PDC鉆頭反扭矩分析及控制技術

陳 勇,陳若銘,張興國,林鐵軍,陳森強,柯 學

(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,成都 610500)

PDC鉆頭反扭矩分析及控制技術

陳 勇1,陳若銘1,張興國1,林鐵軍2,陳森強1,柯 學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,成都 610500)

定向滑動鉆井時,PDC鉆頭上產生的反扭矩變化較大,導致工具面控制不穩,影響了鉆進的連續性和速度。采用有限元數值模擬技術定量地分析了 PDC鉆頭破巖時產生的扭矩,進一步證實存在較大反扭矩。介紹了 Southard鉆井技術公司最近研制的一種無反扭矩鉆井工具,即行星鉆頭驅動器。該工具構思巧妙、設計新穎,通過控制定向鉆井時 PDC鉆頭上產生的反扭矩及其變化,從而提高鉆進效率,具有一定的發展前景。

PDC鉆頭;反扭矩;行星鉆頭驅動器;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

定向滑動鉆進時,鉆柱基本靜止在下井壁上,鉆頭靠井下動力馬達帶動旋轉,通過控制下部鉆具的工具面實現定向和鉆進。這種鉆井方式存在的問題是鉆頭在破巖過程中會產生反扭矩,且該反扭矩通過鉆頭傳遞到動力馬達和鉆柱上,引起鉆具反向旋轉,導致工具面控制不穩,從而影響鉆進的連續性和速度,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,所需驅動扭矩較大,相應的反扭矩也較大,因此,當采用 PDC鉆頭定向滑動鉆進時,更容易出現工具面不穩的問題[1-4]。

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

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,導入有限元軟件,劃分為四面體自由網格。由于鉆頭和井眼尺寸相對于無限大地層很小,根據彈塑性理論,鉆井時離井眼較遠地層巖石的力學環境不受影響。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:巖石的總變形量達到 3%～5%,就開始具有塑性性質或向塑性轉變,在鉆頭的剪切力作用下最終巖石剝落破碎。根據實際情況,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,轉速n=120 r/min,同時,給 PDC鉆頭繞鉆頭軸線施加轉動約束,允許其在井眼內公轉和向各個方向平動,但不允許其在井眼內翻轉和彎曲,如圖1a所示。有限元模型采用六面體單元劃分網格,如圖1b。

圖1 PDC鉆頭破巖的有限元力學模型

1.2 反扭矩分析

鉆井過程中,鉆頭不停地旋轉,在與地層巖石接觸后產生反扭矩。

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生的扭矩隨時間的變化關系曲線。可以看出,鉆井過程中扭矩在 -9 606～15 295 N·m范圍內不斷變化。扭矩為負值表明鉆頭有“反轉”運動的趨勢,當鉆頭的反轉扭矩克服限制鉆頭反轉的阻力矩時,鉆頭“反轉”。扭矩為 0時,鉆頭與井壁和井底無接觸“空轉”。當井下馬達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,轉動很不連續,加劇了切削齒的損壞。

2 反扭矩控制技術

2.1 行星鉆頭驅動器工作原理

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

圖3 行星驅動器運動原理

圖4 行星驅動器結構

圖3中主動件是中心齒輪,中心齒輪上端與動力馬達的輸出軸連接,下端與中心鉆頭連接。當馬達輸出軸帶動中心齒輪順時針旋轉時,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,由于外齒圈與小齒輪內嚙合在一起,小齒輪會帶動外齒圈作逆時針轉動,外齒圈的轉動中心與中心齒輪的轉動中心是同一中心。由于外齒圈與外鉆頭連接,所以外鉆頭與中心鉆頭的轉動方向相反,一個是順時針轉動,一個是逆時針轉動,2個通過行星驅動器連接的鉆頭在破巖過程中所產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,一旦馬達止動,該裝置的任何機構也會立即止動,從而達到解決常規定向鉆井時控制工具面不穩的問題。該驅動器外殼體的上部通過螺紋直接與井底動力馬達外殼體的下端連接,動力馬達的傳動軸則與裝置的驅動軸相連,驅動軸的底部與中心鉆頭連接,直接驅動中心鉆頭沿順時針方向旋轉破巖,同時,驅動軸通過行星齒輪機構驅動上部外鉆頭沿逆時針方向旋轉破巖。

2.2 技術特點

a) 在預設方向上能快速、方便地控制工具面。

b) 設定好預設方向后,不必花費太多的時間調整工具面。

c) 當馬達停止、方位改變、接鉆具時,不必花費時間重設工具面。

d) 能夠獲得較小的、穩定的、連續的造斜率。

e) 可使用較大扭矩的馬達。

f) 可使用進攻性強的 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。

盡管該驅動器目前尚未達到商業化的水平,但Southard鉆井技術公司初步的試驗結果表明,該驅動器巧妙新穎的設計可以成為現實,試驗結果達到了預期的目的,符合設計者的初衷,具有發展前景。

3 結論

1) 定向滑動鉆井時,PDC鉆頭上產生的反扭矩值變化較大,導致定向過程中的工具面控制不穩,影響鉆進的連續性和鉆進速度。

2) 采用有限元數值模擬技術定量地分析了PDC鉆頭在破巖過程中鉆頭上的扭矩變化,進一步證實存在負扭矩,即反扭矩,其值與正扭矩的值相當。

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

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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年畢業于西南石油大學,主要從事鉆完井工程技術研究,E-mail:xjchy@cnpc.com.cn。