衡轉矩鉆井工具研制

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(1.中國石油集團 鉆井工程技術研究院，北京 102200；2.中國石油集團 渤海石油裝備集團有限公司，天津300272)

衡轉矩鉆井工具研制

韓飛1，朱英杰1，牛增強2，梁國紅1

(1.中國石油集團 鉆井工程技術研究院，北京 102200；2.中國石油集團 渤海石油裝備集團有限公司，天津300272)

PDC鉆頭在難鉆地層鉆進時有“憋跳鉆”現象嚴重、鉆頭機械鉆速低、單只鉆頭進尺低等問題。研制了一種衡轉矩鉆井工具，該工具采用彈簧+螺旋導向機構的機械傳動方式，實時存儲、釋放鉆井轉矩能量；通過對鉆頭的破巖能量實時優化，實現了鉆井轉矩波動的“消峰填谷”，平穩鉆進。試驗結果表明，衡轉矩鉆井工具設計合理、性能可靠，可滿足直井和定向井工程需求，能夠有效減少鉆井轉矩波動、提高鉆頭進尺及機械鉆速。

PDC鉆頭；衡轉矩鉆井工具；機械轉速

提速、提效是鉆井工程的永恒目標。PDC鉆頭現場應用廣泛，但基于其剪切破巖的特性，PDC鉆頭在鉆遇深部硬地層、夾層時容易產生劇烈的扭轉振動，導致鉆頭轉速波動較大、切削齒損傷嚴重，單只鉆頭進尺低，機械鉆速低，造成鉆井成本的大幅增加[1-4]。

近年來，針對提高PDC機械鉆速及進尺的輔助工具發展很快，主要有沖擊工具和參數自優化工具2大類。沖擊工具是通過鉆井液觸發工具執行機構，產生一定頻率軸向或徑向沖擊力，輔助PDC鉆頭高效破巖。沖擊工具相當于提供額外的能量輔助破巖，提速提效效果十分顯著。例如美國阿特拉公司生產的扭力沖擊器在大慶肇深19井同比提高機械鉆速達71%[5]。參數自優化工具主要是通過自動調整鉆壓、轉矩參數，實現PDC鉆頭的快速鉆進。參數自優化工具典型產品為Tomax公司生產的衡轉矩鉆井工具，該工具在挪威Ula油田應用，提高機械鉆速30%，節約鉆井周期6 d[6]。相對沖擊工具，衡轉矩鉆井工具的提速效果略差，但是在結構、適用性上，衡轉矩鉆井工具優勢明顯。沖擊工具內部驅動結構復雜，對鉆井液介質要求高，容易損壞；衡轉矩鉆井工具為全機械驅動，結構簡單；沖擊工具常常需要配套專用鉆頭，成本較高；衡轉矩鉆井工具配套常規鉆頭即可。

基于參數自優化研制的衡轉矩鉆井工具在吉林、長慶、冀東地區進行了4口井應用。試驗結果表明，衡轉矩鉆井工具設計合理、性能可靠，操作簡單，可滿足直井和定向井工程需求，能夠有效解決PDC鉆頭在難鉆地層壽命短、機械鉆速低等難題。

1 技術分析

1.1 結構組成

衡轉矩鉆井工具主要由上接頭、彈簧套、彈簧、連接接頭、螺旋套、螺旋芯軸及密封套等組成。如圖1。

其中上接頭、彈簧套、彈簧、連接接頭組成蓄能總成，彈簧在軸向力的作用下可自由伸縮、進行能量的存儲及釋放；螺旋套、螺旋芯軸及密封套組成傳動總成，螺旋套、螺旋芯軸(如圖2)通過9頭螺紋配合在一起，在鉆井轉矩和鉆壓的作用下能夠旋轉移動，控制鉆井鉆壓及轉矩；密封套用來密封螺旋機構的潤滑油。

1—上接頭；2—彈簧套；3—彈簧；4—連接接頭；5—螺旋套；6—螺旋芯軸；7—密封套。圖1 衡轉矩鉆井工具結構示意

圖2 螺旋芯軸

1.2 工作原理

衡轉矩鉆井工具采用彈簧+螺旋導向機構的機械傳動方式實時存儲、釋放鉆井轉矩能量，通過對鉆頭的破巖能量實時優化，實現鉆井轉矩波動的“消峰填谷”，平穩鉆進。當PDC鉆頭鉆遇夾層時，破巖轉矩增大到工具設定轉矩值時，傳動總成螺旋機構破巖轉矩轉化為軸向力，進而壓縮彈簧蓄能，降低鉆壓；當破巖轉矩不足工具設定轉矩值時，傳動總成螺旋機構將存儲的轉矩轉化為軸向力，伸長彈簧釋能，提高鉆壓[7]。

1.3 主要技術參數

衡轉矩鉆井工具有效長度4 089 mm，最大外徑178 mm，水眼直徑60 mm，最大工作轉矩20 kN·m，平衡轉矩4～10 kN·m，最大工作拉力1 600 kN，最大工作溫度150 ℃，兩端連接扣型NC50。

