PDC鉆頭扭矩控制技術分析

韓 飛，郭慧娟，戴 揚，楊斯媛，楊 磊

（1.中國石油集團 鉆井工程技術研究院，北京100195；2.中國石油集團 辦公廳，北京100007）①

PDC鉆頭能顯著提高鉆井效率，已得到廣泛應用［1］。但是，PDC鉆頭在鉆遇硬地層（尤其是深井、超深井的軟硬交錯地層）時，扭矩波動較大、蹩跳鉆現象嚴重，鉆頭使用壽命低，機械鉆速低。國外一些公司開展了相應扭矩控制技術的研究，主要的研究思路有2種：

1） 通過泥漿作用，在原有鉆頭扭矩基礎上提供高頻、低幅的協助破巖扭矩，以提高鉆頭破巖扭矩，防止鉆頭停轉及蹩跳鉆。

2） 通過井底工具自身的結構，不借助外部能量，實現鉆頭扭矩的實時自平衡。

本文通過對國外先進PDC鉆頭扭矩控制技術的介紹及分析，為國內PDC鉆頭扭矩控制技術的研發提供一些建議和參考。

1 PDC鉆頭扭矩波動機理

在正常鉆井條件下，PDC鉆頭能以極高的速度和效率鉆穿地層（如圖1a）。但在鉆遇硬地層時，PDC鉆頭會隨時停轉，直至有足夠的破巖扭矩來剪切開巖層。此時，鉆柱存儲大量扭矩能量（如圖1b）。一旦鉆頭達到破巖扭矩值時，鉆柱存儲扭矩能量瞬間釋放，鉆頭將會以高于普通鉆頭的轉速破巖（最高可達井口轉速的2倍），產生劇烈蹩跳鉆現象（如圖1c）。從對PDC鉆頭鉆井過程中的鉆頭扭矩波動（如圖2）分析來看，PDC鉆頭在鉆硬地層時，扭矩的波動會使鉆頭產生劇烈的沖擊載荷。這些劇烈的沖擊載荷將會大幅降低鉆頭的壽命、降低鉆井的機械鉆速。同時，鉆柱聚集大量的扭矩能量后，容易損壞一些精細的工具，例如旋轉導向工具、MWD等，還會造成鉆柱粘扣。

圖1 PDC鉆頭鉆井過程示意

圖2 PDC鉆頭在硬地層鉆進時扭矩波動示意

2 技術現狀分析

目前，國外一些石油公司已經擁有成熟的PDC鉆頭扭矩控制技術，具有代表性的產品主要有Ulterra公司的旋轉沖擊鉆具（TORKBUSTER），Southard公司的行星鉆頭驅動器（Planetary Bit Driver）及Tomax公司的衡扭矩鉆井工具（Anti Stall Tool）。

2.1 旋轉沖擊鉆具

Ulterra公司研制的旋轉沖擊鉆具（如圖3）的設計理念是基于傳統液動沖擊鉆具技術，唯一不同的是旋轉沖擊鉆具將鉆井液能量轉化為一種直接施加到PDC鉆頭上的一個持續、高頻、均勻的沖擊扭轉力，協助PDC鉆頭破巖，其沖擊頻率為680～2 400Hz，沖擊扭矩為610～1 627N·m。旋轉沖擊鉆具能夠使PDC鉆頭在平穩的鉆井扭矩條件下進行高效破巖，其破巖扭矩波動模擬曲線如圖4（假設在井口恒鉆壓條件下）。

圖3 TORKBUSTER旋轉沖擊鉆具樣機

旋轉沖擊鉆具由鉆井液能量轉換器、沖擊扭力發生器、驅動短節以及鉆頭接頭等組成。部分鉆井液從上接頭旁通口進入鉆井液能量轉換器，鉆井液能量轉換器驅動下部驅動短節內的2個動力錘持續相互反轉碰撞，產生的高頻沖擊扭矩，經鉆頭接頭傳遞給鉆頭，使鉆頭均勻、穩定地破碎巖石，可獲得較高的機械鉆速，并達到延長鉆頭壽命的目的［2］。

圖4 旋轉沖擊鉆具扭矩波動示意

目前，該公司的產品主要有4種型號，外徑分別為127、165、219、279mm。該旋轉沖擊鉆具已經在油田現場得到了廣泛應用，應用效果明顯。我國的中原石油勘探局鉆井工程技術研究院引進了扭轉沖擊鉆具及PDC鉆頭，在川東北地區元壩10井進行了應用，最高機械鉆速提高3.04倍，鉆頭壽命提高2.89倍［3］。

