩，以此克服巖石的阻礙，打破粘滯狀態(tài)，此時(shí)粘滯階段時(shí)間有t=T/kTw0(其中：w0為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，k為鉆柱扭轉(zhuǎn)剛度，T為破巖所需扭矩[25])，由此可以看出，增加轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可以減少粘滯時(shí)間，抑制粘滑振動(dòng)。在此基礎(chǔ)上Navarro[26]在2009年提出，可以通過比例積分來控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整出現(xiàn)粘滑振動(dòng)時(shí)的阻尼頻率，以此來抑制粘滑振動(dòng)。井口比例積分控制通常在井口處通過比例積分(PI)來判斷鉆頭處粘滑振動(dòng)的嚴(yán)重性從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以此來抑制粘滑振動(dòng)。Abdulgalil和Sigurewdidjane[27]通過建立鉆柱的集中質(zhì)量擺模型，設(shè)計(jì)出了粘滑振動(dòng)補(bǔ)償控制與比例積分控制相結(jié)合的非線性控制系統(tǒng)。由荷蘭公司Electroproject發(fā)明的EPST頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)已于2011年安裝并開始使用，通過PLC控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，從而抑制井底的粘滑振動(dòng)。由美國(guó)NOV公司研制的Softspeed Ⅱ，它可以廣泛的應(yīng)用不同類型的鉆井作業(yè)中，包括深井、超深井。因?yàn)殂@柱產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)由波的形式傳遞到頂驅(qū)，而頂驅(qū)會(huì)將這些能量反彈回去，這也就導(dǎo)致了粘滑振動(dòng)的加強(qiáng)，而Softspeed Ⅱ可以通過控制頂驅(qū)的轉(zhuǎn)速將通過鉆柱傳遞到地面的振動(dòng)波吸收，并反射小部分能量[28]。在經(jīng)過反復(fù)幾次之后，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)得到抑制，鉆柱趨于穩(wěn)定，這是一個(gè)相消干涉的過程。

國(guó)內(nèi)四川宏華石油設(shè)備有限公司、大慶景宏鉆采技術(shù)開發(fā)有限公司等公司都相繼開發(fā)出了自己的頂驅(qū)扭矩系統(tǒng)，其中景宏頂驅(qū)配置的轉(zhuǎn)速扭矩控制鉆井系統(tǒng)，可以自主選擇開閉，并采用雙PLC結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，提高了在復(fù)雜井況下的安全性。其軟扭矩技術(shù)，可以自動(dòng)識(shí)別工況，調(diào)整輸出扭矩，有效降低粘滑運(yùn)動(dòng)的發(fā)生率。自2009年起，大慶景宏鉆采技術(shù)開發(fā)有限公司在美國(guó)、加拿大等地都有了一定的市場(chǎng)，并在可靠性和安全性方面達(dá)到世界一流水平。

鉆頭的摩擦扭矩與鉆壓成正比，在保證其他鉆井參數(shù)不變的情況下，通過降低鉆壓可以達(dá)到降低鉆頭摩擦扭矩從而抑制粘滑振動(dòng)的產(chǎn)生。MONTEIRO和TRINDADE[29]在2016年，設(shè)計(jì)出了比例積分和動(dòng)態(tài)鉆壓控制相結(jié)合的方法，并通過比較發(fā)現(xiàn)，比例積分和動(dòng)態(tài)鉆壓相結(jié)合的方法可以很有效地控制粘滑振動(dòng)的現(xiàn)象。一方面通過比例積分調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，使之接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速，另一方面通過動(dòng)態(tài)鉆壓調(diào)節(jié)，使波動(dòng)的鉆壓可以穩(wěn)定在一個(gè)目標(biāo)鉆壓上(見圖3)。這種方法通過井口收集到的波動(dòng)情況，經(jīng)過PLC進(jìn)行閉環(huán)精確控制鉆壓與轉(zhuǎn)速使粘滑振動(dòng)得到抑制。

圖3 PI調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)鉆壓相結(jié)合的控制系統(tǒng)[29]Fig.3 PI angular velocity control scheme with dynamic weight-on-bit (WOB)

