PDC钻头反扭矩分析及控制技术

陈 勇,陈若铭,张兴国,林铁军,陈森强,柯 学

(1.西部钻探工程有限公司 克拉玛依钻井工艺研究院,新疆 克拉玛依 834000;2.西南石油大学,成都 610500)

PDC钻头反扭矩分析及控制技术

陈 勇1,陈若铭1,张兴国1,林铁军2,陈森强1,柯 学1

(1.西部钻探工程有限公司 克拉玛依钻井工艺研究院,新疆 克拉玛依 834000;2.西南石油大学,成都 610500)

定向滑动钻井时,PDC钻头上产生的反扭矩变化较大,导致工具面控制不稳,影响了钻进的连续性和速度。采用有限元数值模拟技术定量地分析了 PDC钻头破岩时产生的扭矩,进一步证实存在较大反扭矩。介绍了 Southard钻井技术公司最近研制的一种无反扭矩钻井工具,即行星钻头驱动器。该工具构思巧妙、设计新颖,通过控制定向钻井时 PDC钻头上产生的反扭矩及其变化,从而提高钻进效率,具有一定的发展前景。

PDC钻头;反扭矩;行星钻头驱动器;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

定向滑动钻进时,钻柱基本静止在下井壁上,钻头靠井下动力马达带动旋转,通过控制下部钻具的工具面实现定向和钻进。这种钻井方式存在的问题是钻头在破岩过程中会产生反扭矩,且该反扭矩通过钻头传递到动力马达和钻柱上,引起钻具反向旋转,导致工具面控制不稳,从而影响钻进的连续性和速度,浪费大量的人力和时间。由于 PDC钻头不靠压碾而靠剪切破岩,所需驱动扭矩较大,相应的反扭矩也较大,因此,当采用 PDC钻头定向滑动钻进时,更容易出现工具面不稳的问题[1-4]。

本文利用有限元数值模拟技术[5-6]定量地分析了 PDC钻头破岩时产生的反扭矩及其变化,介绍了Southard钻井技术公司最近所研制的一种无反扭矩钻井工具,以供国内同行参考。

1 有限元分析

1.1 模型建立

使用 CAD软件建立了 φ215.9 mm(81/2英寸)PDC钻头的几何模型,导入有限元软件,划分为四面体自由网格。由于钻头和井眼尺寸相对于无限大地层很小,根据弹塑性理论,钻井时离井眼较远地层岩石的力学环境不受影响。因此,本文地层岩石的物理模型为直径 φ2 m的圆柱体,并通过定义岩石的材料方向取各向异性地层的倾角为 15°。岩石破坏判据:岩石的总变形量达到 3%～5%,就开始具有塑性性质或向塑性转变,在钻头的剪切力作用下最终岩石剥落破碎。根据实际情况,所研究地层段的下端面为固定约束,地层的外端面为径向约束,同时,地层上端受上覆地层压力p的作用。钻头施加的边界条件:钻压F=80 kN,转速n=120 r/min,同时,给 PDC钻头绕钻头轴线施加转动约束,允许其在井眼内公转和向各个方向平动,但不允许其在井眼内翻转和弯曲,如图1a所示。有限元模型采用六面体单元划分网格,如图1b。

图1 PDC钻头破岩的有限元力学模型

1.2 反扭矩分析

钻井过程中,钻头不停地旋转,在与地层岩石接触后产生反扭矩。

图2 钻头上的扭矩变化

图2是 PDC钻头在破岩过程中与地层接触产生的扭矩随时间的变化关系曲线。可以看出,钻井过程中扭矩在 -9 606～15 295 N·m范围内不断变化。扭矩为负值表明钻头有“反转”运动的趋势,当钻头的反转扭矩克服限制钻头反转的阻力矩时,钻头“反转”。扭矩为 0时,钻头与井壁和井底无接触“空转”。当井下马达的输出扭矩小于钻头的反扭矩时,钻头“滞动”。表明钻头在破岩过程中,转动很不连续,加剧了切削齿的损坏。

2 反扭矩控制技术

2.1 行星钻头驱动器工作原理

最近,国外 Southard钻井技术公司研制出一种无反扭矩的钻井工具[3,7],即行星钻头驱动器。该驱动器的主要运动原理如图3所示,总体机械结构如图4所示。

图3 行星驱动器运动原理

图4 行星驱动器结构

图3中主动件是中心齿轮,中心齿轮上端与动力马达的输出轴连接,下端与中心钻头连接。当马达输出轴带动中心齿轮顺时针旋转时,与中心齿轮外啮合的行星小齿轮将会在固定的位置上沿着各自的中心轴逆时针旋转,由于外齿圈与小齿轮内啮合在一起,小齿轮会带动外齿圈作逆时针转动,外齿圈的转动中心与中心齿轮的转动中心是同一中心。由于外齿圈与外钻头连接,所以外钻头与中心钻头的转动方向相反,一个是顺时针转动,一个是逆时针转动,2个通过行星驱动器连接的钻头在破岩过程中所产生的反扭矩也是一个为顺时针方向,一个为逆时针方向。于是,2个反扭矩相互平衡、抵消,从而减少甚至消除了在下部钻具组合上的反扭矩,同时,由于齿轮始终保持啮合状态,一旦马达止动,该装置的任何机构也会立即止动,从而达到解决常规定向钻井时控制工具面不稳的问题。该驱动器外壳体的上部通过螺纹直接与井底动力马达外壳体的下端连接,动力马达的传动轴则与装置的驱动轴相连,驱动轴的底部与中心钻头连接,直接驱动中心钻头沿顺时针方向旋转破岩,同时,驱动轴通过行星齿轮机构驱动上部外钻头沿逆时针方向旋转破岩。

2.2 技术特点

a) 在预设方向上能快速、方便地控制工具面。

b) 设定好预设方向后,不必花费太多的时间调整工具面。

c) 当马达停止、方位改变、接钻具时,不必花费时间重设工具面。

d) 能够获得较小的、稳定的、连续的造斜率。

e) 可使用较大扭矩的马达。

f) 可使用进攻性强的 PDC钻头。

g) 减少起下钻的时间。

h) 能够钻出更平滑的井身剖面。

i) 改善钻井性能,提高钻井速度。

尽管该驱动器目前尚未达到商业化的水平,但Southard钻井技术公司初步的试验结果表明,该驱动器巧妙新颖的设计可以成为现实,试验结果达到了预期的目的,符合设计者的初衷,具有发展前景。

3 结论

1) 定向滑动钻井时,PDC钻头上产生的反扭矩值变化较大,导致定向过程中的工具面控制不稳,影响钻进的连续性和钻进速度。

2) 采用有限元数值模拟技术定量地分析了PDC钻头在破岩过程中钻头上的扭矩变化,进一步证实存在负扭矩,即反扭矩,其值与正扭矩的值相当。

3) Southard钻井技术公司最近研制出的行星钻头驱动器设计巧妙新颖,有利于定向钻井时控制PDC钻头上产生的反扭矩及其变化,具有一定的发展前景。

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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

陈 勇 (1979-),男,四川蓬溪人,博士,2008年毕业于西南石油大学,主要从事钻完井工程技术研究,E-mail:xjchy@cnpc.com.cn。