PDC钻头扭转振动特性分析及减振工具设计

为了抑制PDC钻头在钻进过程中的扭转振动,建立了PDC钻头的扭摆模型,对PDC钻头切削齿切削岩石时的受力情况进行了分析,得出钻压和扭矩之间的关系,分析了钻压的波动对PDC钻头扭转振动的影响,根据分析结果设计了PDC钻头扭转振动的减振工具,给出了工具中螺旋升角的设计准则。研究结果表明:钻压的波动会直接造成PDC钻头的扭转振动,且钻压的波动幅度越大,PDC钻头的扭转振动越严重。设计的减振工具是通过将一部分波动的钻压转换为切削扭矩的方式来实现钻头处扭矩的平衡,从而抑制扭转振动,工具中螺旋升角的取值与PDC钻头切削齿的后倾角相关且成反比。研究结果为抑制PDC钻头的扭转振动提供了理论依据。     

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。      

PDC钻头扭矩控制技术分析

PDC钻头在钻遇硬地层时,扭矩波动较大、蹩跳钻现象严重,产生的剧烈振动载荷大幅降低了钻头的使用寿命,并降低了机械钻速。通过对国外先进PDC钻头扭矩控制技术的分析,提出了国内同类技术研究的建议。     

随钻恒扭器在TH121125井的试验

塔河油田12区深部硬地层在钻井过程中,常因PDC钻头黏滑振动造成机械钻速较慢.为解决该问题,在TH121125井1 204.00~4 845.00 m井段试验应用了随钻恒扭器.结果表明:试验井段的扭矩波动小,比较平稳;与邻井相同井段相比,机械钻速提高了20.56%~59.65%,钻井周期缩短了21.08%~41.39%;试验井段的最大井斜角仅1.07°,最大井径扩大率仅6.42%,与邻井相比井身质量得到明显提高.试验结果表明,应用随钻恒扭器可以有效消除PDC钻头的黏滑振动,保护钻头及钻柱,有利于防斜打快,提高钻井速度.      

PDC-牙轮复合钻头在南堡油田大斜度井的应用

南堡油田大斜度井采用PDC钻头或牙轮钻头进行定向钻进时,存在摩阻大、托压严重、扭矩波动大和工具面不易摆放等问题,为解决该问题,应用了将PDC钻头和牙轮钻头优点结合在一起的PDC-牙轮复合钻头,并根据该油田地层的特性,对其进行个性化设计,设计了"2 PDC固定刀翼+2牙轮"和"4 PDC固定刀翼+2牙轮"2种切削结构的PDC-牙轮复合钻头。"2牙轮+2 PDC固定刀翼"复合钻头和"4 PDC固定刀翼+2牙轮"复合钻头分别在NP2-33井和NP5-28井进行了现场试验,在定向钻进过程中均未出现托压现象,工具面稳定,扭矩波动幅度小,造斜性能与牙轮钻头相当,机械钻速与进尺均大幅提高,且返出岩屑粒度大,岩屑分选性好,有利于判别地层岩性和录井。现场试验表明,应用PDC-牙轮复合钻头能解决南堡油田大斜度井定向钻进时托压严重、扭矩波动大和工具面不易摆放等问题,为提高大斜度井定向井段的钻速提供了一种新技术。      

扭力冲击器设计与仿真分析

PDC钻头在深部硬地层钻进时存在蹩跳钻现象严重、单只钻头进尺低及机械钻速低等问题。为此,开设了扭力冲击器设计工作,并对工具的水力特性进行了仿真及室内测试。扭力冲击器主要通过水力切换总成、冲击总成及放掉总成实现对钻头的周期性扭矩冲击。流场仿真及室内测试结果表明:扭力冲击器高、低压腔快速切换表明其结构设计合理,能够通过启动锤的快速运动实现冲击锤反复冲击;扭力冲击器能够正常运转并提供稳定的高频扭矩,且启动流量不低于5. 4L/s。所得结论为扭力冲击工具的优化设计及现场应用提供了参考。     

