高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器的PDC鉆頭適用性研究

李思琪，閆 鐵，李 瑋，畢福慶，李顯義

（1．東北石油大學(xué)　石油工程學(xué)院，黑龍江　大慶163318；2．大慶油田　第五采油廠，黑龍江　大慶163513；3．中國石油集團(tuán)　鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器的PDC鉆頭適用性研究

李思琪1，閆 鐵1，李 瑋1，畢福慶2，李顯義3

（1．東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2．大慶油田第五采油廠，黑龍江大慶163513；3．中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206）

在鉆進(jìn)深部硬質(zhì)地層時(shí)，由于粘滑振動(dòng)的存在，鉆頭經(jīng)常出現(xiàn)劇烈的轉(zhuǎn)速與扭矩波動(dòng)，對(duì)鉆進(jìn)有很大的影響。基于高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器的工作特點(diǎn)，建立了入射波應(yīng)力模型和系統(tǒng)的能量傳遞效率模型。通過對(duì)模型因素分析，優(yōu)選PDC鉆頭適用性結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明：PDC鉆頭質(zhì)量越小，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器沖擊速度越大，沖擊器向PDC鉆頭傳遞的應(yīng)力波隨時(shí)間衰減的越慢；PDC鉆頭截面積越大，系統(tǒng)的能量傳遞效率越高；PDC鉆頭長度越長，沿途損失的能量越多，能量傳遞效率與長度近似成線性變化；由現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果可知，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器和優(yōu)選的PDC鉆頭配合使用，提高機(jī)械鉆速1倍以上。

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器；PDC鉆頭；能量傳遞效率；入射波應(yīng)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．

眾多的隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)表明，在鉆進(jìn)深部硬質(zhì)地層時(shí)，鉆頭時(shí)常伴隨著劇烈的轉(zhuǎn)速與扭矩波動(dòng)，這是由于鉆頭的粘滑振動(dòng)引起的，它對(duì)鉆進(jìn)有著重大的影響。由于粘滑現(xiàn)象的存在，使得機(jī)械鉆速大幅度降低，鉆頭壽命縮短［1-4］。因此，針對(duì)深井鉆進(jìn)過程中存在的粘滑問題，提出一種鉆井提速工具——高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器，進(jìn)而提高鉆頭的工作效率。

目前，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器已經(jīng)投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，2010年普光氣田使用高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，提速效果明顯［5-6］。截止2011年，四川元壩地區(qū)高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器已試驗(yàn)應(yīng)用了11口井，取得了明顯的提速效果，該工具已經(jīng)成為元壩地區(qū)下沙溪廟組、千佛崖組地層鉆井提速的一種有效手段［7］。2012年，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器在鴨深1井志留系地層應(yīng)用，相比鄰井提高110%［8］。同時(shí)，祝效華等學(xué)者對(duì)高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)了行研究［9］。

目前的研究成果主要集中在高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器工作原理及其應(yīng)用效果2個(gè)方面，如何在不影響高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器工作性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合所鉆地層巖性，選擇出合適的PDC鉆頭是有待研究的關(guān)鍵問題。本文在建立高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭的作用模型基礎(chǔ)上，分析PDC鉆頭選型適用性，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)理論模型進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭作用模型

1．1 入射波應(yīng)力模型

根據(jù)牛頓定律，沖擊瞬間高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭的接觸面的受力可由式（1）給出：F又是PCD鉆頭的入射波，還必須服從式（2）由式（1）～（2）可得

根據(jù)初始條件：t＝0，v＝vc，可求得式中：F為PDC鉆頭入射波應(yīng)力大小，N；m1，m2分為高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器和PDC鉆頭質(zhì)量，kg；v為扭轉(zhuǎn)沖擊器的沖擊速度，m／s；t為時(shí)間，s；α為PDC鉆頭與高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器質(zhì)量比。

1．2 能量傳遞效率模型

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭組成的沖擊系統(tǒng)可以看作由沖錘—鉆頭—巖石組成，系統(tǒng)的匹配程度可通過能量傳遞效率來衡量。系統(tǒng)每沖擊一次的能量傳遞效率η為：式中：W1為沖擊系統(tǒng)中沖擊能量最終用于巖石破碎的部分，J；W為沖擊系統(tǒng)的初始能量，J。

