恒扭提速鉆具動(dòng)力學(xué)特性研究與試驗(yàn)分析*

田家林 唐 磊 劉 強(qiáng) 肖新啟 楊應(yīng)林

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500； 2.中石化江鉆石油機(jī)械有限公司 湖北武漢 430223)

隨著新型油氣資源的開采條件變化，定向井、大斜度井等鉆井技術(shù)逐漸發(fā)展成熟[1]。但是在造斜段，由于井斜角存在，鉆柱系統(tǒng)受力條件更加復(fù)雜，鉆柱與井壁之間的接觸呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性[2-3]。造斜鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆壓和扭矩傳遞受影響，鉆頭受力不均勻，導(dǎo)致鉆頭更容易發(fā)生蹦齒、跳鉆等現(xiàn)象，從而影響鉆頭破巖[4]。井下工況條件復(fù)雜，鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響因素眾多，鉆頭與地層之間的相互作用力、鉆柱與井壁之間的摩擦力導(dǎo)致鉆柱產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，不利于鉆頭破巖鉆進(jìn)[5-6]。當(dāng)鉆壓傳遞效率和鉆頭扭矩波動(dòng)幅度較小時(shí)，可以有效改善鉆頭受力條件，避免鉆頭反扭矩影響鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)過(guò)程的連續(xù)性[7-8]。因此，調(diào)節(jié)扭矩傳遞以控制扭矩突變和減少粘滑現(xiàn)象，提高鉆頭破巖效率，對(duì)于造斜鉆進(jìn)作業(yè)具有重要意義。

為了提高鉆井效率，越來(lái)越多的學(xué)者進(jìn)行提速增效方法的研究。一方面，結(jié)合實(shí)際工況，研究鉆井參數(shù)、地層特性、邊界條件等對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的影響，形成鉆井提速技術(shù)理論基礎(chǔ)。M P Dufeyte等提出鉆柱粘滑是一種自激振動(dòng)，得到粘滑振動(dòng)與鉆桿與井壁間摩擦屬性等參數(shù)有關(guān)[9]。Leine R I等結(jié)合非線性振動(dòng)理論，利用分叉理論解釋了旋轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)粘滑振動(dòng)消失機(jī)理[10]。P A Patil 等提出鉆頭于巖石相互作用關(guān)系由非線性摩擦力表示[11]。張曉東 等分析了鉆頭-巖石的切削模型，建立了其相互作用的摩擦模型，得到邊界穩(wěn)定狀態(tài)的臨界鉆壓[12]。付雷基于混沌理論，采用矢量變分方法和虛功原理推導(dǎo)出柔性多體鉆柱系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究鉆柱瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性[13]。徐玉超 等提出在鉆井過(guò)程中，鉆頭偏轉(zhuǎn)能力的大小直接決定了實(shí)鉆井眼軌跡與設(shè)計(jì)軌道的吻合程度[14]。對(duì)鉆柱進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建?？捎糜诒苊忏@柱劇烈振動(dòng)，優(yōu)選鉆井參數(shù)組合。另一方面，通過(guò)開發(fā)各種提速增效井下工具，改善鉆柱系統(tǒng)受力條件，提高鉆壓和扭矩傳遞效率，加速鉆頭破巖。為減小鉆柱與井壁的摩阻，現(xiàn)行減摩降阻的方法是使用井下振動(dòng)減阻工具(水力振蕩器、扭力沖擊器和旋沖螺桿鉆具等)。水力振蕩器一方面通過(guò)周期性變化的軸向力傳遞到鉆頭，使鉆頭產(chǎn)生沖旋鉆進(jìn)效果；另一方面帶動(dòng)下部鉆柱振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)減摩的作用[15]。扭力沖擊器將部分液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生周期性往復(fù)的扭矩，并傳遞給鉆頭改變鉆柱系統(tǒng)的受力情況，提高鉆頭破巖能力和機(jī)械鉆速[16]。旋沖螺桿鉆具連續(xù)不斷地對(duì)巖石施加沖擊載荷，除產(chǎn)生剪切體外，還使巖石表面的裂紋擴(kuò)展，機(jī)械強(qiáng)度降低，以提高鉆頭破巖效率[17]。因此，建立科學(xué)評(píng)判方法與理論模型，開發(fā)新型提速增效井下工具，才可以為鉆具組合優(yōu)選、現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)提供可靠保障[18]。

