衡扭矩鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用

李秋杰，萬(wàn)發(fā)明，鄭殿富，肖 健，鄭瑞強(qiáng)

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163413)

1 概述

衡扭矩鉆井工具是大慶油田近年來(lái)自主研發(fā)的一種提速工具，它能夠智能調(diào)節(jié)PDC 鉆頭吃入深度，平穩(wěn)井下扭矩，提高鉆進(jìn)效率，提高鉆頭使用壽命。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使工具不依靠鉆井液提供動(dòng)力，保證足夠的過(guò)流面積，不產(chǎn)生額外的壓耗，以減輕鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)的負(fù)荷，減少因泵壓過(guò)高產(chǎn)生的設(shè)備損壞。

2 衡扭矩技術(shù)研究

2.1 工具基本原理

鉆遇軟硬互層、堅(jiān)硬夾層時(shí)，扭矩經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)。產(chǎn)生的異常扭矩給鉆具、鉆頭等造成了額外的負(fù)荷，易產(chǎn)生疲勞破壞；另一方面，異常扭矩未能起到破巖作用，造成了能量的無(wú)用損耗。衡扭矩鉆井工具能夠智能調(diào)節(jié)鉆頭吃入深度，當(dāng)扭矩過(guò)大時(shí)，將過(guò)量的扭矩存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)扭矩降低時(shí)再將其釋放，保證PDC鉆頭持續(xù)穩(wěn)定地剪切地層，提高鉆進(jìn)效率。

2.2 創(chuàng)新技術(shù)

（1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高載荷蓄能及釋放機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了有限空間內(nèi)過(guò)量扭矩的頻繁存儲(chǔ)和釋放，具備較高的抗壓和抗疲勞能力；

（2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高靈敏度、低能量損耗的傳壓傳扭機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鉆壓和扭矩的及時(shí)傳遞，有效地將過(guò)量的扭矩轉(zhuǎn)化成上部碟簧的彈性勢(shì)能，進(jìn)行存儲(chǔ)和釋放；

（3）創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定性的懸掛機(jī)構(gòu)，提高了工具的可靠性。

2.3 性能參數(shù)

（1）工具總長(zhǎng)：4068mm；

（2）工作扭矩：0～20kN·m;

（3）最大伸縮距：150mm；

（4）扭轉(zhuǎn)角度：120°；

（5）工具壓耗：0.2MPa。

3 室內(nèi)試驗(yàn)分析

3.1 循環(huán)試驗(yàn)

為驗(yàn)證工具性能，進(jìn)行了室內(nèi)循環(huán)模擬試驗(yàn)。使用F1300 泥漿泵，循環(huán)介質(zhì)為清水，0～40L/s 排量下，工具壓耗均為0.2MPa；共計(jì)進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)5次，總循環(huán)時(shí)長(zhǎng)170h，過(guò)程中無(wú)滲漏現(xiàn)象，密封符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 扭矩加載試驗(yàn)

利用拉力計(jì)、旋轉(zhuǎn)擰扣機(jī)等設(shè)備進(jìn)行了扭矩加載試驗(yàn)，在0～20kN·m 扭矩范圍內(nèi)，工具縮回量為0～5mm，工具扭轉(zhuǎn)角度120°，卸載扭矩后工具復(fù)位及時(shí)；扭矩超過(guò)20kN·m，限位機(jī)構(gòu)達(dá)到上死點(diǎn)；繼續(xù)加大扭矩至30kN·m，拆開(kāi)工具檢查限位機(jī)構(gòu)，無(wú)異常變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 S48井現(xiàn)場(chǎng)施工分析

4.1 衡扭矩工具施工情況

試驗(yàn)井號(hào)為S48 井，共計(jì)施工3 井次，累計(jì)進(jìn)尺896m，平均鉆速21.53m/h，出井工具正常，鉆頭無(wú)磨損（見(jiàn)表1）。

表1 衡扭矩應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

4.2 與鄰井對(duì)比情況

鉆速對(duì)比：與鄰井CH19井同井段使用常規(guī)方式提高21%（見(jiàn)圖1）。

圖1 S48井與鄰井鉆速對(duì)比表

扭矩對(duì)比：通過(guò)扭矩曲線可以看出，使用衡扭矩工具扭矩小且平穩(wěn)，隨井深緩慢平穩(wěn)上漲，扭矩波動(dòng)小，較鄰井扭矩平均水平降低35%左右（見(jiàn)圖2）,平穩(wěn)井下扭矩效果明顯。

圖2 S48井與鄰井扭矩對(duì)比表

5 結(jié)論

（1）工具能夠?qū)⑦^(guò)量的扭矩及時(shí)存儲(chǔ)和釋放，解決了常規(guī)PDC鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的扭矩波動(dòng)大、跳鉆甚至憋停等問(wèn)題，為鉆頭提供更好的工作環(huán)境，提高鉆頭及鉆具使用壽命，提高鉆進(jìn)效率；

（2）工具純機(jī)械構(gòu)造，不需依靠節(jié)流鉆井液來(lái)提供動(dòng)力，壓耗較小僅為0.1MPa，有效解放了施工排量，減輕鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)負(fù)荷，減少因泵壓過(guò)高產(chǎn)生的設(shè)備損壞，更適合老舊鉆井設(shè)備提速施工。性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。