這些方法通過實(shí)時(shí)控制鉆壓或轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速來控制粘滑振動(dòng)的發(fā)生，抑制效果出眾，但控制系統(tǒng)復(fù)雜，可操作性不強(qiáng)[30]，而且多數(shù)都只考慮了鉆頭與巖層間的相互作用，未考慮鉆柱參數(shù)變化的影響，隨著鉆井深度的增加，鉆柱的剛度也會(huì)隨之降低，粘滑振動(dòng)的發(fā)生率也會(huì)提高。而軟扭矩系統(tǒng)多數(shù)適用于低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，在深井、超深井中運(yùn)用，其抑制效果會(huì)大打折扣，所以這類方法能否在深井、超深井中運(yùn)用仍需進(jìn)一步深入研究。

3.2 基于鉆頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

復(fù)合鉆頭通過改變常規(guī)鉆頭的齒形，將牙輪鉆頭與PDC刀翼鉆頭結(jié)合，通過改善鉆頭的工作性能，降低摩擦扭矩，提高破巖效率。由貝克休斯在2010年開發(fā)出kymera組合式鉆頭，這種復(fù)合鉆頭有2種類型，由雙刀翼雙牙輪鉆頭組成，以及三牙輪三刀翼組成[25]，這種鉆頭集合了牙輪鉆頭的攻擊性高和PDC切削齒清潔巖屑的優(yōu)勢(shì)，牙輪鉆頭先對(duì)巖石進(jìn)行預(yù)破碎，之后再由PDC刀翼鉆頭對(duì)其進(jìn)行切削，這樣可以降低鉆頭破巖時(shí)的摩擦扭矩，從而獲得更高的機(jī)械轉(zhuǎn)速(見圖4)。兩類復(fù)合鉆頭都已通過實(shí)鉆測(cè)試，驗(yàn)證了復(fù)合鉆頭比常規(guī)PDC鉆頭更有利于鉆井效率的提高，也可以減少井底由振動(dòng)產(chǎn)生的損傷。

圖4 實(shí)地測(cè)試之后的2種復(fù)合鉆頭[33]Fig.4 Field testing of the two types of PDC bits

NOV公司推出的Speed Drill鉆頭是一種雙直徑PDC鉆頭，由一個(gè)較小的定向鉆頭和同心擴(kuò)眼鉆頭組成。前面導(dǎo)向鉆頭快速鉆進(jìn)，減小圍巖中的應(yīng)力，擴(kuò)眼鉆頭以同樣的速度鉆穿巖石。該鉆頭有助于改善鉆進(jìn)穩(wěn)定性，從而減少震動(dòng)失效，延長(zhǎng)鉆頭壽命，提高井眼質(zhì)量，節(jié)約鉆井成本，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得機(jī)械速率提高了20%[34]。

由中國(guó)石油集團(tuán)資助，研發(fā)的PDC+牙輪復(fù)合鉆頭于2013年成功在四川麻002-H1井下井試驗(yàn)，鉆頭工作穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)PDC鉆頭，且機(jī)械鉆速提高了20%。由西南石油大學(xué)鉆頭研究所設(shè)計(jì)的“4+2”和“2+2”型PDC-牙輪復(fù)合鉆頭在冀東油田中機(jī)械鉆速提高了30%[35]。

另一方面，Schell[36]設(shè)計(jì)了一種在主刀翼中間設(shè)置輔助刀翼，以此避免切削齒吃入量過大，而引起粘滑振動(dòng)。Jaggi、Davis等[37-38]都由齒鉆吃入量對(duì)粘滑振動(dòng)的影響入手，提出應(yīng)在鉆頭上設(shè)計(jì)出防止吃入量過深的裝置。這也揭示了通過優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)從而控制鉆頭的切削深度，也可以有效地抑制粘滑振動(dòng)。美國(guó)貝克休斯公司研制了具有抑制粘滑振動(dòng)的創(chuàng)新性技術(shù)的TerrAdapt自適應(yīng)性鉆頭[39]。在實(shí)際鉆井中，難免會(huì)碰到地層性質(zhì)不相同的情況，傳統(tǒng)PDC鉆頭不能確保鉆頭進(jìn)入軟地層時(shí)的ROP，同時(shí)又能保證在進(jìn)入硬地層時(shí)不發(fā)生粘滑振動(dòng)。而自適應(yīng)性鉆頭的出現(xiàn)，很好地解決了這類問題。TerrAdapt鉆頭的工作機(jī)理就是在不同類型的地層中通過改變鉆頭的切削深度，從而抑制粘滑振動(dòng)。它通過鉆頭進(jìn)入不同地層時(shí)壓力的突然改變，使液體壓力隨之改變，從而控制推靠塊的推出深度，達(dá)到實(shí)時(shí)改變鉆齒的切削深度，降低了鉆頭處摩擦扭矩，進(jìn)而實(shí)時(shí)抑制粘滑振動(dòng)的產(chǎn)生[40]。在Oklahoma油田進(jìn)行的實(shí)鉆測(cè)試證實(shí)自適應(yīng)PDC鉆頭可以在高鉆壓、低轉(zhuǎn)速的情況下高效鉆進(jìn)，而且還可以有效抑制粘滑、減輕鉆頭損壞程度、降低鉆井成本。

