PDC钻头扭转振动减振工具设计及现场应用

查春青，柳贡慧，，李 军，席 岩，汪 伟

(1.北京工业大学，北京 100124；2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引 言

PDC钻头是目前应用较广的钻头之一，PDC钻头在遇到严重的扭转振动时，易出现崩齿、损坏等情况，大幅缩短使用寿命，增加钻井成本[1-5]。扭力冲击器被认为是一种有效抑制PDC钻头黏滑振动的工具[6-10]。目前，该类工具在钻井现场得到了较为广泛的应用，其在钻遇硬质地层时效果较好，但对软地层及软硬交错地层的使用效果不是很明显。一些学者研制了针对PDC钻头的减振工具，如恒扭矩工具、防憋钻工具、随钻恒扭器等[11-13]，该类工具的工作原理类似：当钻头处钻压出现波动时，会通过工具内部的螺旋及碟簧储能机构将其转换为扭矩，实现调节钻头转速的作用。目前该类工具在钻井现场得到了应用，如塔河油田、四川盆地，取得了较好的使用效果，但也存在一些问题，如该工具在不同地层、不同施工参数情况下的减振效果差别较大，与PDC钻头匹配关系不确定等。这些问题的关键原因是对该类工具的减振机理及参数设计理论研究不足，使得该类工具在设计和使用过程中存在一定的盲目性和经验性。为了更加科学地指导该类工具的设计及使用，基于笔者设计的扭转振动减振工具[14]，对其减振机理及关键参数进行了分析计算，根据理论分析结果对工具进行了优化设计，并进行了现场试验，对其减振及提速效果进行了验证。

1 扭转振动减振工具的理论分析

1.1 扭转振动减振工具的结构

设计的扭转振动减振工具的结构如图1所示，主要由上部短节、驱动短节、外壳体、碟簧与钻头座组成，驱动短节和钻头座之间通过螺旋导轨连接，两者之间可以相互旋转。该工具左端接钻铤，右端接PDC钻头或者井下动力钻具，正常工作时，该工具起到接头的作用。

当钻压恒定时，碟簧的压缩量为恒定值。当钻压出现波动时，驱动短节的轴向载荷出现变化，驱动短节会绕着钻头座上端的螺旋导轨进行旋转，改变碟簧的压缩量。当钻压突增时，向下的轴向力使得驱动短节向下运动，并驱动钻头座沿着螺旋导轨顺时针(与钻杆转动方向相同)转动，将一部分轴向力分解为切削扭矩。

图1 研制的扭转振动减振工具结构

1.2 扭转振动减振工具的工作原理

在钻进过程中，钻压的波动会造成PDC钻头的扭转振动，同时，PDC钻头转速的波动会造成钻压的波动，即钻压的波动和转速的波动会相互影响[15-17]。

根据扭转振动减振工具的结构及作用，为了更加直观地分析其工作原理，将其简化为如图2所示的原理图。

图2 扭转振动减振工具的工作原理示意图

由图2可知，转盘以一个恒定的转速Ω转动，并带动PDC钻头转动，PDC钻头处受到一个反向的阻力扭矩Tr，其中，弹簧a为扭转振动减振工具的螺旋导轨，弹簧b为钻柱系统。在没有扭转振动的情况下，转盘的转速和PDC钻头的运动速度相等，两者之间的弹簧a、b的伸长量为恒定值；当PDC钻头的转速出现波动时，该工具可以通过弹簧a带动连杆机构，调节作用在PDC钻头上端的力，进而调节PDC钻头的转速。

具体工作原理为：当岩石硬度突增或钻压突增，PDC钻头处的阻力扭矩突增，使得PDC钻头转速降低，弹簧a伸长量增大，连杆机构顺时针向上提拉PDC钻头，使得PDC钻头切入岩石的深度减小，降低PDC钻头和岩石之间的摩擦力，最终起到增大PDC钻头转速的作用；反之，则会减小PDC钻头转速。

扭转振动减振工具是一个闭环的减振系统，该工具的使用，会对钻头处的钻压和转速进行平衡调节，最终避免钻头处出现过大的转速波动，即严重的扭转振动。

2 扭转振动减振工具的参数设计

2.1 PDC钻头与岩石之间的相互作用

钻压是指作用在钻头处的压力，在实际钻进过程中，其值为[18]：

(1)

式中：W(t)为钻头处的钻压，N；x为钻杆的长度，m；Ka为钻柱的轴向刚度，N/m；s为钻头正好接触井底时钻杆的拉伸长度，m。

在钻进过程中，增加的钻压会增加PDC钻头的切削深度，同时，增加PDC钻头和岩石之间的摩擦力，使得PDC钻头处的阻力扭矩增大。

PDC钻头切削部分主要是由若干个刀翼以及设置在刀翼上的切削齿组成，切削齿是PDC钻头破岩的主要结构，其切削深度和钻压之间的关系为[16，19]：

(2)

PDC钻头处的扭矩和钻压之间的关系为[13]：

(3)

式中：d(t)为切削深度，m；σ为接触应力，MPa；a为钻头半径，m；l为摩擦面的长度，m；ζ为切削面上钻压与扭矩之间的关系参数，与钻头的形状有关；ε为与岩石硬度相关的系数，表示单位体积的岩石被破坏所需要的能量，MPa；Tr为钻头处的扭矩，N·m；γ为与钻头结构有关的参数，一般取值为4/3>γ≥1[20]；μ为钻头与岩石之间的摩擦系数；β为与地层及后倾角有关的参数[15，20]。