當(dāng)高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器通過鉆頭傳遞能量沖擊巖石時(shí)，會(huì)存在能量損失，因此考慮沖擊系統(tǒng)存在波阻抗等因素，推導(dǎo)可得沖擊系統(tǒng)能量傳遞效率公式：式中：S為鉆頭截面積，m2；E為沖擊器與鉆頭的彈性模量，mPa；Z為波阻系數(shù)；l為沖擊系統(tǒng)總長，m；k為巖石的抗壓強(qiáng)度，m Pa。

2 PDC鉆頭選型分析

2．1 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

以高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器工作性能特點(diǎn)為依據(jù)對(duì)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選。PDC鉆頭可采用五刀翼或六刀翼，平衡鉆頭的攻擊性和切削齒的效率。冠部輪廓采用拋物線形剖面，外翼較長，布齒更多，不同部位切削齒的磨損相對(duì)比較均勻。對(duì)于中硬到堅(jiān)硬地層，選用直徑小的PDC復(fù)合片，采用中密或高密布齒結(jié)構(gòu)。位于中間的切削齒后傾角較低，使其具有更大的攻擊性，向外的后傾角較高，使其具有更強(qiáng)的耐磨性。

選擇單件式鋼體PDC鉆頭，有助于結(jié)構(gòu)的整體性，能夠提供更好的穩(wěn)定性、更一致的扭矩值以及更少的振動(dòng)損壞。

2．2 模型因素分析

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器以應(yīng)力波的形式向PDC鉆頭傳遞能量。根據(jù)式（4）可得不同條件下入射波應(yīng)力大小隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖1～4所示。

圖1 不同m1下入射波應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖2 不同m2下入射波應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 不同α下入射波應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 不同v下入射波應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖1～3可知，入射應(yīng)力波為具有初值并呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器質(zhì)量越大，PDC鉆頭質(zhì)量越小，PDC鉆頭與高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器質(zhì)量比值越小，應(yīng)力波隨時(shí)間衰減的越慢，傳遞的能量越高。因此，在高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器質(zhì)量一定的情況下，PDC鉆頭的質(zhì)量應(yīng)在能保證沖擊能量的基礎(chǔ)上盡量小。由圖4可知，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器對(duì)PDC鉆頭沖擊速度越大，作用于PDC鉆頭的入射波應(yīng)力越高。

根據(jù)火成巖的不同抗壓強(qiáng)度，分析高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率，確定最優(yōu)的PDC鉆頭結(jié)構(gòu)。

圖5給出了沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率與PDC鉆頭截面積的關(guān)系，可知巖石的抗壓強(qiáng)度k越小，沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率越高；PDC鉆頭截面積越大，即PDC鉆頭的直徑越大，系統(tǒng)的能量傳遞效率越高，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭越匹配，其工作性能越穩(wěn)定。

圖6給出了沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率與PDC鉆頭長度的關(guān)系，可知PDC鉆頭長度越長，沿途損失的能量越多。沖擊系統(tǒng)的能量傳遞效率隨PDC鉆頭長度的增加而減小，近似呈線性變化。

圖5 不同k下鉆頭截面積與能量傳遞效率關(guān)系曲線

圖6 不同k下鉆頭長度與能量傳遞效率關(guān)系曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

新疆塔里木盆地哈拉哈塘區(qū)塊X K3井，垂深6 880m。在二疊系、石炭系的巖性主要為凝灰?guī)r、泥巖、砂巖，其中二疊系以凝灰?guī)r為主，巖石硬度高，可鉆性差。在X K3井5 375～6 674m井段中使用3套優(yōu)選的PDC鉆頭與扭轉(zhuǎn)沖擊工具配合。鉆井參數(shù)鉆壓80～120 k N，轉(zhuǎn)速60 r／min，排量34 L／s，泵壓23～25mPa。工具總進(jìn)尺1 299m，純鉆時(shí)間212．5 h，平均機(jī)械鉆速6．11m／h，與常規(guī)鉆具＋PDC鉆頭相比提高1倍以上，比X K405井快6 d。

