PDC鉆頭反扭矩分析及控制技術(shù)

陳 勇,陳若銘,張興國,林鐵軍,陳森強,柯 學(xué)

(1.西部鉆探工程有限公司 克拉瑪依鉆井工藝研究院,新疆 克拉瑪依 834000;2.西南石油大學(xué),成都 610500)

PDC鉆頭反扭矩分析及控制技術(shù)

陳 勇1,陳若銘1,張興國1,林鐵軍2,陳森強1,柯 學(xué)1

(1.西部鉆探工程有限公司 克拉瑪依鉆井工藝研究院,新疆 克拉瑪依 834000;2.西南石油大學(xué),成都 610500)

定向滑動鉆井時,PDC鉆頭上產(chǎn)生的反扭矩變化較大,導(dǎo)致工具面控制不穩(wěn),影響了鉆進(jìn)的連續(xù)性和速度。采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)定量地分析了 PDC鉆頭破巖時產(chǎn)生的扭矩,進(jìn)一步證實存在較大反扭矩。介紹了 Southard鉆井技術(shù)公司最近研制的一種無反扭矩鉆井工具,即行星鉆頭驅(qū)動器。該工具構(gòu)思巧妙、設(shè)計新穎,通過控制定向鉆井時 PDC鉆頭上產(chǎn)生的反扭矩及其變化,從而提高鉆進(jìn)效率,具有一定的發(fā)展前景。

PDC鉆頭;反扭矩;行星鉆頭驅(qū)動器;有限元法

Abstract:During directional slide drilling,reactive torque on the PDC changes greatly,the tool face can not be easily set,drilling consistence and ROP are affected.In this paper,reactive torque alternation of PDC was analyzed with finite element method quantitatively,which deepens understanding of reactive torque.In order to reduce or eliminate reactive torque,achieve continuously drilling and raise footage efficiency,a new drilling tool known as the“PlanetaryBitDriver”has been developed,the apparatuswas favor of controlling reactive torque alternation during directional slide drilling,this design was clever and originality,which has definite developing foreground.

Key words:PDC bit;reactive torque;planetary bit driver;finite elementmethod

定向滑動鉆進(jìn)時,鉆柱基本靜止在下井壁上,鉆頭靠井下動力馬達(dá)帶動旋轉(zhuǎn),通過控制下部鉆具的工具面實現(xiàn)定向和鉆進(jìn)。這種鉆井方式存在的問題是鉆頭在破巖過程中會產(chǎn)生反扭矩,且該反扭矩通過鉆頭傳遞到動力馬達(dá)和鉆柱上,引起鉆具反向旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致工具面控制不穩(wěn),從而影響鉆進(jìn)的連續(xù)性和速度,浪費大量的人力和時間。由于 PDC鉆頭不靠壓碾而靠剪切破巖,所需驅(qū)動扭矩較大,相應(yīng)的反扭矩也較大,因此,當(dāng)采用 PDC鉆頭定向滑動鉆進(jìn)時,更容易出現(xiàn)工具面不穩(wěn)的問題[1-4]。

本文利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)[5-6]定量地分析了 PDC鉆頭破巖時產(chǎn)生的反扭矩及其變化,介紹了Southard鉆井技術(shù)公司最近所研制的一種無反扭矩鉆井工具,以供國內(nèi)同行參考。