2.2 行星鉆頭驅動器

Southard公司的行星鉆頭驅動器的設計理念是基于解決定向鉆井時較大的反扭矩導致工具面控制不穩、影響鉆進的速度及連續性問題。

行星鉆頭驅動器結構如圖5，主要由中心鉆頭、外部鉆頭、行星齒輪、軸承及心軸等構成。工作時，動力馬達驅動心軸并帶動中心鉆頭順時針鉆進；同時，心軸在行星齒輪作用下驅動外鉆頭逆時針旋轉。此時，中心鉆頭及外部鉆頭的扭矩相互平衡，從而減少甚至消除了在下部鉆具組合上的反扭矩［4－7］。

圖5 行星鉆頭驅動器結構

目前，行星鉆頭驅動器正進行現場試驗，尚未達到商業化應用水平。

2.3 衡扭矩鉆井工具

Tomax公司的衡扭矩鉆井工具（如圖6）是基于對鉆頭扭矩能量的存儲和釋放，進而實現鉆頭扭矩的實時自平衡，實現鉆頭扭矩波動的“消峰填谷”。

該工具主要由上接頭、彈簧套、彈簧、導向套及螺旋心軸等構成。當PDC鉆頭的扭矩達到一定值時，衡扭矩鉆井工具克服彈簧力，上接頭、彈簧套、導向套相對于螺旋心軸的螺旋花鍵配合在一起，壓縮彈簧，使整個工具處于壓縮狀態，使整個鉆井管柱變短（存儲扭矩能量）。這時鉆頭會被逐漸從井底提起，直到鉆頭回到原來的旋轉速度。當鉆頭的扭矩減少時，彈簧將會適當地拉伸（釋放扭矩能量），維持鉆頭正常鉆井［8］。

圖6 衡扭矩鉆井工具樣機

鉆井作業中，衡扭矩鉆井工具在鉆壓略有降低的條件下，能夠有效地減緩鉆頭扭矩的波動，大幅減少磨損，提高機械鉆速。衡扭矩鉆井工具扭矩、鉆壓及進尺工況模擬如圖7（假設在井口恒鉆壓條件下）。經分析，在井口恒鉆壓條件下，鉆頭鉆壓略微降低波動，扭矩十分平穩、波動較小，PDC鉆頭的機械進尺相對平穩。

目前，該公司的產品主要有4種型號，外徑分別為121、171、229、241mm。該衡扭矩鉆井工具已經在油田現場得到了廣泛應用，應用效果明顯。比較典型的案例是在Norway的Gyda區塊使用時，節省3d鉆井時間，節約成本＄225萬元。

圖7 衡扭矩鉆井工具在硬地層鉆進時扭矩和鉆壓波動示意

3 結論

1） 國外3種典型的扭矩控制技術能夠有效地控制鉆頭的扭矩波動，減少PDC鉆頭的磨損，提高機械鉆速。

2） 國內應開展PDC鉆頭扭矩控制技術研究。從3項關鍵技術著手，即：PDC鉆頭扭矩控制破巖機理；匹配鉆頭及配套鉆井參數優化；高溫、高壓下PDC鉆頭扭矩控制配套工具的可靠性。

［1］向 亮，楊 濤，付建紅，等.一種新的PDC鉆頭設計模型研究［J］.石油礦場機械，2009，38（10）：50－54.

［2］高航獻，瞿 佳，曾鵬琿.元壩地區鉆井提速探索與實踐［J］.石油鉆探技術，2010，38（4）：26－29.

［3］孫起昱，張雨生，李少海，等.鉆頭扭轉沖擊器在元壩10井的應用 ［J］.石油鉆探技術，2010，38（6）：84－87.

［4］戴金嶺，溫林榮，何育光，等.無反扭矩鉆井裝置及扭矩平衡分析 ［J］.石油鉆探技術，2008，36（1）：53－56.

［5］何 超，韓烈祥，陳曉彬，等.行星式PDC鉆頭驅動器研制 ［J］.石油鉆采工藝，2010（32）：73－75.

［6］ROBERT Southard.New assembly drills without reactive torque［C］.SPE／IADC 105000，2007.

［7］陳 勇，陳若銘，張興國，等.PDC鉆頭反扭矩分析及控制技術［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：59－61.

［8］Knut Sigve Selnes.Drilling Difficult Formations Efficiently With the Use of an Anti－stall Tool［C］.SPE／IADC 111874，2008.