深井小井眼定向随钻扩孔技术研究与应用

深井小井眼斜井段钻后扩孔存在扭矩大、工具易折断、周期长、扩孔效果差等技术难题,为此,开展了定向随钻扩孔研究与试验。在分析国内外主要扩孔工具的特点和现场应用效果的基础上,优选CSDR型双心钻头作为扩孔工具,配套475K4570型可调式单弯螺杆钻具为其提供动力。根据水功率合理分配原则,优化了钻头喷嘴组合和水力参数,在THA井进行了现场试验。THA井一趟钻钻进153 m,成功实现了井斜14.13°~42.50°段内的定向随钻扩孔,作业段井眼轨迹平滑,平均全角变化率5.554°/30m,平均井径173.99 mm,作业周期较设计周期缩短50%。现场试验表明,双心钻头配合螺杆动力钻具可以实现深井小井眼大斜度段的定向随钻扩孔作业,扩孔效果好,作业周期短,是进行斜井段扩孔作业的有效技术手段。      

随钻恒扭器的研制及现场应用

钻井过程中扭矩的波动容易导致钻柱自激振动、井下钻具扭断,甚致使顶驱或转盘憋停、螺杆钻具滞动,进而导致频繁的上提钻具以及泵压的大幅波动,影响钻进效率。为此,研制了随钻恒扭器,并将其在塔河油田进行了现场应用。随钻恒扭器主要由密封机构、储能机构及压扭转换机构组成,具有过载卸载及减振保护功能。工作时压扭转换机构会在大扭矩及差速的作用下发生转动,并使储能机构产生压缩,此时下部钻具会被提升一定距离,释放部分反扭矩,整个过程中部分扭矩被储存到储能机构并随着反扭矩的减小而逐步释放。现场应用结果表明,随钻恒扭器对钻井扭矩可以起到"消峰填谷"的作用,有利于稳定泵压,减少失速,有效保护钻头。     

PDC钻头扭转振动减振工具设计及现场应用

针对PDC钻头的扭转振动,设计了PDC钻头扭转振动减振工具。为了科学指导该工具的设计及使用,建立了工具的工作原理模型,对其减振机理进行了分析;基于PDC钻头处扭矩和钻压之间的关系,建立了减振工具螺旋导轨最佳螺旋角的计算模型,根据该模型优选了工具的螺旋角,并通过现场试验验证了该工具的减振及提速效果。理论分析表明：减振工具能通过螺旋导轨及碟簧机构自动调节钻压和PDC钻头的转速,抑制PDC钻头的扭转振动,并将一部分振动载荷转换为用于破岩的切削扭矩,提高机械钻速;减振工具的最佳螺旋角度与钻柱系统轴向刚度、钻头直径、岩石硬度成正比,与钻柱系统扭转刚度及PDC钻头后倾角的角度成反比。现场试验结果表明：试验过程中,PDC钻头未出现崩齿破坏;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%。扭转振动减振工具能有效抑制PDC钻头的扭转振动并起到提速效果,可推广应用。     

恒钻压钻井工具设计与试验研究

随着油田开发的不断深入，井身轨迹越来越复杂，定向托压问题日益严重，托压频繁释放导致钻头钻压剧烈波动，造成定向工具面不稳，定向钻进困难，降低了钻进速度，严重影响了钻井施工效率。为解决上述问题，文章设计了一种恒钻压钻井工具，该工具有“液力加压+液压阻尼+弹性储能”多重作用机构，保证在作用范围内，其上方钻具处于“悬浮状态”,托压释放时产生的瞬时冲击力不会传递到钻头上，减小钻头钻压波动，进而保证工具面稳定，持续定向钻进。X1井现场应用中，工具入井140 h,纯钻进96.5 h,工具、钻头等无明显损伤，托压至100 kN以上，井下钻压记录仪器(IDD)显示当地面钻压波动较大时，而近钻头钻压波动较小，工具面能够保持稳定，有效提高了钻井施工效率，展示了良好的使用性能及应用前景。