1 有限元分析

1.1 模型建立

使用 CAD軟件建立了 φ215.9 mm(81/2英寸)PDC鉆頭的幾何模型,導(dǎo)入有限元軟件,劃分為四面體自由網(wǎng)格。由于鉆頭和井眼尺寸相對于無限大地層很小,根據(jù)彈塑性理論,鉆井時離井眼較遠(yuǎn)地層巖石的力學(xué)環(huán)境不受影響。因此,本文地層巖石的物理模型為直徑 φ2 m的圓柱體,并通過定義巖石的材料方向取各向異性地層的傾角為 15°。巖石破壞判據(jù):巖石的總變形量達(dá)到 3%～5%,就開始具有塑性性質(zhì)或向塑性轉(zhuǎn)變,在鉆頭的剪切力作用下最終巖石剝落破碎。根據(jù)實際情況,所研究地層段的下端面為固定約束,地層的外端面為徑向約束,同時,地層上端受上覆地層壓力p的作用。鉆頭施加的邊界條件:鉆壓F=80 kN,轉(zhuǎn)速n=120 r/min,同時,給 PDC鉆頭繞鉆頭軸線施加轉(zhuǎn)動約束,允許其在井眼內(nèi)公轉(zhuǎn)和向各個方向平動,但不允許其在井眼內(nèi)翻轉(zhuǎn)和彎曲,如圖1a所示。有限元模型采用六面體單元劃分網(wǎng)格,如圖1b。

圖1 PDC鉆頭破巖的有限元力學(xué)模型

1.2 反扭矩分析

鉆井過程中,鉆頭不停地旋轉(zhuǎn),在與地層巖石接觸后產(chǎn)生反扭矩。

圖2 鉆頭上的扭矩變化

圖2是 PDC鉆頭在破巖過程中與地層接觸產(chǎn)生的扭矩隨時間的變化關(guān)系曲線?？梢钥闯?鉆井過程中扭矩在 -9 606～15 295 N·m范圍內(nèi)不斷變化。扭矩為負(fù)值表明鉆頭有“反轉(zhuǎn)”運動的趨勢,當(dāng)鉆頭的反轉(zhuǎn)扭矩克服限制鉆頭反轉(zhuǎn)的阻力矩時,鉆頭“反轉(zhuǎn)”。扭矩為 0時,鉆頭與井壁和井底無接觸“空轉(zhuǎn)”。當(dāng)井下馬達(dá)的輸出扭矩小于鉆頭的反扭矩時,鉆頭“滯動”。表明鉆頭在破巖過程中,轉(zhuǎn)動很不連續(xù),加劇了切削齒的損壞。

2 反扭矩控制技術(shù)

2.1 行星鉆頭驅(qū)動器工作原理

最近,國外 Southard鉆井技術(shù)公司研制出一種無反扭矩的鉆井工具[3,7],即行星鉆頭驅(qū)動器。該驅(qū)動器的主要運動原理如圖3所示,總體機械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 行星驅(qū)動器運動原理

圖4 行星驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

圖3中主動件是中心齒輪,中心齒輪上端與動力馬達(dá)的輸出軸連接,下端與中心鉆頭連接。當(dāng)馬達(dá)輸出軸帶動中心齒輪順時針旋轉(zhuǎn)時,與中心齒輪外嚙合的行星小齒輪將會在固定的位置上沿著各自的中心軸逆時針旋轉(zhuǎn),由于外齒圈與小齒輪內(nèi)嚙合在一起,小齒輪會帶動外齒圈作逆時針轉(zhuǎn)動,外齒圈的轉(zhuǎn)動中心與中心齒輪的轉(zhuǎn)動中心是同一中心。由于外齒圈與外鉆頭連接,所以外鉆頭與中心鉆頭的轉(zhuǎn)動方向相反,一個是順時針轉(zhuǎn)動,一個是逆時針轉(zhuǎn)動,2個通過行星驅(qū)動器連接的鉆頭在破巖過程中所產(chǎn)生的反扭矩也是一個為順時針方向,一個為逆時針方向。于是,2個反扭矩相互平衡、抵消,從而減少甚至消除了在下部鉆具組合上的反扭矩,同時,由于齒輪始終保持嚙合狀態(tài),一旦馬達(dá)止動,該裝置的任何機構(gòu)也會立即止動,從而達(dá)到解決常規(guī)定向鉆井時控制工具面不穩(wěn)的問題。該驅(qū)動器外殼體的上部通過螺紋直接與井底動力馬達(dá)外殼體的下端連接,動力馬達(dá)的傳動軸則與裝置的驅(qū)動軸相連,驅(qū)動軸的底部與中心鉆頭連接,直接驅(qū)動中心鉆頭沿順時針方向旋轉(zhuǎn)破巖,同時,驅(qū)動軸通過行星齒輪機構(gòu)驅(qū)動上部外鉆頭沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)破巖。