2.2 扭转振动减振工具的关键参数设计

扭转振动减振工具的设计关键是转速和钻压之间的转换关系，即式(3)中拉伸长度与转速之间的比值，也是变化的扭矩和钻压进行相互转换的比值。图3为扭转振动减振工具中钻头座的螺旋导轨的受力分析图。

图3 扭转振动减振工具螺旋导轨受力分析

假设钻压突然增加了ΔW，如果不考虑钻头与岩石之间的接触，此时增加的钻压理论上会使得钻柱长度缩短：

(4)

钻头处的阻力扭矩增加值为：

(5)

增加的阻力扭矩，会降低钻头的转速，增大钻头和转盘之间的角度差，增大值为：

(6)

式中：Δφ为钻杆和钻头之间角度差的变化值，rad；Kt为钻杆的扭转刚度，N·m/rad。

综合式(4)、(5)、(6)得到：

(7)

式中：k为螺旋导轨处切向和轴向位移的比值；R为工具螺旋导轨处的等效半径，m。

螺旋导轨螺旋角的表达式为：

(8)

式中：α为螺旋导轨的螺旋角，°。

扭转振动减振工具中螺旋角是工具设计的关键，直接影响着工具的减振效果。如果所选工具的螺旋角较大，即当钻头出现转速波动时，波动扭矩转换成的钻压较小，不足以完全抑制钻头的扭转振动；反之，当所选工具的螺旋角较小时，会使得波动扭矩转换成的钻压过大，钻头的最低转速偏小，减振效果不佳。

根据式(8)可知：设计螺旋角时需要综合考虑钻柱系统的轴向刚度、扭转刚度、钻头的参数以及岩石参数；当轴向刚度越大、扭转刚度越小、钻头直径越大、后倾角越大以及岩石硬度越高，所需的α值越大。

现场应用中，为了达到抑制PDC钻头扭转振动的最佳效果，需要根据实际情况(钻具组合、钻头参数及地层参数)对扭矩减振工具的螺旋导轨螺旋角进行优选。

3 现场试验

扭转振动减振工具在山西某区块A井进行试验，该井为定向井，试验层位埋深为180～1 564 m。采用的钻头为5刀翼单排PDC钻头；所使用的钻井液密度为1.13～1.24 g/cm3；钻压为8～10 kN；钻井液排量为35 L/s；所钻地层为煤岩，并含有一部分的砂砾岩与砂质泥岩夹层；采用螺杆+转盘的复合钻进方式。

根据实际钻进工况，并参考文献[2]，式(8)中的计算参数为：Ka=7×105N/m，Kt=938 Nm/rad，R=0.108 m，ξ=0.6，μ=0.6，β=0.3，γ=1。

根据式(8)计算出最佳导轨螺旋角为66 °。根据已有的型号，为了得到最佳的使用效果，优选导轨螺旋角为70 °(与最佳导轨螺旋角最接近)的扭转振动减振工具。

该工具的主要技术参数为：外径为172 mm，内径为46 mm，长度为2 600 mm，芯轴伸缩量为140 mm。

为了使得减振效果最大化，该工具需尽可能地安装在近钻头处。考虑工具长度较长，如果安装在螺杆钻具和PDC钻头之间，会影响造斜，因此，结合钻井设计及工具特点，将该工具安装在螺杆钻具上端。

该工具的累计工作时间为105 h，平均机械钻速为13.01 m/h，实现了一趟钻柱完成二开钻进。图4为试验后PDC钻头5个刀翼的照片。由图4可知，起出后的PDC钻头刀翼侧部的部分切削齿出现正常的磨损，但主切削齿没有出现崩齿破坏，该PDC钻头的新度较高，符合再次入井标准。邻井在该层位共使用了2个同类型的PDC钻头，纯钻进时间为132 h，该层位的平均机械钻速为9.75 m/h。与邻井同层位相比，采用扭转振动减振工具后，平均机械钻速提高了33.44%，另外，该工具的使用节省了一个PDC钻头和一次起下钻的非钻进时间。

图4 使用扭转振动减振工具后PDC钻头刀翼的照片

现场使用情况表明，该工具能有效地抑制PDC钻头的扭转振动，提高PDC钻头的使用寿命及机械钻速。

4 结论与建议

(1) 设计了能抑制PDC钻头扭转振动的减振工具，建立了扭转振动减振工具的减振模型，对其减振机理进行了分析，验证了其原理的可行性。

(2) 结合扭转振动减振工具的工作原理及PDC钻头与岩石的接触模型，建立了扭转振动减振工具的最佳螺旋角的计算模型。最佳螺旋角度值与钻柱系统轴向刚度、钻头直径、岩石硬度成正比，与钻柱系统的扭转刚度及PDC钻头后倾角成反比。

(3) 根据计算模型及钻井现场的工况，优选了螺旋角为70 °的扭转振动减振工具进行了现场试验。试验结果表明，该工具能有效地抑制钻头的扭转振动，提高PDC钻头的使用寿命；与邻井同层位相比，采用扭转振动减振工具后，平均机械钻速提高了33.44%。

(4) 扭转振动减振工具的螺旋导轨的螺旋角的计算模型是基于其直接安装在PDC钻头上端的情况，而目前实际应用中，一般需要结合井下动力钻具使用。因此，为了更好地与实际情况相结合，在螺旋导轨螺旋角的计算模型中需要考虑其安装位置，提高其普适性。