通過優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)，改變鉆進(jìn)方式，可以很好地降低摩擦扭矩，抑制粘滑振動(dòng)。與自適應(yīng)鉆頭相比，復(fù)合鉆頭雖然不具備很強(qiáng)的地層適應(yīng)性，在高鉆壓下鉆進(jìn)時(shí)也會(huì)使復(fù)合片受到強(qiáng)大沖擊，對(duì)其使用壽命產(chǎn)生影響，但復(fù)合鉆頭中沒有電子元件，在今后可以與機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具開展更多的適用性研究。自適應(yīng)鉆頭抑制粘滑振動(dòng)效果出眾，但工作原理復(fù)雜、成本高，與機(jī)械式垂直鉆具并不相匹配，但與電子式自動(dòng)垂直鉆具相結(jié)合，有很好的發(fā)展前景。

3.3 基于提高額外工作扭矩的設(shè)計(jì)

粘滑振動(dòng)的產(chǎn)生主要是由于驅(qū)動(dòng)扭矩不能克服地層的摩阻而導(dǎo)致的。在驅(qū)動(dòng)扭矩不足的情況下，可以等待鉆柱積蓄足夠的能量，還可以借助外力的沖擊扭矩，打破粘滯狀態(tài)，消除粘滑振動(dòng)。從呂苗榮等[10]分析的鉆頭巖石摩擦力矩分析中可知，由粘滯階段鉆頭所受驅(qū)動(dòng)扭矩與摩擦扭矩平衡，此時(shí)如果引入一個(gè)額外沖擊扭矩，方可打破粘滯狀態(tài)。借助此機(jī)理一些輔助破巖工具相繼出現(xiàn)，這些輔助工具意在通過給鉆頭提供輔助扭矩，從而間接地增加了鉆頭的工作扭矩。由Ulterra公司研發(fā)的TorkBuster是一種純機(jī)械的扭轉(zhuǎn)沖擊動(dòng)力工具，其原理為在鉆頭上方增加一個(gè)可以將鉆井液能量轉(zhuǎn)化為一種直接施加到PDC鉆頭上的一個(gè)高頻、低副的扭力沖擊，從而消除PDC鉆頭粘滑現(xiàn)象[41]。當(dāng)鉆頭處于粘滯狀態(tài)時(shí)，TorkBuster會(huì)直接提供給鉆頭額外扭矩，不需等待鉆頭積攢到足夠打破鉆頭與巖石的摩擦扭矩，鉆頭就會(huì)脫離粘滯狀態(tài)。因此鉆頭也不會(huì)因積攢的扭矩突然釋放而進(jìn)入滑脫狀態(tài)，從而大大消除了粘滑狀態(tài)的發(fā)生。2009年開始，我國(guó)開始使用TorkBuster，在平均機(jī)械速率與鉆井成本方面都得到了很大的改善。國(guó)內(nèi)由勝利油田研制開發(fā)的SLTIT型扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井提速工具，已于2011年下井測(cè)試，與普通鉆井相比機(jī)械鉆速平均提高了50%，且鉆機(jī)振動(dòng)減輕、噪聲減小[42]。

對(duì)于此類輔助性破巖工具，其優(yōu)點(diǎn)在于裝置不含電子元件，適用性廣，形成的扭轉(zhuǎn)沖擊可以直接傳至鉆頭，減少?zèng)_擊損失，也可以有效地抑制粘滑振動(dòng)的發(fā)生。但這種破巖工具所帶來的額外沖擊扭矩，會(huì)加劇鉆頭的磨損，降低其使用壽命。對(duì)于機(jī)械式垂直鉆具的偏重機(jī)構(gòu)可能會(huì)使其偏重塊不能穩(wěn)定在井眼低邊，從而影響糾斜效果。如何在增加額外沖擊扭矩的情況下，減少對(duì)鉆頭的磨損、保證偏重平臺(tái)的穩(wěn)定性將是下一步研究的關(guān)鍵。

