高频扭转冲击器的PDC钻头适用性研究

李思琪，闫 铁，李 玮，毕福庆，李显义

（1．东北石油大学　石油工程学院，黑龙江　大庆163318；2．大庆油田　第五采油厂，黑龙江　大庆163513；3．中国石油集团　钻井工程技术研究院，北京102206）

高频扭转冲击器的PDC钻头适用性研究

李思琪1，闫 铁1，李 玮1，毕福庆2，李显义3

（1．东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2．大庆油田第五采油厂，黑龙江大庆163513；3．中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）

在钻进深部硬质地层时，由于粘滑振动的存在，钻头经常出现剧烈的转速与扭矩波动，对钻进有很大的影响。基于高频扭转冲击器的工作特点，建立了入射波应力模型和系统的能量传递效率模型。通过对模型因素分析，优选PDC钻头适用性结构。研究结果表明：PDC钻头质量越小，高频扭转冲击器冲击速度越大，冲击器向PDC钻头传递的应力波随时间衰减的越慢；PDC钻头截面积越大，系统的能量传递效率越高；PDC钻头长度越长，沿途损失的能量越多，能量传递效率与长度近似成线性变化；由现场应用效果可知，高频扭转冲击器和优选的PDC钻头配合使用，提高机械钻速1倍以上。

高频扭转冲击器；PDC钻头；能量传递效率；入射波应力

themore energy lost along the way，the efficiency of energy transfer and the length is similar to a linear change．The effect of field application shows that the high-frequency torsional im pactor with the optimized PDC drill bit increases the penetration ratemore than 1 time．

众多的随钻测量数据表明，在钻进深部硬质地层时，钻头时常伴随着剧烈的转速与扭矩波动，这是由于钻头的粘滑振动引起的，它对钻进有着重大的影响。由于粘滑现象的存在，使得机械钻速大幅度降低，钻头寿命缩短［1-4］。因此，针对深井钻进过程中存在的粘滑问题，提出一种钻井提速工具——高频扭转冲击器，进而提高钻头的工作效率。

目前，高频扭转冲击器已经投入现场应用，2010年普光气田使用高频扭转冲击器进行钻进试验，提速效果明显［5-6］。截止2011年，四川元坝地区高频扭转冲击器已试验应用了11口井，取得了明显的提速效果，该工具已经成为元坝地区下沙溪庙组、千佛崖组地层钻井提速的一种有效手段［7］。2012年，高频扭转冲击器在鸭深1井志留系地层应用，相比邻井提高110%［8］。同时，祝效华等学者对高频扭转冲击器的工作原理和特点进了行研究［9］。

目前的研究成果主要集中在高频扭转冲击器工作原理及其应用效果2个方面，如何在不影响高频扭转冲击器工作性能的基础上，结合所钻地层岩性，选择出合适的PDC钻头是有待研究的关键问题。本文在建立高频扭转冲击器与PDC钻头的作用模型基础上，分析PDC钻头选型适用性，并通过现场应用对理论模型进一步验证。

1 高频扭转冲击器与PDC钻头作用模型

1．1 入射波应力模型

根据牛顿定律，冲击瞬间高频扭转冲击器与PDC钻头的接触面的受力可由式（1）给出：F又是PCD钻头的入射波，还必须服从式（2）由式（1）～（2）可得

根据初始条件：t＝0，v＝vc，可求得式中：F为PDC钻头入射波应力大小，N；m1，m2分为高频扭转冲击器和PDC钻头质量，kg；v为扭转冲击器的冲击速度，m／s；t为时间，s；α为PDC钻头与高频扭转冲击器质量比。

1．2 能量传递效率模型

高频扭转冲击器与PDC钻头组成的冲击系统可以看作由冲锤—钻头—岩石组成，系统的匹配程度可通过能量传递效率来衡量。系统每冲击一次的能量传递效率η为：式中：W1为冲击系统中冲击能量最终用于岩石破碎的部分，J；W为冲击系统的初始能量，J。

当高频扭转冲击器通过钻头传递能量冲击岩石时，会存在能量损失，因此考虑冲击系统存在波阻抗等因素，推导可得冲击系统能量传递效率公式：式中：S为钻头截面积，m2；E为冲击器与钻头的弹性模量，mPa；Z为波阻系数；l为冲击系统总长，m；k为岩石的抗压强度，m Pa。