結(jié)合井下實(shí)際工況提出一種恒扭提速鉆具，并基于鉆具工作機(jī)理進(jìn)行鉆井動(dòng)力學(xué)特性與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。分析了帶恒扭提速鉆具的鉆柱系統(tǒng)工作過(guò)程力學(xué)，并進(jìn)行鉆井動(dòng)力學(xué)理論建模。根據(jù)真實(shí)鉆井參數(shù)，完成了算例分析，得到了恒扭提速鉆具力學(xué)行為結(jié)果，并研究不同上部輸入轉(zhuǎn)速、碟簧初始?jí)嚎s量以及鉆柱長(zhǎng)度對(duì)鉆頭振動(dòng)的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在造斜段使用恒扭提速鉆具，具有明顯的提速效果，并且對(duì)比了入井前后鉆頭的情況。結(jié)果表明，使用恒扭提速鉆具，可以有效改善鉆頭受力條件，提高鉆進(jìn)速度，研究成果可為恒扭提速鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考，使新形勢(shì)下的鉆井作業(yè)更加安全、高效。

1 恒扭提速鉆具結(jié)構(gòu)分析

恒扭提速鉆具與PDC鉆頭配套使用，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上接頭、彈簧系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，其中上接頭與上部鉆柱相連，螺旋外殼不會(huì)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，彈簧系統(tǒng)存在初始預(yù)壓力，鉆具結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表1所示。鉆井液通過(guò)中心流道進(jìn)過(guò)恒扭提速鉆具，當(dāng)鉆井液流過(guò)平衡系統(tǒng)時(shí)，可進(jìn)入平衡系統(tǒng)與工具外殼之間的空腔，作為緩沖介質(zhì)，保持壓力平衡。在初始時(shí)刻，鉆壓和扭矩驅(qū)動(dòng)PDC鉆頭正常破巖鉆進(jìn)，鉆頭承受的鉆井扭矩大于地層反向扭矩和摩擦扭矩之和，恒扭提速鉆具不動(dòng)作。當(dāng)鉆頭位置發(fā)生粘滑時(shí)，地層反扭矩增大，鉆頭速度降低，通過(guò)螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)作用，螺旋芯軸與螺旋外殼之間的距離縮短，相當(dāng)于鉆頭受到額外扭矩作用，鉆頭位置的地層反扭矩減小，粘滑現(xiàn)象得到緩解，此時(shí)彈簧系統(tǒng)被壓縮，當(dāng)驅(qū)動(dòng)扭矩增加到反向扭矩和摩擦扭矩之和時(shí)，螺旋芯軸與螺旋外殼之間停止相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鉆頭脫離粘滑區(qū)時(shí)，彈簧系統(tǒng)復(fù)位，地層反向扭矩減小，鉆頭速度增大，鉆頭開始正常鉆進(jìn)。

圖1 恒扭提速鉆具結(jié)構(gòu)

表1 恒扭提速鉆具的基本參數(shù)

鉆井過(guò)程中，恒扭提速鉆具通過(guò)調(diào)節(jié)PDC鉆頭受到的鉆井扭矩，改善鉆頭受力條件，避免出現(xiàn)鉆頭粘滑、跳鉆等現(xiàn)象。恒扭提速鉆具不需要特定的使用步驟，通過(guò)對(duì)比劃眼與正常鉆進(jìn)扭矩，確定鉆頭有效切入地層后，減少頻繁起下工具調(diào)整鉆壓的過(guò)程。恒扭提速鉆具能夠自動(dòng)調(diào)整鉆壓、平衡扭矩，使鉆壓和扭矩變化平穩(wěn)，且在小鉆壓下即可得到較大扭矩，可提高機(jī)械鉆速，控制井眼擴(kuò)大率和井斜，從而提高鉆井效率。

