PDC钻头扭矩控制技术分析

2012-09-07郭慧娟杨斯媛

石油矿场机械 2012年12期

韩飞，郭慧娟，戴扬，杨斯媛，杨磊

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100195；2.中国石油集团办公厅，北京100007）①

PDC钻头能显著提高钻井效率，已得到广泛应用［1］。但是，PDC钻头在钻遇硬地层（尤其是深井、超深井的软硬交错地层）时，扭矩波动较大、蹩跳钻现象严重，钻头使用寿命低，机械钻速低。国外一些公司开展了相应扭矩控制技术的研究，主要的研究思路有2种：

1）通过泥浆作用，在原有钻头扭矩基础上提供高频、低幅的协助破岩扭矩，以提高钻头破岩扭矩，防止钻头停转及蹩跳钻。

2）通过井底工具自身的结构，不借助外部能量，实现钻头扭矩的实时自平衡。

本文通过对国外先进PDC钻头扭矩控制技术的介绍及分析，为国内PDC钻头扭矩控制技术的研发提供一些建议和参考。

1 PDC钻头扭矩波动机理

在正常钻井条件下，PDC钻头能以极高的速度和效率钻穿地层（如图1a）。但在钻遇硬地层时，PDC钻头会随时停转，直至有足够的破岩扭矩来剪切开岩层。此时，钻柱存储大量扭矩能量（如图1b）。一旦钻头达到破岩扭矩值时，钻柱存储扭矩能量瞬间释放，钻头将会以高于普通钻头的转速破岩（最高可达井口转速的2倍），产生剧烈蹩跳钻现象（如图1c）。从对PDC钻头钻井过程中的钻头扭矩波动（如图2）分析来看，PDC钻头在钻硬地层时，扭矩的波动会使钻头产生剧烈的冲击载荷。这些剧烈的冲击载荷将会大幅降低钻头的寿命、降低钻井的机械钻速。同时，钻柱聚集大量的扭矩能量后，容易损坏一些精细的工具，例如旋转导向工具、MWD等，还会造成钻柱粘扣。

图1 PDC钻头钻井过程示意

图2 PDC钻头在硬地层钻进时扭矩波动示意

2 技术现状分析

目前，国外一些石油公司已经拥有成熟的PDC钻头扭矩控制技术，具有代表性的产品主要有Ulterra公司的旋转冲击钻具（TORKBUSTER），Southard公司的行星钻头驱动器（Planetary Bit Driver）及Tomax公司的衡扭矩钻井工具（Anti Stall Tool）。

2.1 旋转冲击钻具

Ulterra公司研制的旋转冲击钻具（如图3）的设计理念是基于传统液动冲击钻具技术，唯一不同的是旋转冲击钻具将钻井液能量转化为一种直接施加到PDC钻头上的一个持续、高频、均匀的冲击扭转力，协助PDC钻头破岩，其冲击频率为680～2 400Hz，冲击扭矩为610～1 627N·m。旋转冲击钻具能够使PDC钻头在平稳的钻井扭矩条件下进行高效破岩，其破岩扭矩波动模拟曲线如图4（假设在井口恒钻压条件下）。

图3 TORKBUSTER旋转冲击钻具样机

旋转冲击钻具由钻井液能量转换器、冲击扭力发生器、驱动短节以及钻头接头等组成。部分钻井液从上接头旁通口进入钻井液能量转换器，钻井液能量转换器驱动下部驱动短节内的2个动力锤持续相互反转碰撞，产生的高频冲击扭矩，经钻头接头传递给钻头，使钻头均匀、稳定地破碎岩石，可获得较高的机械钻速，并达到延长钻头寿命的目的［2］。

图4 旋转冲击钻具扭矩波动示意

目前，该公司的产品主要有4种型号，外径分别为127、165、219、279mm。该旋转冲击钻具已经在油田现场得到了广泛应用，应用效果明显。我国的中原石油勘探局钻井工程技术研究院引进了扭转冲击钻具及PDC钻头，在川东北地区元坝10井进行了应用，最高机械钻速提高3.04倍，钻头寿命提高2.89倍［3］。

2.2 行星钻头驱动器

Southard公司的行星钻头驱动器的设计理念是基于解决定向钻井时较大的反扭矩导致工具面控制不稳、影响钻进的速度及连续性问题。

行星钻头驱动器结构如图5，主要由中心钻头、外部钻头、行星齿轮、轴承及心轴等构成。工作时，动力马达驱动心轴并带动中心钻头顺时针钻进；同时，心轴在行星齿轮作用下驱动外钻头逆时针旋转。此时，中心钻头及外部钻头的扭矩相互平衡，从而减少甚至消除了在下部钻具组合上的反扭矩［4－7］。

图5 行星钻头驱动器结构

目前，行星钻头驱动器正进行现场试验，尚未达到商业化应用水平。

2.3 衡扭矩钻井工具

Tomax公司的衡扭矩钻井工具（如图6）是基于对钻头扭矩能量的存储和释放，进而实现钻头扭矩的实时自平衡，实现钻头扭矩波动的“消峰填谷”。

该工具主要由上接头、弹簧套、弹簧、导向套及螺旋心轴等构成。当PDC钻头的扭矩达到一定值时，衡扭矩钻井工具克服弹簧力，上接头、弹簧套、导向套相对于螺旋心轴的螺旋花键配合在一起，压缩弹簧，使整个工具处于压缩状态，使整个钻井管柱变短（存储扭矩能量）。这时钻头会被逐渐从井底提起，直到钻头回到原来的旋转速度。当钻头的扭矩减少时，弹簧将会适当地拉伸（释放扭矩能量），维持钻头正常钻井［8］。