衡转矩钻井工具研制

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(1.中国石油集团 钻井工程技术研究院，北京 102200；2.中国石油集团 渤海石油装备集团有限公司，天津300272)

衡转矩钻井工具研制

韩飞1，朱英杰1，牛增强2，梁国红1

(1.中国石油集团 钻井工程技术研究院，北京 102200；2.中国石油集团 渤海石油装备集团有限公司，天津300272)

PDC钻头在难钻地层钻进时有“憋跳钻”现象严重、钻头机械钻速低、单只钻头进尺低等问题。研制了一种衡转矩钻井工具，该工具采用弹簧+螺旋导向机构的机械传动方式，实时存储、释放钻井转矩能量；通过对钻头的破岩能量实时优化，实现了钻井转矩波动的“消峰填谷”，平稳钻进。试验结果表明，衡转矩钻井工具设计合理、性能可靠，可满足直井和定向井工程需求，能够有效减少钻井转矩波动、提高钻头进尺及机械钻速。

PDC钻头；衡转矩钻井工具；机械转速

提速、提效是钻井工程的永恒目标。PDC钻头现场应用广泛，但基于其剪切破岩的特性，PDC钻头在钻遇深部硬地层、夹层时容易产生剧烈的扭转振动，导致钻头转速波动较大、切削齿损伤严重，单只钻头进尺低，机械钻速低，造成钻井成本的大幅增加[1-4]。

近年来，针对提高PDC机械钻速及进尺的辅助工具发展很快，主要有冲击工具和参数自优化工具2大类。冲击工具是通过钻井液触发工具执行机构，产生一定频率轴向或径向冲击力，辅助PDC钻头高效破岩。冲击工具相当于提供额外的能量辅助破岩，提速提效效果十分显著。例如美国阿特拉公司生产的扭力冲击器在大庆肇深19井同比提高机械钻速达71%[5]。参数自优化工具主要是通过自动调整钻压、转矩参数，实现PDC钻头的快速钻进。参数自优化工具典型产品为Tomax公司生产的衡转矩钻井工具，该工具在挪威Ula油田应用，提高机械钻速30%，节约钻井周期6 d[6]。相对冲击工具，衡转矩钻井工具的提速效果略差，但是在结构、适用性上，衡转矩钻井工具优势明显。冲击工具内部驱动结构复杂，对钻井液介质要求高，容易损坏；衡转矩钻井工具为全机械驱动，结构简单；冲击工具常常需要配套专用钻头，成本较高；衡转矩钻井工具配套常规钻头即可。

基于参数自优化研制的衡转矩钻井工具在吉林、长庆、冀东地区进行了4口井应用。试验结果表明，衡转矩钻井工具设计合理、性能可靠，操作简单，可满足直井和定向井工程需求，能够有效解决PDC钻头在难钻地层寿命短、机械钻速低等难题。

1 技术分析

1.1 结构组成

衡转矩钻井工具主要由上接头、弹簧套、弹簧、连接接头、螺旋套、螺旋芯轴及密封套等组成。如图1。

其中上接头、弹簧套、弹簧、连接接头组成蓄能总成，弹簧在轴向力的作用下可自由伸缩、进行能量的存储及释放；螺旋套、螺旋芯轴及密封套组成传动总成，螺旋套、螺旋芯轴(如图2)通过9头螺纹配合在一起，在钻井转矩和钻压的作用下能够旋转移动，控制钻井钻压及转矩；密封套用来密封螺旋机构的润滑油。

1—上接头；2—弹簧套；3—弹簧；4—连接接头；5—螺旋套；6—螺旋芯轴；7—密封套。图1 衡转矩钻井工具结构示意

图2 螺旋芯轴

1.2 工作原理

衡转矩钻井工具采用弹簧+螺旋导向机构的机械传动方式实时存储、释放钻井转矩能量，通过对钻头的破岩能量实时优化，实现钻井转矩波动的“消峰填谷”，平稳钻进。当PDC钻头钻遇夹层时，破岩转矩增大到工具设定转矩值时，传动总成螺旋机构破岩转矩转化为轴向力，进而压缩弹簧蓄能，降低钻压；当破岩转矩不足工具设定转矩值时，传动总成螺旋机构将存储的转矩转化为轴向力，伸长弹簧释能，提高钻压[7]。

1.3 主要技术参数

衡转矩钻井工具有效长度4 089 mm，最大外径178 mm，水眼直径60 mm，最大工作转矩20 kN·m，平衡转矩4～10 kN·m，最大工作拉力1 600 kN，最大工作温度150 ℃，两端连接扣型NC50。