1.4 關鍵技術

螺旋導向機構是衡轉矩鉆井工具調整鉆壓和轉矩的關鍵機構。其在鉆壓及轉矩交變載荷的惡劣工況下往復運動，它的性能好壞直接決定工具的使用效果。通過優化，選取螺旋導向機構螺旋升角α為45°；螺旋副表面采用氮化處理增加耐磨性，且采用硅油油浴潤滑，可消除螺紋粘扣、抱死及拉傷等問題。同時，螺旋副油腔設計了恒壓潤滑結構，使得螺旋副在運動過程中，潤滑油一直保持恒壓力，鉆壓轉矩調整完全依靠彈簧，增強結構可靠性。

2 試驗

2.1 室內試驗

2.1.1鉆壓轉矩性能

利用鉆具綜合測試試驗臺架，分別對工具進行50、60、70 kN 3種設計鉆壓下的轉矩測試，測試曲線如圖3所示。由圖3可知，50 kN鉆壓下平衡轉矩5～11 kN·m；60 kN鉆壓下平衡轉矩4～10 kN·m；70 kN鉆壓下平衡轉矩3～9 kN·m?？梢娹D矩增大時鉆壓降低，轉矩釋放時鉆壓升高，驗證了工具工作原理的合理性。

圖3 鉆壓-轉矩測試曲線

2.1.2抗拉能力

利用拉拔臺架對工具進行了拉載性能測試

(如

圖4)。工具設計抗拉載荷1 600 kN，試驗加載1 700 kN，拆卸后各部件完好，滿足設計要求。

圖4 抗拉性能測試現場

2.2 現場試驗

自2015年以來，衡轉矩鉆井工具先后在吉林油田、長慶油田、冀東油田先后施工了4口井，效果顯著。典型井施工數據如表1。

現場試驗結果表明，衡轉矩鉆井工具具有以下特點：①能夠有效平衡鉆井轉矩，井口轉矩波動量最大為5 kN·m；②能夠有效提高鉆頭進尺，其中在慶1-14-68井最大提高100%以上；③該工具應用累計進尺2 200 m，累計純鉆進時間500 h，使用可靠性高，零故障率；④工具適用性強。除了可在直井應用外，還可配合螺桿鉆具和定向儀器在水平井和定向井中應用，且不影響定向儀器信號傳輸。

表1 典型井施工數據

3 結論

1) 衡轉矩鉆井工具設計合理，性能可靠，通過實時優化，鉆壓轉矩能量能夠消除“憋跳鉆”問題，有效解決了PDC鉆頭在難鉆地層壽命短、機械鉆速低等難題。

2) 衡轉矩鉆井工具適用性強，不僅適用于直井，還可以配合螺桿鉆具及定向儀器或者旋轉導向鉆井工具應用于定向井中，且不影響定向信號傳輸。

3) 衡轉矩鉆井工具在夾層地層鉆井時效果顯著，可有效減少轉矩波動，保護鉆頭。

[1] 張曉東，易發權，張強，等.PDC鉆頭與巖石相互作用規律試驗研究[J].江漢石油學院學報，2003，6(25)：64-65.

[2] 韋忠良，陳庭根.PDC鉆頭鉆進時轉矩影響因素研究[J].石油鉆探技術，1995，23(1)，50-51.

[3] 韓春杰，閆鐵.大位移井鉆柱“ 粘滯-滑動” 規律研究[J].天然氣工業，2004，24(11)：58-60.

[4] 韓飛，郭慧娟，戴楊，等.PDC鉆頭轉矩控制技術分析[J].石油礦場機械，2012，41(12)：69-71.

[5] 鄭瑞強.液動旋沖工具的研制[J].石油機械，2017，45(1)，30-33.

[6] Knut Sigve Selness.Drilling Difficult Fomations effi-Eciently With the Use od an Anti-stall Tool[R].SPE/IADC 111874，2008.

[7] 韓飛，黃印國，秦建兵，等.衡轉矩鉆井工具在長慶油田的應用[J].石油礦場機械，2016，45(3)，83-85.

DevelopmentofTorqueBalancerTool

HAN Fei1，ZHU Yingjie1，NIU Zengqiang2，LIANG Guohong1

(1.DrillingResearchInstitute，CNPC，Beijing102200，China；2.BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，CNPC，Tianjin300272，China)

Serious bit bouncing and stick slip problems in drilling hard formation with PDC bit often results in low ROP and bit footage，which decreases ROP and drilling footage.The torque balancer tool can store and release torque energy by spring and helical pair，realize drilling with PDC bit smoothly.The field test results show that tool has a rational design structure，reliable working performance and easy operation，which can effectively decrease drilling torque fluctuation，increase drilling footage and ROP per bit in both vertical and directional drilling with PDC bit.

PDC bit；torque balancer tool；ROP

1001-3482(2017)06-0072-03

2017-05-12

中國石油集團公司科技項目“水平井減阻降扭與管外封隔器等新工具研制”(2014B-4314)

韓 飛(1982-)，男，遼寧葫蘆島人，工程師，碩士，現從事石油鉆井裝備與工具研究工作，E -mail：hanfeidri@cnpc.com.cn。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.015