随钻恒扭器在TH121125井的试验

彭明旺， 白彬珍， 王 轲， 李少安， 李 斐

(1.中国石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

塔河油田12区是该油田近年来的主力上产区块之一，但因深部地层年代古老[1-3]，压实程度高，采用PDC钻头钻进因黏滑振动造成机械钻速低(仅12.20 m/h左右)。国内外目前常采用旋冲钻井和高压水射流钻井等技术解决由于PDC钻头黏滑振动造成机械钻速低的问题，但这些技术都各有特点，适用范围有限，不能彻底解决深部硬地层黏滑振动的难题。随钻恒扭器可有效防止因黏滑引起的失速[4-8]，避免因失速所引发的钻头及螺杆的损坏、钻柱自激振动、井下钻具扭断、工具接头过载失效、随钻测井系统及旋转导向系统等工具的失效及损坏。因此，为提高塔河油田12区深部硬地层的机械钻速，在TH121125井深部硬地层钻进中试验应用了随钻恒扭器，并获得很好的提速效果。

1 随钻恒扭器的结构及工作原理

随钻恒扭器是一种新型的钻井用井下工具，具有过载卸荷、减振保护功能，能够实时自动调整钻井扭矩，消除黏滑现象。在直井、定向井、水平井以及大位移水平井及复杂地层钻井作业中均可使用。

1.1 基本结构

随钻恒扭器主要由密封机构、弹性蓄能机构和压扭转换机构等几大部分组成，具体有上接头、筒体、内套、碟簧、活塞、心轴以及各连接处的密封圈等部件，如图1所示。

图1 随钻恒扭器基本结构Fig.1 Basic structure of constant torque converter while drilling1.上接头；2.密封圈；3.垫片；4.碟簧；5.弹簧内套；6.弹簧筒体；7.通气孔；8.活塞；9.心轴体；10.油堵；11.密封体；12.心轴

1.2 工作原理

随钻恒扭器通过心轴下端的外螺纹及上接头的内螺纹实现与其他钻井工具的连接。正常钻进过程中，地面钻井设备通过钻柱向钻头传递正向扭矩，驱动钻头正向转动并切削地层，切削过程中，地层会对钻头产生一个反扭矩，在反扭矩作用下，随钻恒扭器的压扭转换机构发生转动并使弹性蓄能机构产生压缩，但弹性蓄能机构的反力会阻止压扭转换机构的转动，从而实现钻井扭矩的传递[9-11]。

当随钻恒扭器下部钻具或钻头处因黏滞或地层交替而出现失速时，扭矩突然增大，钻头会停止转动或转速急剧下降，随钻恒扭器上部的钻具与下部的钻具会出现速度差，此时压扭转换机构会在大扭矩及速度差作用下发生转动并使弹性蓄能机构产生压缩，随钻恒扭器下部的钻具会被提升一定距离，释放部分反扭矩，整个过程中部分反扭矩会被储存到弹性蓄能机构、并随着反扭矩的减小而逐步释放。该过程会在易失速井段的钻井过程中持续反复，从而减少对钻头及钻柱的冲击，提高破岩效率，延长钻头及钻柱的使用寿命。

钻进过程中，纵向振动及周向扭转产生的振动会在压扭转换机构作用下被弹性蓄能机构吸收，防止因失速引起自激振动，同时消除其他因素引起的振动，保护钻头、钻具及钻柱，防止随钻测井系统、旋转导向系统等钻井工具及随钻测量仪器的失效及损坏。

钻具组合中加入随钻恒扭器后，在井口钻压不变的条件下，钻头钻压波动甚微，扭矩十分平稳、波动较小，钻头的钻井进尺也相对平稳，如图2所示。

图2 应用随钻恒扭器钻进硬地层时的扭矩和钻压Fig.2 Torque and WOB of using constant torque converter while drilling for hard formation