2 PDC钻头选型分析

2．1 PDC钻头结构特点

以高频扭转冲击器工作性能特点为依据对PDC钻头结构进行优选。PDC钻头可采用五刀翼或六刀翼，平衡钻头的攻击性和切削齿的效率。冠部轮廓采用抛物线形剖面，外翼较长，布齿更多，不同部位切削齿的磨损相对比较均匀。对于中硬到坚硬地层，选用直径小的PDC复合片，采用中密或高密布齿结构。位于中间的切削齿后倾角较低，使其具有更大的攻击性，向外的后倾角较高，使其具有更强的耐磨性。

选择单件式钢体PDC钻头，有助于结构的整体性，能够提供更好的稳定性、更一致的扭矩值以及更少的振动损坏。

2．2 模型因素分析

高频扭转冲击器以应力波的形式向PDC钻头传递能量。根据式（4）可得不同条件下入射波应力大小随时间的变化规律，如图1～4所示。

图1 不同m1下入射波应力与时间的关系曲线

图2 不同m2下入射波应力与时间关系曲线

图3 不同α下入射波应力与时间关系曲线

图4 不同v下入射波应力与时间关系曲线

由图1～3可知，入射应力波为具有初值并呈指数规律下降的曲线。高频扭转冲击器质量越大，PDC钻头质量越小，PDC钻头与高频扭转冲击器质量比值越小，应力波随时间衰减的越慢，传递的能量越高。因此，在高频扭转冲击器质量一定的情况下，PDC钻头的质量应在能保证冲击能量的基础上尽量小。由图4可知，高频扭转冲击器对PDC钻头冲击速度越大，作用于PDC钻头的入射波应力越高。

根据火成岩的不同抗压强度，分析高频扭转冲击器冲击系统的能量传递效率，确定最优的PDC钻头结构。

图5给出了冲击系统的能量传递效率与PDC钻头截面积的关系，可知岩石的抗压强度k越小，冲击系统的能量传递效率越高；PDC钻头截面积越大，即PDC钻头的直径越大，系统的能量传递效率越高，高频扭转冲击器与PDC钻头越匹配，其工作性能越稳定。

图6给出了冲击系统的能量传递效率与PDC钻头长度的关系，可知PDC钻头长度越长，沿途损失的能量越多。冲击系统的能量传递效率随PDC钻头长度的增加而减小，近似呈线性变化。

图5 不同k下钻头截面积与能量传递效率关系曲线

图6 不同k下钻头长度与能量传递效率关系曲线

3 现场应用情况

新疆塔里木盆地哈拉哈塘区块X K3井，垂深6 880m。在二叠系、石炭系的岩性主要为凝灰岩、泥岩、砂岩，其中二叠系以凝灰岩为主，岩石硬度高，可钻性差。在X K3井5 375～6 674m井段中使用3套优选的PDC钻头与扭转冲击工具配合。钻井参数钻压80～120 k N，转速60 r／min，排量34 L／s，泵压23～25mPa。工具总进尺1 299m，纯钻时间212．5 h，平均机械钻速6．11m／h，与常规钻具＋PDC钻头相比提高1倍以上，比X K405井快6 d。

优选的PDC钻头与扭转冲击工具配合能够钻穿该区块的玄武岩和砾石层，地层适应能力强，平均可比邻井机械钻速提高1倍以上，钻井周期减少约50%，经济效益大幅提高。

4 结论

1） 建立了高频扭转冲击器与PDC钻头的入射波应力作用模型，分析可知：PDC钻头质量越小，高频扭转冲击器冲击速度越大，冲击器向PDC钻头传递的应力波随时间衰减的越慢。

2） 建立了高频扭转冲击器与PDC钻头组成的冲击系统能量传递效率模型。分析可知：PDC钻头截面积越大，系统的能量传递效率越高；PDC钻头长度越长，沿途损失的能量越多，系统的能量传递效率越低，近似成线性变化。

3） 新疆塔里木盆地X K3井试验表明，扭转冲击工具与优选的PDC钻头配合使用能提高钻速，与常规钻具、PDC钻头相比提高机械钻速1倍以上。

［1］ Jens Rudat，Dmitriy Dashevskiy．Development of an innovativemodel-based stick／slip control system［R］．SP E／IA D C 139996，2011．

