PDC钻头防失速工具在复杂地层中的应用

张 辉，蔡文军，吴仲华

（中石化胜利石油工程有限公司 钻井工艺研究院，山东 东营257017）

PDC钻头防失速工具在复杂地层中的应用

张 辉，蔡文军，吴仲华

（中石化胜利石油工程有限公司 钻井工艺研究院，山东 东营257017）

为防止钻井工程中PDC钻头卡滑产生的冲击能量达到损坏级别，优化岩石切削效率，研制了一种PDC钻头防失速工具。该工具设计有使旋转运动（超出设定转矩时）转化为直线运动的机械结构，能够实时自动调整钻进转矩，减少钻具振动，防止马达失速、随钻测量仪器损坏和井下工具磨损，并提高机械钻速。介绍了PDC钻头防失速技术的原理和工具结构。该工具在深井、复杂地层中的应用达到了预期效果。

PDC钻头；防失速工具；转矩

在一些新探区，油气藏埋藏深，地层坚硬，研磨性强，机械钻速低，钻井提速一直是现场面临的技术难题。PDC钻头在钻进过程中，特别是钻遇软硬交错地层时，容易发生卡滑现象，引起钻头和钻具的频繁憋跳和扭振，导致钻头崩齿、损坏、钻具断脱、井下钻井工具（旋转导向系统、垂钻系统）和随钻测量仪器的损坏。

PDC钻头防失速工具是为了改善钻具工作状态，并增加破岩能量而设计的，可以提高PDC钻头的工作稳定性、防止钻头损坏、延长钻头寿命和增加钻头破岩能量、提高钻头破岩效率。为现场提供钻井提速新技术，解决现场亟需的钻井提速技术难题，加快新探区勘探开发速度［1-3］。因此，开展PDC钻头防失速工具的研究具有重要的现实意义。

1 PDC钻头防失速技术

PDC钻头防失速技术是通过使旋转运动（超出设定转矩时）转化为直线运动的机械结构，对PDC钻头破岩过程进行有效的控制，即转移钻井过程中产生的能量，防止冲击能量达到损坏级别，从而保持钻具组合完好和优化岩石切削效率。PDC钻头防失速工具是一种以实时自动调整钻进转矩为目的的井下工具，最初由To max AS公司针对连续油管应用研发的井下工具，已证明它除了具有减少振动、马达失速、设备失效和井下工具磨损的能力外，还可以提高机械钻速和钻头进尺。后来对该工具进行改进，应用于旋转钻井施工中，目的是消除在复杂地层中由钻头引起的转矩波动和钻具失速以及由此带来的有害影响［4］。

作为底部钻具组合（BHA）的组成部分，PDC钻头防失速工具可以快速持续地阻止钻头制动，从而限制严重卡-滑振动的形成。这种井下工具的工作原理是将增大的将引起钻头蹩钻的钻进转矩转化为BHA的轴向收缩，使钻头的钻压立刻降低。钻压的快速降低使钻头切削齿吃入地层的深度减少，从而维持钻头继续旋转。转矩转化轴向收缩运动是通过多道内外螺旋线啮合实现的，类似震击器的缩径部位在轴向收缩变短，同时位于收缩短节上部、工具本体内的高强度弹簧压缩储能，之后弹簧吸收的能量会反馈给钻头，在转矩变小时对钻头施加压力，从而维持一个恒定的扭转载荷，这种能够吸收与释放能量的系统可以实现连续不断地工作。PDC钻头防失速工具结构如图1所示，当转矩超过预定值，导致多道外螺旋线芯轴和内螺旋线本体通过螺旋副将旋转运动变成直线运动，产生向上力超过预紧力时，使外螺旋线芯轴在与之啮合内螺旋线本体上转动，工具芯轴缩径部位收缩，钻柱变短，钻头被逐渐提离井底直至恢复到全转速状态，当作用于工具上的转矩降低时，工具将通过螺旋副相应地伸长，钻头将始终保持相对恒定转矩平稳地钻进。

图1 PDC钻头防失速工具

PDC钻头防失速工具尽可能放置在距离钻头最近的位置，一般根据旋转导向系统和随钻数据传感器的数据反馈的需要放置在随钻测量仪器（MWD）之上（如图2），特殊作业通常根据实际情况加在磨铣铣锥或扩眼器之上［3］。