2 恒扭提速鉆具動(dòng)力學(xué)模型建立

在實(shí)際鉆井過(guò)程中，鉆柱系統(tǒng)受到自身屬性，外界載荷和邊界條件的作用，其運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，為了便于進(jìn)行恒扭提速鉆具鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)特性研究，假設(shè)：①鉆柱為小彈性變形體，且質(zhì)量均勻分布；②研究的鉆柱處于造斜段的穩(wěn)斜鉆進(jìn)階段；③忽略鉆柱受到鉆井液的浮力和溫度變化的影響。

以鉆柱軸線為基準(zhǔn)，建立井下鉆柱系統(tǒng)受力分析模型，如圖2所示，其中Fsta為上部鉆柱等效作用力，N；cup為上部鉆柱阻尼，N·s/m；kup為上部鉆柱剛度，N/m；mp為鉆桿質(zhì)量，kg；kp為鉆桿剛度，N/m；Cp為鉆桿阻尼，N·s/m；Fhar為鉆井液粘滯阻尼力，N；Ffric為鉆柱與井壁之間的摩擦力，N；G為鉆柱重力，N；mc為鉆鋌質(zhì)量，kg；kc為鉆鋌剛度，N/m；cc為鉆鋌阻尼，N·s/m；ks為扶正器剛度，N/m；cs為扶正器阻尼，N·s/m；Td為動(dòng)力鉆具輸出的鉆井扭矩，N·m；Tre為鉆頭位置的反向扭矩，N·m,等于地層反向扭矩和摩擦扭矩之和;kb為鉆頭位置的剛度，N/m；cb為鉆頭位置的阻尼，N·s/m。

圖2 井下鉆柱系統(tǒng)受力分析

對(duì)于恒扭提速鉆具，分別考慮鉆柱系統(tǒng)軸向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，建立起基本振動(dòng)方程。

(1)

式(1)中：M為分析段鉆柱質(zhì)量，kg；Ca為軸向阻尼，N·s/m；Ka為軸向剛度，N/m；Fbit為鉆頭位置的剛度和阻尼等效作用力，N；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Ct為扭轉(zhuǎn)阻尼，N·m·s/rad；Kt為扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/rad；u為軸向位移，m；u′為軸向速度，m/s；u″為軸向加速度,m/s2；θ為轉(zhuǎn)動(dòng)角度，rad；θ′為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s；θ″為轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度,rad/s2。

對(duì)于上部鉆柱等效作用力，其求解的表達(dá)式為

Fsta=F0δ(x)

(2)

式(2)中：F0為Fsta的振幅，N；x為軸向位置坐標(biāo)；δ(x)為與軸向位置對(duì)應(yīng)的狄拉克δ函數(shù)。

對(duì)于鉆井液粘滯阻尼力，其對(duì)應(yīng)的求解公式為

Fhar=F1sin(ωbt)δ(xL)

(3)

式(3)中：F1為Fhar的振幅，N；ωb為鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；t為時(shí)間坐標(biāo)；xL為Fhar的振動(dòng)平衡位置。

對(duì)于鉆柱與井壁之間的摩擦力，有[19]

Ffric(u′)=-f∑(mp+mc+mtool+

ms+mpdm+mb)gsgn(u′)

(4)

式(4)中：mtool為恒扭提速鉆具質(zhì)量，kg；ms為扶正器質(zhì)量，kg；mpdm為動(dòng)力鉆具質(zhì)量，kg；mb為鉆頭質(zhì)量，kg；f為鉆柱與井壁之間的摩擦系數(shù)；sgn(u′)為u′的判斷函數(shù)，且sgn(u′)表達(dá)式為

(5)

PDC鉆頭可通過(guò)公式(6)進(jìn)行計(jì)算[20]

(6)

式(6)中：C1為針對(duì)機(jī)械鉆速確定的系數(shù)，N；C2為描述巖石與鉆頭非線性特性的系數(shù)，N。

假設(shè)鉆頭與巖石之間的摩擦系數(shù)為μ，在發(fā)生粘滑現(xiàn)象時(shí)，鉆頭所受的地層反向扭矩Tre為[21]