3.4 機(jī)械式垂鉆工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

從機(jī)械式垂直鉆具糾斜原理可以看出，發(fā)生粘滑振動(dòng)時(shí)，偏重平臺(tái)機(jī)構(gòu)所受影響最為嚴(yán)重。因此，針對(duì)降低偏重機(jī)構(gòu)的摩阻進(jìn)行優(yōu)化，也可以降低其糾斜效果在外界振動(dòng)情況下的影響。李立鑫[5]針對(duì)凸臺(tái)盤閥進(jìn)行優(yōu)化，并在盤閥安裝軸上增設(shè)單向水力渦輪。對(duì)于常規(guī)盤閥，上下盤閥為完全接觸，摩阻較大，受振動(dòng)影響明顯，對(duì)此在上下盤閥間鑲嵌PDC復(fù)合片，復(fù)合片的端面高出盤閥，這樣優(yōu)化可以減少盤閥間的接觸面積，摩擦阻力矩明顯降低。在粘滑振動(dòng)的作用下，偏重塊會(huì)在井眼低邊位置發(fā)生擺動(dòng)，在盤閥安裝軸上增設(shè)單向水力渦輪，在鉆井液的穩(wěn)定排量下，渦輪產(chǎn)生近似恒定的扭矩，并傳遞給盤閥，可以抵消盤閥的部分摩擦阻力矩，進(jìn)而降低偏重塊與井眼低邊位置的偏轉(zhuǎn)角度。

這類優(yōu)化方法通過優(yōu)化內(nèi)部的裝置，降低粘滑振動(dòng)產(chǎn)生的影響，成本低，并在室內(nèi)試驗(yàn)中得到顯著效果。但該方法并未抑制粘滑振動(dòng)，只是降低粘滑振動(dòng)對(duì)偏重平臺(tái)的影響。鉆頭的壽命，以及鉆進(jìn)速度依舊會(huì)受振動(dòng)影響，所以如何與其他抑制粘滑振動(dòng)方法相結(jié)合值得開展相關(guān)研究。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的糾斜原理及產(chǎn)生粘滑振動(dòng)的主要因素進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)有抑制粘滑振動(dòng)的方法與機(jī)械式自動(dòng)垂鉆工具的相互適應(yīng)性進(jìn)行研究，具體結(jié)論如下：

(1)對(duì)于機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具，基于鉆井參數(shù)優(yōu)化的抑制粘滑振動(dòng)的方法，其控制方法復(fù)雜且在深井、超深井中使用其抑制效果并不是很突出。如何簡(jiǎn)化控制方法與機(jī)械式自動(dòng)垂鉆相適應(yīng)是未來研究的重點(diǎn)。

(2)通過鉆頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來抑制粘滑振動(dòng)的方法可以很好地契合機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具，但鉆頭如何在高鉆壓下保持使用壽命還需進(jìn)一步優(yōu)化。

(3)通過提高額外工作扭矩來克服粘滑振動(dòng)的方法會(huì)產(chǎn)生額外的沖擊扭矩，會(huì)加劇鉆頭磨損，使其工作壽命受到影響。而且對(duì)于機(jī)械式鉆具中的偏置機(jī)構(gòu)，額外扭矩會(huì)影響其穩(wěn)定性，影響糾斜效果。所以減少鉆頭磨損、保持偏重平臺(tái)穩(wěn)定是今后的研究重點(diǎn)。

(4)通過機(jī)械式垂鉆的內(nèi)部工具優(yōu)化來減少粘滑振動(dòng)的方法并未真正地抑制粘滑振動(dòng)，而只是減少粘滑振動(dòng)對(duì)鉆具中執(zhí)行機(jī)構(gòu)和穩(wěn)定平臺(tái)的影響，鉆頭、鉆桿依舊會(huì)受到粘滑振動(dòng)的危害。今后在與其他抑制方法相結(jié)合方面值得開展相關(guān)研究。

徹底抑制井底粘滑振動(dòng)或降低其對(duì)機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具糾斜的影響，在目前乃至未來都是一個(gè)重要目標(biāo)。相信在國(guó)內(nèi)學(xué)者的不斷研究創(chuàng)新下，機(jī)械式垂直鉆具系統(tǒng)會(huì)更加完善，其防斜糾斜能力可以進(jìn)一步得到提升，為我國(guó)資源勘查提供可靠的技術(shù)保障。