1.3 技术特点及主要参数

随钻恒扭器的主要技术特点为：

1) 随钻恒扭器可用于海洋及陆地的直井、定向井和水平井钻井作业中，可与PDC钻头、牙轮钻头和扩孔钻头等配合使用。

2) 可使钻头保持在一个持续的动态扭矩范围内，消除周向扭转产生的振动及纵向振动，从而有效提高方位控制精度。

3) 通过恒定钻头扭矩，对钻头提供过载保护，防止因扭矩突变引起钻头损坏，延长钻头的使用寿命，同时增强钻头的穿透率。

4) 可吸收因地层夹层引起的振动，避免因振动引起的随钻测井系统和旋转导向系统等仪器、工具的失效及损坏。

5) 可防止因失速导致的钻柱扭曲变形、扭断，工具接头的过载失效以及动力钻具失速。

随钻恒扭器的主要技术参数见表1。

表1 随钻恒扭器主要技术参数Table 1 Main technical parameters of constant torque converter while drilling

2 现场试验

在塔河油田12区的TH121125井的1 204.00～4 845.00 mm井段进行了随钻恒扭器试验。钻具组合为：φ250.8 mmPDC钻头+φ197.0 mm螺杆钻具+DTS178型随钻恒扭器+φ177.8 mm钻铤+φ247.0 mm稳定器+φ177.8 mm钻铤+φ247.0 mm稳定器+φ177.8 mm钻铤+φ127.0 mm加重钻杆+φ127.0 mm钻杆+φ139.7 mm钻杆。钻井参数：钻压40～50 kN，转速60 r/min，排量32～48 L/s，立压21～23 MPa。钻井液密度1.13～1.26 kg/L。钻遇地层的岩性以砂岩、泥岩及砂泥岩互层为主。

随钻恒扭器试验进尺3 641.00 m，纯钻时间174 h，平均机械钻速20.93 m/h，钻井周期11.23 d，仅使用了1只PDC钻头，一趟钻完成了试验井段。按照钻头类型相同、地层相同、井深相近的可比性原则，将TH121125井与同区块5口邻井进行了比较：机械钻速提高了20.56%～59.65%，钻井周期缩短了21.08%～41.39%(见表2)。由此可见，应用随钻恒扭器可提高深部地层的钻井速度。

表2 TH121125井试验井段与邻井相同井段指标对比Table 2 Indicators comparison of the test section in Well TH121125 and offset wells

现场录井显示，随钻恒扭器试验井段的实钻扭矩波动小，比较平稳(见图3)，避免了因扭矩突变引起的钻头损坏，有效保护了钻头及钻柱。随钻恒扭器和钻头出井后，结构较为完整，外表面未见明显损伤，钻头出井新度达90%，切削齿只有轻微磨损。

图4和图5为TH121125井随钻恒扭器试验井段与邻井相同井段井斜角和井径扩大率的对比。由图4和图5可知，应用随钻恒扭器后，井身质量得到提高，最大井斜角仅为1.07°,最大井径扩大率仅为6.42%。

图3 TH121125井试验井段的扭矩Fig.3 Torque of the test section in Well TH121125

图4 TH121125井试验井段与邻井相同井段的井斜角Fig.4 Hole inclination angle of the test section in Well TH121125 and offset wells

图5 TH121125井试验井段与邻井相同井段的井径扩大率Fig.5 Hole enlargement rate of the test section in Well TH121125 and offset wells

3 结论与建议

1) 随钻恒扭器通过施加恒定的扭矩给钻头，能消除PDC钻头的黏滑现象，应用于深部硬地层钻井，提速效果明显。

2) TH121125井应用随钻恒扭器后，虽然钻井速度和井身质量得到了提高，但由于地层原因导致井底水平位移偏大。因此，建议开展钻井参数优化研究，使其充分发挥防斜打快的作用。

3) 随钻恒扭器是一种新型的钻井工具，具有过载卸荷、减振保护功能，能够实时自动调整钻井扭矩，在直井、定向井、水平井以及大位移水平井及复杂地层钻井作业中均可使用。建议加强配套钻头的适应性研究，确保随钻恒扭器工具的可靠性。

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