(7)

式(7)中：Wb為鉆壓，kN；r為鉆頭半徑，m；R為鉆頭與巖石接觸面半徑，m。

對(duì)公式(7)進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以得到

(8)

鉆頭與巖石之間的摩擦系數(shù)符合經(jīng)典的常數(shù)指數(shù)衰減定律，可以近似地描述為

μ=μk+(μs-μk)e-dcrωb

(9)

式(9)中：μk為動(dòng)摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；μs為靜摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；dc為鉆頭直徑，m。

假設(shè)相關(guān)系數(shù)λs、λk和λd分別與摩擦系數(shù)相關(guān)，則有

(10)

鉆頭所受的地層反向扭矩為

(11)

鉆頭與巖石之間的摩擦扭矩Tbit-rock計(jì)算公式為

Tbit-rock=Fb-frire

(12)

式(12)中：Fb-fri為鉆頭受到巖石的摩擦力，N；re為當(dāng)量半徑，m。

鉆頭位置的反向扭矩為

(13)

3 恒扭提速鉆具動(dòng)力學(xué)特性分析

結(jié)合恒扭提速鉆具實(shí)際鉆井參數(shù)，恒扭提速鉆具動(dòng)力學(xué)特性分析參數(shù)如表2所示。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，分析了恒扭提速鉆具螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)的工作特性，并研究了不同彈簧系統(tǒng)初始?jí)嚎s量、上部輸入轉(zhuǎn)速以及鉆柱長(zhǎng)度條件下，鉆頭位置的鉆柱振動(dòng)特性結(jié)果。

表2 恒扭提速鉆具動(dòng)力學(xué)特性分析參數(shù)

螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于恒扭提速鉆具工作特性具有重要影響，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析了螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和參數(shù)變化特點(diǎn)，得到螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向位移和速度變化結(jié)果，分別如圖3、4所示。螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向位移和軸向速度基本上不發(fā)生變化，當(dāng)下部載荷出現(xiàn)不平衡時(shí)，螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)作用，具體表現(xiàn)在軸向位移和軸向速度發(fā)生改變。當(dāng)軸向位移和軸向速度改變時(shí)，均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，但軸向速度會(huì)出現(xiàn)反向的變化階段。

圖3 螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)軸向位移變化

圖4 螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)軸向速度變化

對(duì)于恒扭提速鉆具，螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)受到彈簧系統(tǒng)的軸向壓力和下部鉆柱產(chǎn)生的反扭矩作用，其變化規(guī)律如圖5、6所示。當(dāng)螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)的軸向位移增大時(shí)，其軸向彈簧壓力將減小，螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)軸向彈簧壓力變化規(guī)律與軸向位移變化正好相反。而反扭矩變化規(guī)律則與軸向速度變化基本一致，從圖6可知，當(dāng)反扭矩不管是正向還是反向變化后，都不會(huì)恢復(fù)到初始變化水平，這與恒扭提速鉆具的工作機(jī)理相關(guān)。

圖5 螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)軸向彈簧壓力變化

圖6 螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)所受反扭矩變化

彈簧系統(tǒng)初始?jí)嚎s量對(duì)于鉆井動(dòng)力學(xué)特性的影響，主要表現(xiàn)在鉆頭軸向速度的變化。彈簧系統(tǒng)的初始?jí)嚎s量分別設(shè)置為28.440、34.128、37.920 mm，結(jié)果如圖7所示。在鉆頭正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭軸向速度變化保持一致，進(jìn)入粘滑區(qū)域后，鉆頭在恒扭提速鉆具的作用下進(jìn)行上、下軸向運(yùn)動(dòng)。隨著初始?jí)嚎s量的增加，鉆頭在下移過(guò)程中，軸向速度峰值逐漸增加。

