衡扭矩鉆井技術研究與應用

李秋杰，萬發明，鄭殿富，肖 健，鄭瑞強

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)

1 概述

衡扭矩鉆井工具是大慶油田近年來自主研發的一種提速工具，它能夠智能調節PDC 鉆頭吃入深度，平穩井下扭矩，提高鉆進效率，提高鉆頭使用壽命。同時，通過優化設計，使工具不依靠鉆井液提供動力，保證足夠的過流面積，不產生額外的壓耗，以減輕鉆機循環系統的負荷，減少因泵壓過高產生的設備損壞。

2 衡扭矩技術研究

2.1 工具基本原理

鉆遇軟硬互層、堅硬夾層時，扭矩經常會出現異常波動。產生的異常扭矩給鉆具、鉆頭等造成了額外的負荷，易產生疲勞破壞；另一方面，異常扭矩未能起到破巖作用，造成了能量的無用損耗。衡扭矩鉆井工具能夠智能調節鉆頭吃入深度，當扭矩過大時，將過量的扭矩存儲起來，當扭矩降低時再將其釋放，保證PDC鉆頭持續穩定地剪切地層，提高鉆進效率。

2.2 創新技術

（1）創新設計了高載荷蓄能及釋放機構，實現了有限空間內過量扭矩的頻繁存儲和釋放，具備較高的抗壓和抗疲勞能力；

（2）創新設計了高靈敏度、低能量損耗的傳壓傳扭機構，實現了鉆壓和扭矩的及時傳遞，有效地將過量的扭矩轉化成上部碟簧的彈性勢能，進行存儲和釋放；

（3）創新設計了高穩定性的懸掛機構，提高了工具的可靠性。

2.3 性能參數

（1）工具總長：4068mm；

（2）工作扭矩：0～20kN·m;

（3）最大伸縮距：150mm；

（4）扭轉角度：120°；

（5）工具壓耗：0.2MPa。

3 室內試驗分析

3.1 循環試驗

為驗證工具性能，進行了室內循環模擬試驗。使用F1300 泥漿泵，循環介質為清水，0～40L/s 排量下，工具壓耗均為0.2MPa；共計進行循環試驗5次，總循環時長170h，過程中無滲漏現象，密封符合設計要求。

3.2 扭矩加載試驗

利用拉力計、旋轉擰扣機等設備進行了扭矩加載試驗，在0～20kN·m 扭矩范圍內，工具縮回量為0～5mm，工具扭轉角度120°，卸載扭矩后工具復位及時；扭矩超過20kN·m，限位機構達到上死點；繼續加大扭矩至30kN·m，拆開工具檢查限位機構，無異常變形，滿足設計要求。

4 S48井現場施工分析

4.1 衡扭矩工具施工情況

試驗井號為S48 井，共計施工3 井次，累計進尺896m，平均鉆速21.53m/h，出井工具正常，鉆頭無磨損（見表1）。

表1 衡扭矩應用情況統計表

4.2 與鄰井對比情況

鉆速對比：與鄰井CH19井同井段使用常規方式提高21%（見圖1）。

圖1 S48井與鄰井鉆速對比表

扭矩對比：通過扭矩曲線可以看出，使用衡扭矩工具扭矩小且平穩，隨井深緩慢平穩上漲，扭矩波動小，較鄰井扭矩平均水平降低35%左右（見圖2）,平穩井下扭矩效果明顯。

圖2 S48井與鄰井扭矩對比表

5 結論

（1）工具能夠將過量的扭矩及時存儲和釋放，解決了常規PDC鉆進過程中出現的扭矩波動大、跳鉆甚至憋停等問題，為鉆頭提供更好的工作環境，提高鉆頭及鉆具使用壽命，提高鉆進效率；

（2）工具純機械構造，不需依靠節流鉆井液來提供動力，壓耗較小僅為0.1MPa，有效解放了施工排量，減輕鉆機循環系統負荷，減少因泵壓過高產生的設備損壞，更適合老舊鉆井設備提速施工。性能指標達到國內領先水平，具有廣闊的推廣應用前景。