PDC鉆頭扭轉(zhuǎn)振動減振工具設(shè)計及現(xiàn)場應(yīng)用

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)振動時，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鉆頭黏滑振動的工具[6-10]。目前，該類工具在鉆井現(xiàn)場得到了較為廣泛的應(yīng)用，其在鉆遇硬質(zhì)地層時效果較好，但對軟地層及軟硬交錯地層的使用效果不是很明顯。一些學(xué)者研制了針對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)波動時，會通過工具內(nèi)部的螺旋及碟簧儲能機構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為扭矩，實現(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。這些問題的關(guān)鍵原因是對該類工具的減振機理及參數(shù)設(shè)計理論研究不足，使得該類工具在設(shè)計和使用過程中存在一定的盲目性和經(jīng)驗性。為了更加科學(xué)地指導(dǎo)該類工具的設(shè)計及使用，基于筆者設(shè)計的扭轉(zhuǎn)振動減振工具[14]，對其減振機理及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析計算，根據(jù)理論分析結(jié)果對工具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，對其減振及提速效果進(jìn)行了驗證。

1 扭轉(zhuǎn)振動減振工具的理論分析

1.1 扭轉(zhuǎn)振動減振工具的結(jié)構(gòu)

設(shè)計的扭轉(zhuǎn)振動減振工具的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上部短節(jié)、驅(qū)動短節(jié)、外殼體、碟簧與鉆頭座組成，驅(qū)動短節(jié)和鉆頭座之間通過螺旋導(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鉆頭或者井下動力鉆具，正常工作時，該工具起到接頭的作用。

當(dāng)鉆壓恒定時，碟簧的壓縮量為恒定值。當(dāng)鉆壓出現(xiàn)波動時，驅(qū)動短節(jié)的軸向載荷出現(xiàn)變化，驅(qū)動短節(jié)會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，向下的軸向力使得驅(qū)動短節(jié)向下運動，并驅(qū)動鉆頭座沿著螺旋導(dǎo)軌順時針(與鉆桿轉(zhuǎn)動方向相同)轉(zhuǎn)動，將一部分軸向力分解為切削扭矩。

圖1 研制的扭轉(zhuǎn)振動減振工具結(jié)構(gòu)

1.2 扭轉(zhuǎn)振動減振工具的工作原理

在鉆進(jìn)過程中，鉆壓的波動會造成PDC鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動，同時，PDC鉆頭轉(zhuǎn)速的波動會造成鉆壓的波動，即鉆壓的波動和轉(zhuǎn)速的波動會相互影響[15-17]。

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

圖2 扭轉(zhuǎn)振動減振工具的工作原理示意圖

由圖2可知，轉(zhuǎn)盤以一個恒定的轉(zhuǎn)速Ω轉(zhuǎn)動，并帶動PDC鉆頭轉(zhuǎn)動，PDC鉆頭處受到一個反向的阻力扭矩Tr，其中，彈簧a為扭轉(zhuǎn)振動減振工具的螺旋導(dǎo)軌，彈簧b為鉆柱系統(tǒng)。在沒有扭轉(zhuǎn)振動的情況下，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和PDC鉆頭的運動速度相等，兩者之間的彈簧a、b的伸長量為恒定值；當(dāng)PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動時，該工具可以通過彈簧a帶動連桿機構(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伸長量增大，連桿機構(gòu)順時針向上提拉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，則會減小PDC鉆頭轉(zhuǎn)速。

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

2 扭轉(zhuǎn)振動減振工具的參數(shù)設(shè)計

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，在實際鉆進(jìn)過程中，其值為[18]：

(1)

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

在鉆進(jìn)過程中，增加的鉆壓會增加PDC鉆頭的切削深度，同時，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)振動減振工具的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

扭轉(zhuǎn)振動減振工具的設(shè)計關(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，此時增加的鉆壓理論上會使得鉆柱長度縮短：

(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)振動減振工具中螺旋角是工具設(shè)計的關(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)速波動時，波動扭矩轉(zhuǎn)換成的鉆壓較小，不足以完全抑制鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動；反之，當(dāng)所選工具的螺旋角較小時，會使得波動扭矩轉(zhuǎn)換成的鉆壓過大，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)計螺旋角時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)場應(yīng)用中，為了達(dá)到抑制PDC鉆頭扭轉(zhuǎn)振動的最佳效果，需要根據(jù)實際情況(鉆具組合、鉆頭參數(shù)及地層參數(shù))對扭矩減振工具的螺旋導(dǎo)軌螺旋角進(jìn)行優(yōu)選。

3 現(xiàn)場試驗

扭轉(zhuǎn)振動減振工具在山西某區(qū)塊A井進(jìn)行試驗，該井為定向井，試驗層位埋深為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)實際鉆進(jìn)工況，并參考文獻(xiàn)[2]，式(8)中的計算參數(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)計算出最佳導(dǎo)軌螺旋角為66 °。根據(jù)已有的型號，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。考慮工具長度較長，如果安裝在螺桿鉆具和PDC鉆頭之間，會影響造斜，因此，結(jié)合鉆井設(shè)計及工具特點，將該工具安裝在螺桿鉆具上端。

該工具的累計工作時間為105 h，平均機械鉆速為13.01 m/h，實現(xiàn)了一趟鉆柱完成二開鉆進(jìn)。圖4為試驗后PDC鉆頭5個刀翼的照片。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，但主切削齒沒有出現(xiàn)崩齒破壞，該PDC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個同類型的PDC鉆頭，純鉆進(jìn)時間為132 h，該層位的平均機械鉆速為9.75 m/h。與鄰井同層位相比，采用扭轉(zhuǎn)振動減振工具后，平均機械鉆速提高了33.44%，另外，該工具的使用節(jié)省了一個PDC鉆頭和一次起下鉆的非鉆進(jìn)時間。

圖4 使用扭轉(zhuǎn)振動減振工具后PDC鉆頭刀翼的照片

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

4 結(jié)論與建議

(1) 設(shè)計了能抑制PDC鉆頭扭轉(zhuǎn)振動的減振工具，建立了扭轉(zhuǎn)振動減振工具的減振模型，對其減振機理進(jìn)行了分析，驗證了其原理的可行性。

(2) 結(jié)合扭轉(zhuǎn)振動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)振動減振工具的最佳螺旋角的計算模型。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)計算模型及鉆井現(xiàn)場的工況，優(yōu)選了螺旋角為70 °的扭轉(zhuǎn)振動減振工具進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明，該工具能有效地抑制鉆頭的扭轉(zhuǎn)振動，提高PDC鉆頭的使用壽命；與鄰井同層位相比，采用扭轉(zhuǎn)振動減振工具后，平均機械鉆速提高了33.44%。

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