圖7 不同彈簧系統(tǒng)初始?jí)嚎s量對(duì)應(yīng)的鉆頭軸向速度

為了研究上部輸入轉(zhuǎn)速對(duì)恒扭提速鉆具鉆井動(dòng)力學(xué)特性的影響，保持其他參數(shù)條件不變，改變上部輸入轉(zhuǎn)速大小，得到不同上部輸入轉(zhuǎn)速條件下的鉆頭軸向速度變化特性，如圖8所示。對(duì)于加入恒扭鉆井提速工具的鉆柱系統(tǒng)，隨著上部輸入轉(zhuǎn)速的不斷增加，鉆頭軸向速度變化說(shuō)明鉆柱系統(tǒng)存在粘滑現(xiàn)象，在粘滑區(qū)域，鉆頭完成軸向上、下移運(yùn)動(dòng)的時(shí)間基本一致。

圖8 不同上部輸入轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的鉆頭軸向速度

隨著井深增加，鉆頭破巖會(huì)受到更多制約，為此進(jìn)行不同鉆柱長(zhǎng)度條件下的鉆頭振動(dòng)特性研究，結(jié)果如圖9所示。鉆頭正常鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著鉆柱長(zhǎng)度的增加，鉆頭軸向速度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間增加，并且穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間逐漸縮短；當(dāng)鉆頭進(jìn)入粘滑區(qū)域后，通過(guò)恒扭提速鉆具調(diào)節(jié)鉆頭的工作條件，從而使鉆頭快速脫離粘滑區(qū)域，回到正常鉆井階段，但是鉆柱長(zhǎng)度越長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間越久。

圖9 不同鉆柱長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的鉆頭軸向速度

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證恒扭提速鉆具的使用效果和理論結(jié)果的正確性，進(jìn)行恒扭提速鉆具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井段為2 588.71～3 033.00 m，主要分布有泥巖、砂巖、頁(yè)巖等。試驗(yàn)井所在地區(qū)鉆井過(guò)程中發(fā)生井壁失穩(wěn)已是一個(gè)普遍現(xiàn)象，多口鄰井在實(shí)驗(yàn)層位發(fā)生過(guò)起下鉆過(guò)程中長(zhǎng)井段掉塊、坍塌等情況，造成埋鉆、卡鉆等復(fù)雜情況，對(duì)恒扭提速鉆具提出了更高的要求。試驗(yàn)井段為穩(wěn)斜鉆進(jìn)段，鉆具組合為：φ215.9 mmPDC鉆頭+φ172 mm螺桿+回壓閥411×410+φ202 mm扶正器+φ165.1 mmNMDC(無(wú)磁鉆鋌)+懸掛短節(jié)+φ165.1 mmNMDC(無(wú)磁鉆鋌)+411×4A10+φ172 mm恒扭提速鉆具+4A11×410+φ165.1 mmDC(鉆鋌)+φ127 mmHWDP(加重鉆桿)3立根+變扣411×520+φ139.7 mmHWDP(加重鉆桿)10立根+φ139.7 mmDP(鉆桿)92立根，試驗(yàn)用的恒扭提速鉆具如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)用恒扭提速鉆具

根據(jù)實(shí)測(cè)工程數(shù)據(jù)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)不同地層數(shù)據(jù)進(jìn)行平均統(tǒng)計(jì)，包括每米平均鉆時(shí)、鉆壓、扭矩、井徑和井斜，得到試驗(yàn)井實(shí)鉆數(shù)據(jù)，如表3所示，其中恒扭提速鉆具的實(shí)驗(yàn)井段為井段2 588～3 033 m。從實(shí)鉆數(shù)據(jù)可知，使用恒扭提速鉆具后，鉆壓和扭矩的波動(dòng)幅度減小，尤其是隨著井深的增加，扭矩波動(dòng)幅度均控制在5%以內(nèi)。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)鉆頭進(jìn)入粘滑區(qū)域后，恒扭提速鉆具可調(diào)節(jié)鉆頭受力條件，使鉆頭快速脫離粘滑區(qū)域，正常鉆進(jìn)。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入恒扭提速鉆具，鉆頭位置的鉆壓和扭矩波動(dòng)減小，有利于鉆頭破巖。

