衡扭矩钻井技术研究与应用

李秋杰，万发明，郑殿富，肖 健，郑瑞强

(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)

1 概述

衡扭矩钻井工具是大庆油田近年来自主研发的一种提速工具，它能够智能调节PDC 钻头吃入深度，平稳井下扭矩，提高钻进效率，提高钻头使用寿命。同时，通过优化设计，使工具不依靠钻井液提供动力，保证足够的过流面积，不产生额外的压耗，以减轻钻机循环系统的负荷，减少因泵压过高产生的设备损坏。

2 衡扭矩技术研究

2.1 工具基本原理

钻遇软硬互层、坚硬夹层时，扭矩经常会出现异常波动。产生的异常扭矩给钻具、钻头等造成了额外的负荷，易产生疲劳破坏；另一方面，异常扭矩未能起到破岩作用，造成了能量的无用损耗。衡扭矩钻井工具能够智能调节钻头吃入深度，当扭矩过大时，将过量的扭矩存储起来，当扭矩降低时再将其释放，保证PDC钻头持续稳定地剪切地层，提高钻进效率。

2.2 创新技术

（1）创新设计了高载荷蓄能及释放机构，实现了有限空间内过量扭矩的频繁存储和释放，具备较高的抗压和抗疲劳能力；

（2）创新设计了高灵敏度、低能量损耗的传压传扭机构，实现了钻压和扭矩的及时传递，有效地将过量的扭矩转化成上部碟簧的弹性势能，进行存储和释放；

（3）创新设计了高稳定性的悬挂机构，提高了工具的可靠性。

2.3 性能参数

（1）工具总长：4068mm；

（2）工作扭矩：0～20kN·m;

（3）最大伸缩距：150mm；

（4）扭转角度：120°；

（5）工具压耗：0.2MPa。

3 室内试验分析

3.1 循环试验

为验证工具性能，进行了室内循环模拟试验。使用F1300 泥浆泵，循环介质为清水，0～40L/s 排量下，工具压耗均为0.2MPa；共计进行循环试验5次，总循环时长170h，过程中无渗漏现象，密封符合设计要求。

3.2 扭矩加载试验

利用拉力计、旋转拧扣机等设备进行了扭矩加载试验，在0～20kN·m 扭矩范围内，工具缩回量为0～5mm，工具扭转角度120°，卸载扭矩后工具复位及时；扭矩超过20kN·m，限位机构达到上死点；继续加大扭矩至30kN·m，拆开工具检查限位机构，无异常变形，满足设计要求。

4 S48井现场施工分析

4.1 衡扭矩工具施工情况

试验井号为S48 井，共计施工3 井次，累计进尺896m，平均钻速21.53m/h，出井工具正常，钻头无磨损（见表1）。

表1 衡扭矩应用情况统计表

4.2 与邻井对比情况

钻速对比：与邻井CH19井同井段使用常规方式提高21%（见图1）。

图1 S48井与邻井钻速对比表

扭矩对比：通过扭矩曲线可以看出，使用衡扭矩工具扭矩小且平稳，随井深缓慢平稳上涨，扭矩波动小，较邻井扭矩平均水平降低35%左右（见图2）,平稳井下扭矩效果明显。

图2 S48井与邻井扭矩对比表

5 结论

（1）工具能够将过量的扭矩及时存储和释放，解决了常规PDC钻进过程中出现的扭矩波动大、跳钻甚至憋停等问题，为钻头提供更好的工作环境，提高钻头及钻具使用寿命，提高钻进效率；

（2）工具纯机械构造，不需依靠节流钻井液来提供动力，压耗较小仅为0.1MPa，有效解放了施工排量，减轻钻机循环系统负荷，减少因泵压过高产生的设备损坏，更适合老旧钻井设备提速施工。性能指标达到国内领先水平，具有广阔的推广应用前景。