［2］ K yllingstad A，H alsey GW．A study of slip／stickmotion of the bit［J］．SP E Drilling Engineering，1988（12）：369-373．

［3］ Schen A E，Snell A D，Stanes B H．O ptimization of bit drilling performance using a new small vibration loggrog tool［R］．SP E／IA D C 92336，2005．

［4］ 祝效华，汤历平，孟苹苹，等．PDC钻头粘滑振动机理分析［J］．石油矿场机械，2012，41（4）：13-16．

［5］ 王福修，田京燕．PDC钻头稳定性技术研究［J］．石油矿场机械，2002，31（2）：7-10．

［6］ 孙起昱，张雨生，李少海，等．钻头扭转冲击器在元坝10井的试验［J］．石油钻探技术，2010，38（6）：84-87．

［7］ 祥林，张金成，张东清．TorkBuster扭力冲击器在元坝地区的试验应用［J］．钻采工艺，2012，35（2）：15-17．

［8］ 吕晓平，李国兴，王震宇，等．扭力冲击器在鸭深1井志留系地层的试验应用［J］．石油钻采工艺，2012，34（2）：99-101．

［9］ 祝效华，汤历平，吴华，等．扭转冲击钻具设计与室内试验［J］．石油机械，2011，39（5）：27-29．

下期部分目次预告

黄志强等 国内外可控震源振动器平板研究现状与发展方向

卢沛伟等 水下采油树发展现状研究

刘治超等 阀门内漏声发射检测信号特征研究

陶红胜等 延长石油浅层大位移水平井固井技术

张宝平等 自升式钻井平台冲桩对拔桩阻力影响的研究

高巧娟等 打捞震击器力学分析

张 凯等 聚晶金刚石复合材料在钻杆接头表面应用的可行性分析

郭中云等 水下采油树工厂验收测试（F A T）技术研究

杨顺辉 锥形PDC齿的研制及室内试验评价

冯庆伟 蒸汽射流喷嘴设计与试验研究

李令喜等 海上油田防腐潜油电泵耐C O2腐蚀性能试验

罗华权等 X80螺旋埋弧焊接钢管静水压爆破试验研究

陶桂红等 注水泵诊断控制系统研制

方 彪等 模糊Petri网在液压提升机液压系统诊断中的应用

卢玲玲等 扭转冲击器研究及应用

祁 杰等 基于超声阵列的钻杆接头井口在线检测研究

王建全等 雅达油田水平井尾管附件钻除异常分析辛纪元等 特殊螺纹接头密封性能与结构分析

剪树旭 多功能机杆泵保护器的研制与应用

Research on PDC Drill Bit Applicability of High-Frequency Torsional Im pactor and Field Application

LI Siqi1，Y A N Tie1，LI W ei1，BI Fuqing2，LI Xianyi3
（1．College of PetroleumEngineering，N ortheast PetroleumUniversity，D aqing163318，China；2．The Fifth Oil Production Plant，D aqing Oilfield，D aqing163513，China；3．C N P C Drilling Research Institute，Beijing102206，China）

Due to the existence of stick-slip vibration，drill bit was often accompanied by severe fluctuations in speed and torque w hen drilling the hard formation in deep．Based on the characteristics of high-frequency torsionalim pactor，the incident wave stressmodel and the energy transfer efficiencymodel are established．T hrough the analysis on the factors ofmodels，the structure of PDC bit is optimized．The results show that：the smaller the quality of PDC drill bit is and the greater the im pact velocity of high-frequency torsional im pactor is，the slower the stress wave w hich im pact transfers to PDC bit decay with time．The greater the cross-sectional area of PDC bit is，the higher the efficiency of energy transfer of system is．T he longer the length of PDC bit is，

high-frequency torsional im pactor；PDC drill bit；efficiency of energy transfer；incident wave stress

T E921．107

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．005

2014-11-12

黑龙江省青年科学基金“旋转振动钻具的共振碎岩钻孔机理研究”（Q C2012C022）

李思琪（1989-），女，黑龙江肇州人，博士研究生，2011年毕业于东北石油大学，主要从事岩石力学、高效破岩等技术研究，E-mail：lisiqi448＠163．com。