1.4 关键技术

螺旋导向机构是衡转矩钻井工具调整钻压和转矩的关键机构。其在钻压及转矩交变载荷的恶劣工况下往复运动，它的性能好坏直接决定工具的使用效果。通过优化，选取螺旋导向机构螺旋升角α为45°；螺旋副表面采用氮化处理增加耐磨性，且采用硅油油浴润滑，可消除螺纹粘扣、抱死及拉伤等问题。同时，螺旋副油腔设计了恒压润滑结构，使得螺旋副在运动过程中，润滑油一直保持恒压力，钻压转矩调整完全依靠弹簧，增强结构可靠性。

2 试验

2.1 室内试验

2.1.1钻压转矩性能

利用钻具综合测试试验台架，分别对工具进行50、60、70 kN 3种设计钻压下的转矩测试，测试曲线如图3所示。由图3可知，50 kN钻压下平衡转矩5～11 kN·m；60 kN钻压下平衡转矩4～10 kN·m；70 kN钻压下平衡转矩3～9 kN·m。可见转矩增大时钻压降低，转矩释放时钻压升高，验证了工具工作原理的合理性。

图3 钻压-转矩测试曲线

2.1.2抗拉能力

利用拉拔台架对工具进行了拉载性能测试

(如

图4)。工具设计抗拉载荷1 600 kN，试验加载1 700 kN，拆卸后各部件完好，满足设计要求。

图4 抗拉性能测试现场

2.2 现场试验

自2015年以来，衡转矩钻井工具先后在吉林油田、长庆油田、冀东油田先后施工了4口井，效果显著。典型井施工数据如表1。

现场试验结果表明，衡转矩钻井工具具有以下特点：①能够有效平衡钻井转矩，井口转矩波动量最大为5 kN·m；②能够有效提高钻头进尺，其中在庆1-14-68井最大提高100%以上；③该工具应用累计进尺2 200 m，累计纯钻进时间500 h，使用可靠性高，零故障率；④工具适用性强。除了可在直井应用外，还可配合螺杆钻具和定向仪器在水平井和定向井中应用，且不影响定向仪器信号传输。

表1 典型井施工数据

3 结论

1) 衡转矩钻井工具设计合理，性能可靠，通过实时优化，钻压转矩能量能够消除“憋跳钻”问题，有效解决了PDC钻头在难钻地层寿命短、机械钻速低等难题。

2) 衡转矩钻井工具适用性强，不仅适用于直井，还可以配合螺杆钻具及定向仪器或者旋转导向钻井工具应用于定向井中，且不影响定向信号传输。

3) 衡转矩钻井工具在夹层地层钻井时效果显著，可有效减少转矩波动，保护钻头。

[1] 张晓东，易发权，张强，等.PDC钻头与岩石相互作用规律试验研究[J].江汉石油学院学报，2003，6(25)：64-65.

[2] 韦忠良，陈庭根.PDC钻头钻进时转矩影响因素研究[J].石油钻探技术，1995，23(1)，50-51.

[3] 韩春杰，闫铁.大位移井钻柱“ 粘滞-滑动” 规律研究[J].天然气工业，2004，24(11)：58-60.

[4] 韩飞，郭慧娟，戴杨，等.PDC钻头转矩控制技术分析[J].石油矿场机械，2012，41(12)：69-71.

[5] 郑瑞强.液动旋冲工具的研制[J].石油机械，2017，45(1)，30-33.

[6] Knut Sigve Selness.Drilling Difficult Fomations effi-Eciently With the Use od an Anti-stall Tool[R].SPE/IADC 111874，2008.

[7] 韩飞，黄印国，秦建兵，等.衡转矩钻井工具在长庆油田的应用[J].石油矿场机械，2016，45(3)，83-85.

DevelopmentofTorqueBalancerTool

HAN Fei1，ZHU Yingjie1，NIU Zengqiang2，LIANG Guohong1

(1.DrillingResearchInstitute，CNPC，Beijing102200，China；2.BohaiEquipmentManufacturingCo.，Ltd.，CNPC，Tianjin300272，China)

Serious bit bouncing and stick slip problems in drilling hard formation with PDC bit often results in low ROP and bit footage，which decreases ROP and drilling footage.The torque balancer tool can store and release torque energy by spring and helical pair，realize drilling with PDC bit smoothly.The field test results show that tool has a rational design structure，reliable working performance and easy operation，which can effectively decrease drilling torque fluctuation，increase drilling footage and ROP per bit in both vertical and directional drilling with PDC bit.

PDC bit；torque balancer tool；ROP

1001-3482(2017)06-0072-03

2017-05-12

中国石油集团公司科技项目“水平井减阻降扭与管外封隔器等新工具研制”(2014B-4314)

韩 飞(1982-)，男，辽宁葫芦岛人，工程师，硕士，现从事石油钻井装备与工具研究工作，E -mail：hanfeidri@cnpc.com.cn。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.015