图2 PDC钻头防失速工具

2 技术特点

PDC钻头防失速工具是一个动态的、自动检测响应的井下机械系统，该系统通过钻压来有限控制钻头的切削深度，使用旋转转矩作为输入控制参数，通过简单有效的方式有效抵消地层软硬交错产生的转矩突然变大和粘滑。

2.1 持续防止钻头失速

PDC钻头防失速工具是基于钻井转矩升高至失速之前，引起轴向收缩，导致钻压立即降低，快速减少的钻压能充分减少钻头切削深度而保持钻头旋转，如图3所示。随着收缩，在外螺旋线芯轴缩径部分上部与内螺旋线本体内部空间放置有高性能弹簧，弹簧受到压缩吸收能量后通过螺旋副系统反馈给钻头，依次来保持一个稳定的转矩负载，吸收和释放能量连续的过程使此系统可以持续工作，无需重新设置。

图3 PDC钻头防失速工具

先导试验给出了在444.5 mm（17⅟²英寸）井眼中使用PDC钻头防失速工具前后关于扭转振动（粘滑）的井下记录［6］（如图4），该井在钻遇到异常复杂地层后，经过几次起下钻更换不同类型钻头钻进，效果不理想，使用PDC钻头防失速工具下钻至井深2 567 m改变机械钻速。加入PDC钻头防失速工具前后两趟钻的钻具组合是完全一样的，两者井深几乎相同，地层一致，此外两趟钻的钻进参数尽量保持一样，这样钻进性能的改善都因于PDC钻头防失速工具的加入，图4数据显示了粘滑振动得到明显减少。使用PDC钻头防失速工具后，使PDC钻头崩齿、提前损坏现象减少（如图5）。PDC钻头防失速工具可以在蹩钻钻压载荷下灵活调整钻头转矩，无需调整工具结构或干预钻台操作参数。

图4 使用工具前后两趟钻卡滑-机械钻速-转速对比

图5 使用工具前后钻头对比

2.2 保持转矩最优并恒定

现场测试工具预防卡-滑的效果，证明该工具有能力为钻头提供一个更加稳定的扭转载荷。该工具只在钻头切削齿即将发生制动的那一刻才开始工作，通过这种方式持续地对转矩的稳定性进行优化，这给钻进速度带来成倍的提高。该工具在现场测试中，机械钻速提高了2倍，后来的现场实际应用也取得了同样的效果，改善效果最好的情况发生在那些卡-滑最严重的井眼。

扭转振动可能来自钻柱与井壁之间的相互作用，这样的振动在碳酸盐之类的具有高摩擦因数的地层中会异常强烈，从而引起角速度的剧烈变化，对随钻测量仪器加速度计测量数据造成严重干扰。上述情形下，在底部钻柱受到压缩时便会出现最为严重的振动，其结果是无法分清振动是由钻头引起的还是由钻柱与井壁之间的摩擦引起的，如果在这种情况下应用PDC钻头防失速工具，防失速技术的闭环作用便会解除上述两个振动源之间的相互耦合作用，这可防止应力与振动在BHA最底端的积聚，而这个位置就是MWD、旋转导向工具等精密井下仪器所在的位置，这种情形下防制动工具能够使输入给钻头的振荡能量更加平稳，从而获得最佳的钻头破岩效率和最高的机械钻速。

3 现场应用

PDC钻头防失速技术在油田的应用正在不断增加，表1给出了防失速工具配合旋转导向系统的应用分布情况［6-7］，以及和随钻扩眼器的配合使用情况。广泛的现场研究与科学的数据统计清楚地展示了这种新方法对振动程度的降低作用和其他一些益处。2011年对其中一家钻井技术服务公司78次应用进行统计结果表明，由于采用了防失速工具，由振动造成的井下工具失效问题减少了50%，机械钻速得到了相应的提高，应用过程中没有出现负面的影响。

表1 PDC钻头防失速工具配合旋转导向系统的应用情况

目前可以在PDC钻头防失速工具内部安装自动记录仪来测量实际的工作载荷以及轴向位移，从而可以更好地了解闭环系统工作过程进而改进工具结构，对钻头的切削深度进行动态的控制，从而在复杂井段钻井节省时间与费用。