2.2 技術(shù)特點

a) 在預(yù)設(shè)方向上能快速、方便地控制工具面。

b) 設(shè)定好預(yù)設(shè)方向后,不必花費太多的時間調(diào)整工具面。

c) 當(dāng)馬達(dá)停止、方位改變、接鉆具時,不必花費時間重設(shè)工具面。

d) 能夠獲得較小的、穩(wěn)定的、連續(xù)的造斜率。

e) 可使用較大扭矩的馬達(dá)。

f) 可使用進(jìn)攻性強的 PDC鉆頭。

g) 減少起下鉆的時間。

h) 能夠鉆出更平滑的井身剖面。

i) 改善鉆井性能,提高鉆井速度。

盡管該驅(qū)動器目前尚未達(dá)到商業(yè)化的水平,但Southard鉆井技術(shù)公司初步的試驗結(jié)果表明,該驅(qū)動器巧妙新穎的設(shè)計可以成為現(xiàn)實,試驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的,符合設(shè)計者的初衷,具有發(fā)展前景。

3 結(jié)論

1) 定向滑動鉆井時,PDC鉆頭上產(chǎn)生的反扭矩值變化較大,導(dǎo)致定向過程中的工具面控制不穩(wěn),影響鉆進(jìn)的連續(xù)性和鉆進(jìn)速度。

2) 采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)定量地分析了PDC鉆頭在破巖過程中鉆頭上的扭矩變化,進(jìn)一步證實存在負(fù)扭矩,即反扭矩,其值與正扭矩的值相當(dāng)。

3) Southard鉆井技術(shù)公司最近研制出的行星鉆頭驅(qū)動器設(shè)計巧妙新穎,有利于定向鉆井時控制PDC鉆頭上產(chǎn)生的反扭矩及其變化,具有一定的發(fā)展前景。

[1] 羅恒榮,唐玉響,徐玉超,等.新型定向井 PDC鉆頭的研制與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2007,35(5):86-89.

[2] 郭世侯,王 平,張德軍,等.定向用新型 PDC鉆頭研制及現(xiàn)場試驗[J].鉆采工藝,2005,28(4):102-104.

[3] Robert Southard.New assembly drills without reactive torque[J].SPE/I ADC105000,2007.

[4] 王福修.混合切削結(jié)構(gòu) PDC鉆頭簡論[J].石油礦場機械,2005,34(3):30-32.

[5] 練章華.現(xiàn)代 CAE技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

[6] 練章華,林鐵軍,孟英峰,等.氣體鉆井破巖過程動態(tài)仿真模擬[J].天然氣工業(yè),2008,28(6):88-89.

[7] 戴金嶺,溫林榮,何育光,等.無反扭矩鉆井裝置和扭矩平衡分析[J].石油鉆探技術(shù),2008,36(1):53-56.

Analysis of Reactive Torque on PDC and Control Technique

CHEN Yong1,CHEN Ruo-ming1,ZHANG Xing-guo1,LIN Tie-jun2,CHEN Sen-qian1,KE Xue1

(1.Drilling Technology Research Institute of Karam ay,Western Drilling Engineering Com pany,Karam ay834000,China;2.Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

TE921.1

A

1001-3482(2010)05-0059-03

2009-11-27

陳 勇 (1979-),男,四川蓬溪人,博士,2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué),主要從事鉆完井工程技術(shù)研究,E-mail:xjchy@cnpc.com.cn。