優(yōu)選的PDC鉆頭與扭轉(zhuǎn)沖擊工具配合能夠鉆穿該區(qū)塊的玄武巖和礫石層，地層適應(yīng)能力強(qiáng)，平均可比鄰井機(jī)械鉆速提高1倍以上，鉆井周期減少約50%，經(jīng)濟(jì)效益大幅提高。

4 結(jié)論

1） 建立了高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭的入射波應(yīng)力作用模型，分析可知：PDC鉆頭質(zhì)量越小，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器沖擊速度越大，沖擊器向PDC鉆頭傳遞的應(yīng)力波隨時(shí)間衰減的越慢。

2） 建立了高頻扭轉(zhuǎn)沖擊器與PDC鉆頭組成的沖擊系統(tǒng)能量傳遞效率模型。分析可知：PDC鉆頭截面積越大，系統(tǒng)的能量傳遞效率越高；PDC鉆頭長度越長，沿途損失的能量越多，系統(tǒng)的能量傳遞效率越低，近似成線性變化。

3） 新疆塔里木盆地X K3井試驗(yàn)表明，扭轉(zhuǎn)沖擊工具與優(yōu)選的PDC鉆頭配合使用能提高鉆速，與常規(guī)鉆具、PDC鉆頭相比提高機(jī)械鉆速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］ 祝效華，湯歷平，孟蘋蘋，等．PDC鉆頭粘滑振動(dòng)機(jī)理分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（4）：13-16．

［5］ 王福修，田京燕．PDC鉆頭穩(wěn)定性技術(shù)研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002，31（2）：7-10．

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

［7］ 祥林，張金成，張東清．TorkBuster扭力沖擊器在元壩地區(qū)的試驗(yàn)應(yīng)用［J］．鉆采工藝，2012，35（2）：15-17．

［8］ 呂曉平，李國興，王震宇，等．扭力沖擊器在鴨深1井志留系地層的試驗(yàn)應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝，2012，34（2）：99-101．

［9］ 祝效華，湯歷平，吳華，等．扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具設(shè)計(jì)與室內(nèi)試驗(yàn)［J］．石油機(jī)械，2011，39（5）：27-29．

下期部分目次預(yù)告

黃志強(qiáng)等 國內(nèi)外可控震源振動(dòng)器平板研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

盧沛?zhèn)サ?水下采油樹發(fā)展現(xiàn)狀研究

劉治超等 閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)特征研究

陶紅勝等 延長石油淺層大位移水平井固井技術(shù)

張寶平等 自升式鉆井平臺(tái)沖樁對(duì)拔樁阻力影響的研究

高巧娟等 打撈震擊器力學(xué)分析

張 凱等 聚晶金剛石復(fù)合材料在鉆桿接頭表面應(yīng)用的可行性分析

郭中云等 水下采油樹工廠驗(yàn)收測(cè)試（F A T）技術(shù)研究

楊順輝 錐形PDC齒的研制及室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)

馮慶偉 蒸汽射流噴嘴設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

李令喜等 海上油田防腐潛油電泵耐C O2腐蝕性能試驗(yàn)

羅華權(quán)等 X80螺旋埋弧焊接鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)研究

陶桂紅等 注水泵診斷控制系統(tǒng)研制

方 彪等 模糊Petri網(wǎng)在液壓提升機(jī)液壓系統(tǒng)診斷中的應(yīng)用

盧玲玲等 扭轉(zhuǎn)沖擊器研究及應(yīng)用

祁 杰等 基于超聲陣列的鉆桿接頭井口在線檢測(cè)研究

王建全等 雅達(dá)油田水平井尾管附件鉆除異常分析辛紀(jì)元等 特殊螺紋接頭密封性能與結(jié)構(gòu)分析

剪樹旭 多功能機(jī)桿泵保護(hù)器的研制與應(yīng)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

黑龍江省青年科學(xué)基金“旋轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆具的共振碎巖鉆孔機(jī)理研究”（Q C2012C022）

李思琪（1989-），女，黑龍江肇州人，博士研究生，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，主要從事巖石力學(xué)、高效破巖等技術(shù)研究，E-mail：lisiqi448＠163．com。