PDC 钻头与螺杆钻具参数匹配技术分析及应用

2021-09-05樊思成李洪利

设备管理与维修 2021年13期

樊思成，李勇，李洪利，张衡

（中国石油渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

0 引言

在定向井施工中，目前主要通过螺杆钻具或旋转导向工具实现定向作业：旋转导向工具仍然主要依靠进口，作业成本高，特殊工况下使用风险高，应用受限；螺杆钻具则应用更加广泛，开展PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头与螺杆钻具参数匹配技术研究，可以提高破岩效率，降低钻井成本，缩短建井周期，实现定向井规模效益开发。

1 定向井复合钻进工况分析

复合钻进是在钻具组合中加入井下动力钻具，为井底钻头提供输出扭矩和转速，动力钻具提供的转速与排量有关，扭矩与动力钻具工作特性相关。复合钻井分别有井上动力源（顶驱或转盘）和井下动力源两部分组成，可以大幅提升钻井效率。

在螺杆钻具中，泥浆是自上而下流进马达的，理论转速计算公式如下[1]，即：

式中 RL——螺杆钻具理论转速，r/min

Q——排量，L/s

q——螺杆钻具每转排出的流量，L/r

如果钻井平台顶驱或转盘转速为Rs，则钻头的理论总转速为[2]：

依据能量守恒定律，则有[3]：

式中 ωt——钻头理论角速度，rad/s

ΔPp——钻具进出口的压力降，MPa

由上式可以得出：

因此，钻头理论总扭矩可表示为[4]：

式中 Ts——钻井平台上的测量扭矩，kN·m

由于定向井可以提升钻遇率，是目前油气开发的主流井型，而定向井中采用PDC 钻头与螺杆钻具组合的复合钻进模式是实现高效破岩的主要手段，而钻头在井底所获得的实际钻压与钻柱的摩阻大小有直接关系，间接影响钻头与螺杆钻具匹配关系。国内外资料检索发现，相关学者进行了该方面的研究并建立了理论计算模型[5]。

在定向井中，取长度为Δl的钻柱微元段为研究对象，根据微元段的力平衡和力矩平衡方程可由式（6）表示摩阻[6]。

式中 Ft——钻柱的轴向力，kN

μ——钻柱的轴向摩擦系数，无因次

Nn——钻柱受到的正压力在方向上的分量，kN

Nb——钻柱受到的正压力在方向上的分量，kN

E——钻柱弹性模量，MPa

I——钻柱的截面惯性矩，m4

We——单位长度钻柱的浮重，kN/m

α——井斜角，°

Kb——井眼曲率，°/30 m

Kn——钻柱弹性变形线上一点的曲率，m-1

Nσ——任一点井壁的地基反力，kN

φ——钻柱合运动方向与周向运动方向的夹角，°

下钻工况时，式（6）取“+”，起钻时取“-”。

对上述公式进行积分即可求得在起下钻过程中钻柱微元段受到的摩阻fi。假设整个钻柱包含n 个微元段，则各微元段受到的摩阻叠加即可得到钻柱的总摩阻为[7]：

根据微元段的力平衡和力矩平衡方程可表示扭矩如下：

式中 μa——钻柱的轴向摩擦系数，无因次

μt——钻柱的周向摩擦系数，无因次

r——钻柱的外径，m

N——钻柱受到的正压力，kN

结合已知边界条件，在旋转钻进过程中，钻头处钻压为F0，钻头与地层作用的扭矩为Mt0，则钻柱受到的总摩阻f 和扭矩Mt分别为：

2 PDC 钻头与螺杆钻具参数匹配技术分析

当前页岩油气、致密油气是我国油气增储上产的主战场，四川长宁—威远页岩气区块是国家级页岩气示范区，采用“工厂化”作业模式，单个平台布置6～8 口井，均为定向井/水平井，以威202H11-3 井为例，该井采用三开井身结构，设计井深4212 m，如图1 所示。三开井段钻具组合采用“PDC钻头+螺杆钻具+水力振荡器”结构，见表1。

表1 三开井段钻具组合表

图1 井身结构

该井所使用的PDC 钻头基本技术特征：中锥冠型，五刀翼，单排齿，Φ16 mm 复合片，中等布齿密度，倒划眼防卡设计。

该井选用的螺杆钻具基本技术特征：外径172 mm，1.25°弯螺杆，7/8 头，4.5 级马达，不带旁通阀，耐温120 ℃，十字式万向轴总成，每转排量q=13 L/r。

在威202H11-3 井8 1/2″井段施工中，泥浆泵排量Q 为30～32 L/s，利用上面公式，计算出螺杆钻具理论输出转速为138～148 r/min。地面顶驱转速一般为40～60 r/min，计算出钻头上接收的理论转速在178～208 r/min。工作压降4 MPa，最大压降6.6 MPa，则该螺杆钻具的理论输出扭矩为8280 N·m，最大输出扭矩12617 N·m。利用钻柱摩阻扭矩计算公式，本井摩阻扭矩在5000～9000 N·m，则钻头上承受的理论总扭矩在13 280～21 617 N·m。