表3 試驗(yàn)井實(shí)鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到2 400～3 033 m井段的鉆時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖11所示。未使用恒扭提速鉆具時(shí)，下沙溪廟組2 441～2 588 m井段平均鉆時(shí)為12.76 min/m。從圖11可知，該井段最初部分鉆時(shí)較短，如果最初的地層與上部相同，即下沙溪廟組頂深下移至2 468 m，統(tǒng)計(jì)2 468～2 588 m平均鉆時(shí)為14.65 min/m。

圖11 試驗(yàn)井鉆時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

通過(guò)與未使用恒扭提速鉆具的等效平均鉆時(shí)計(jì)算，進(jìn)行恒扭提速鉆具提速效果分析，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，通過(guò)鉆時(shí)對(duì)比分析，在不同井段，使用恒扭提速鉆具均能不同程度提高鉆井效率，但是在自流井組的提速效果最明顯。隨著井深的增加，地層巖石的可鉆性逐漸變化，井深越深，則地層巖石特性差異越大，鉆頭所面臨的工況條件更加復(fù)雜，而使用恒扭提速鉆具后，能夠有效調(diào)節(jié)鉆壓和扭矩的波動(dòng)，改善鉆頭受力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)鉆井提速。

表4 試驗(yàn)井提速效果對(duì)比分析統(tǒng)計(jì)

從鉆井現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)鉆統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果，能夠得到在不同層位恒扭提速鉆具的提速效果。當(dāng)井下發(fā)生粘滑振動(dòng)時(shí)，鉆頭承受交變載荷，切削齒受到的沖擊作用加大，容易加速鉆頭失效。理論計(jì)算表明，鉆柱系統(tǒng)中加入恒扭提速鉆具，發(fā)生粘滑現(xiàn)象時(shí)，鉆頭可快速脫離粘滑區(qū)，縮短回到正常鉆進(jìn)狀態(tài)的時(shí)間，降低鉆頭磨損。恒扭提速鉆具實(shí)驗(yàn)前后的PDC鉆頭，如圖12所示，在鉆具組合中加入恒扭提速鉆具后，未見鉆頭刀翼、切削齒明顯磨損，鉆頭破巖鉆進(jìn)過(guò)程中也未出現(xiàn)明顯的蹦齒現(xiàn)象。結(jié)合理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，恒扭提速鉆具可以降低PDC鉆頭磨損，提高鉆頭使用壽命。根據(jù)恒扭提速鉆具的動(dòng)力學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，可確定恒扭提速鉆具主要適應(yīng)夾層、軟硬交替地層等工況，實(shí)現(xiàn)鉆井工程提速增效。

圖12 恒扭提速鉆具實(shí)驗(yàn)前后的PDC鉆頭

5 結(jié)論

1)針對(duì)鉆井提速增效，提出一種恒扭提速鉆具，鉆頭處于粘滑狀態(tài)時(shí)，通過(guò)螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)作用，快速調(diào)整鉆頭受力狀態(tài)，緩解鉆頭粘滑，實(shí)現(xiàn)提速增效。

2)結(jié)合井下工況條件，建立鉆柱系統(tǒng)受力分析模型，完成了恒扭提速鉆具的鉆柱動(dòng)力學(xué)特性建模，研究不同初始條件下的鉆頭振動(dòng)特性。隨著初始?jí)嚎s量和上部輸入轉(zhuǎn)速增加，鉆頭在下移過(guò)程中，軸向速度的峰值逐漸增加；當(dāng)鉆柱長(zhǎng)度逐漸增加，鉆頭軸向速度穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)間增加，持續(xù)時(shí)間縮短，脫離粘滑區(qū)域響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。

3)恒扭提速鉆具能夠有效調(diào)節(jié)鉆壓和扭矩的波動(dòng)，改善鉆頭受力狀態(tài)，尤其是扭矩波動(dòng)幅度可控制在5%以內(nèi)。在不同井段，恒扭提速鉆具可提高鉆井效率，在自流井組的提速效果最明顯。恒扭提速鉆具可以降低PDC鉆頭磨損，提高鉆頭使用壽命，適用于夾層、軟硬交替地層等工況的提速增效。研究成果可為恒扭提速鉆具優(yōu)化研究提供指導(dǎo)，同時(shí)可為恒扭提速鉆具推廣用提供參考。