3.1 挪威Oseberg South油田

为了改善钻井的经济性，设法提高难钻、研磨、部分石灰岩胶结泥砂岩地层的钻井速度，Oseberg South油田F-27水平井应用215.9 mm（8⅟²英寸）PDC钻头防失速工具配合旋转导向系统并且在钻具上接241.3 mm（9⅟²英寸）随钻扩眼器（刀片镶PDC齿），工具在井下工作24 h后起钻出井，为了对比分析钻进效率，第2趟钻未接工具，其余钻具组合是完全一致，两趟钻的钻进参数尽量保持一样，尽管是在90°井斜、3 800 m以上的井深，记录数据显示使用工具使转矩小而平稳，并且机械钻速得到明显提高（如图6）。

图6 Oseber g South油田F-27水平井使用171.45 mm（6■⁴英寸）工具前后井段数据

3.2 挪威海上Asgar d油田

挪威Smorbukk南部Asgar d油田区块是有名的钻井难度最大的区块之一，挪威国家石油公司使用PDC钻头防失速工具提高难钻、研磨、部分方解石胶结砂岩地层高温／高压开发井的钻井速度。在海上半潜式钻井平台West Alpha 215.9 mm（8⅟²英寸）井眼中应用工具，同样显示井下转矩平稳。粘卡振动值通过MWD系统显示在钻台屏幕上（如图7）：0-1级为绿色（转矩平稳）、2-4级为黄色（转矩波动）、5-6级为红色（一般卡滑）、7级为紫色（严重卡滑）。带PDC钻头防失速工具钻进时，卡滑值立刻从红色降到黄色水平，进一步调整钻进参数后卡滑值在绿色区域范围。该井段实现了一趟钻一次性完成钻进至目标靶区，比预定钻井周期减少25 d［5］。还在该井带PDC钻头防失速工具进行了取心作业，同样获得成功。

图7 West Alpha钻井平台使用172 mm（6■⁴英寸）工具前后MWD测试卡滑值

4 结论

1） 现场应用经验表明［5-8］，PDC钻头防失速工具能够减少井底环境中钻柱的粘卡振动、提高机械钻速和保护PDC钻头，可以极大地改善勘探开发钻井的经济性。

2） PDC钻头防失速工具在井下扭转憋跳严重的情况使用，例如锻铣、开窗或扩眼等特殊作业中，可以最大化保护井下管柱。

3） 通过利用PDC钻头防失速工具，能够更优化采用先进精密的井下仪器、数据传输和压力控制等系统，这些系统对于采收率的持续提高至关重要。

4） 今后的发展方向是在内部安装自动记录仪，测量实际的工作参数。研发能与MWD仪器互补结合的系统。

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［3］ 周燕，金有海，董怀荣，等.SLTIDI型钻井提速工具研制［J］.石油矿场机械，2013，42（1）：67-70.

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Application of the PDC Bit Antistall Tool in Drilling Difficult For mations

ZHANG Hui，CAI Wen-jun，WU Zhong-hua
（Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257017，China）

The develop ment of PDC bit antistall tool ai ms at preventing the drilling produced destr uctive levels ener gy to avoid t he resultant har mf ul effects and opti mizing t he cutting efficiency.PDC bit antistall tool is a mechanical downhole tool which ai ms to adj ust the drilling torque automaticall y in real ti me，The tool can reduce vibrations，motor stalls，equip ment fail ures and general wear，in addition to increasing the penetration rate and r un length.The goal of the tool is to eli minate cutter-induced tor que variations and string stalls in difficult f or mations.In addition，t he develop ment trend is proposed.

PDC bit；antistall tool；tor que

TE921.107

B

1001-3482（2014）06-0045-04

2013-12-15

中石化石油工程有限公司科研项目“PDC钻头防蹩钻工具研制”（SG1301-02K）部分内容

张 辉（1979-），男，辽宁昌图人，工程师，硕士，2008年毕业于中国石油大学（北京），现主要从事井下工具研发工作，E-mail：zhanghui211.slyt＠sinopec.co m。