静态推靠机械式垂钻工具动静盘阀设计及缝隙流分析

马广军; 唐章伟; 孙峰

doi:10.11911/syztjs.2025047

静态推靠机械式垂钻工具动静盘阀设计及缝隙流分析

马广军^{1, 2,},
唐章伟³,
孙峰^{1, 2}

1.
页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室，北京 102206
2.
中石化石油工程技术研究院有限公司，北京 102206
3.
湖南省地质灾害调查监测所，湖南长沙 410029

基金项目: 国家重点研发计划项目“复杂油气智能钻井理论与方法”（编号：2019YFA0708300）、中国石化科技攻关项目“静态推靠机械式垂钻工具研制”（编号：P12075）资助。

详细信息

作者简介:
马广军（1975—），男，河南新蔡人，1998年毕业于郑州工业大学化工过程机械专业，2016年获中国石油大学（华东）油气井工程专业博士学位，高级工程师，主要从事钻井工艺技术方面的研究工作。E-mail：magj.sripe@sinopec.com

中图分类号: TE921⁺.2
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出版历程
- 收稿日期: 2024-10-30
- 修回日期: 2025-03-11
- 网络出版日期: 2025-04-07

Design and Crevice Flow Analysis of Static Thrust Vertical Drilling Dynamic and Static Disc Valve

MA Guangjun^{1, 2,},
TANG Zhangwei³,
SUN Feng^{1, 2}

1.
State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development, Beijing, 102206, China
2.
Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing, 102206, China
3.
Hunan Province Geological Disaster survey and Monitoring Institute, Changsha, Hunan, 410029, China

摘要

摘要:
为解决深井、超深井等钻井过程中复杂工况下防斜打直的技术难题，确定了可在高温、强振条件下经济、安全、可靠使用的静态推靠机械式垂钻工具的研制思路，对其关键组件动静阀盘组进行了摩阻力计算，对环阀间隙流动进行了有限元分析，基于井眼高低边快速关断响应规律设计了环形阀结构及流道，并使用全尺寸试验台架开展了ϕ177.8 mm静态推靠机械式垂钻工具地面水力台架试验。研究得出：为减小盘阀摩擦面积，将其设计为两层组合，上部设计异形孔和凸台，下部设计异形旁流道结构；采用硬质合金材料整体成型，上下盘阀间隙控制在0.5 mm，上下盘阀凸台高度均控制在0.25 mm；通过地面台架试验，证明动静阀盘组导向分流正常，密封保压性能指标达到了预期设计要求。研究结果可为静态推靠机械式垂钻工具的结构设计优化提供参考依据。
- 静态推靠式 /
- 机械式 /
- 垂直钻井工具 /
- 盘阀 /
- 结构设计 /
- 缝隙流 /
- 水平台架试验
Abstract:
The exploitation of energy under complex conditions such as deep and ultra - deep wells requires an economic, safe and reliable vertical drilling system. The static push type vertical drilling tool (static-push vertical drilling tool) is a pure mechanical vertical drilling tool that can work under high-temperature and strong-vibration conditions. Based on the technical background of the static push type vertical drilling tool, frictional resistance calculation and finite element analysis of the annular valve clearance flow were carried out for its disc-shaped dynamic and static valve group. The annular valve structure and flow channel were designed based on the rapid shut-off response law of the wellbore high and low edges, and horizontal bench tests were conducted to verify its reliability. The results showed that in order to reduce the friction area of the disc valve, a two-layer combination design was considered. The upper irregular hole was designed with a convex platform, and the lower irregular side flow channel structure was designed. The hard alloy material was used for integral molding. The clearance between the upper and lower valves was controlled at 0.5 mm, and the height of the upper and lower valve convex platforms was controlled at 0.25 mm. The horizontal bench test verified its sealing and flow guiding effect, providing a design reference for static push vertical drilling tools.
- static push /
- mechanical /
- vertical drilling tool /
- disc valve /
- structural design /
- crevice flow /
- horizontal bench test

HTML全文

采用PDC钻头钻进坚硬、软硬交错等复杂地层时，易诱发井下振动，造成PDC钻头先期损坏、钻井效率低等问题^[1–6]。为解决该问题，国内外研发了增强稳定性与攻击性的非平面切削齿PDC钻头^[7–8]、大功率动力钻具、水力增压器、冲击类辅助破岩工具（如轴向^[9–11]、周向^[12]及多方向复合^[13]冲击钻井工具）和恒扭矩钻井工具^[14]等钻井工具，拓宽了PDC钻头的应用范围，提高了PDC钻头钻进复杂地层时的效果。PDC钻头与辅助破岩工具配合进行复合钻井已经成为石油钻井最主要的钻井提速方式。实践表明，充足的破岩扭矩可以提高PDC钻头的机械钻速^[15]，但目前还没有PDC钻头破岩门限扭矩的定义和计算模型，影响了PDC钻头钻进硬地层时的稳定性。为此，通过建立PDC钻头破岩门限扭矩的定量计算模型，采取优化井眼尺寸、优选钻头和辅助破岩工具等措施给钻头提供充足稳定的钻压和扭矩，同时降低钻柱扭转应变能的波动，形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。位于塔里木盆地巴楚隆起的夏河1井在一开钻进二叠系软硬交错地层时，进行了稳压稳扭钻井提速技术试验，结果表明，采用该技术可以解决长期困扰二叠系钻井提速的恶性振动等技术难题，显著提高了PDC钻头的机械钻速、延长了其使用寿命，并在全井进行了推广应用，取得了良好的提速效果与经济效益。

1. 硬地层PDC钻头提速理念与工艺

旋转钻井模式下，PDC钻头最主要的破岩能量是钻头扭矩，钻柱以扭转应变能的形式由上往下将扭矩传递给钻头，钻柱扭转应变能周期性的积聚与释放是造成井下钻柱扭转振动的直接原因，扭转振动与横向振动耦合还会形成涡动和粘滑等不良运动^[16–17]。将钻头与井口之间的钻柱分为n个微元，根据材料力学可知，在任意时刻t，任意钻柱微元i的扭转应变能可表示为：

${E_{\varepsilon i,t}} = \frac{{T_{{\rm{d}}i,t}^2{l_i}}}{{2{G_i}{I_{{\rm{p}}i}}}}$

(1)

t时刻钻柱扭转应变能的波动值为：

${\rm{\Delta }}{E_{\varepsilon t}} = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{\rm{\Delta }}{T_{{\rm{d}}i,t}}(2{T_{{\rm{d}}i,t}} + {\rm{\Delta }}{T_{{\rm{d}}i,t}}){l_i}}}{{2{G_i}{I_{{\rm{p}}i}}}}}$

(2)

$\;\!{\text{其中}}\qquad\qquad\qquad{\rm{\Delta }}{T_{{\rm{d}}i,t}} = {T_{{\rm{d}}i,t + 1}} - {T_{{\rm{d}}i,t}}\qquad\quad$

(3)

式中：E_ε为钻柱扭转应变能，J；T_d为钻柱扭矩，N·m；l为传递扭矩钻柱的长度，m；G为钻柱的切变模量，N/m²；I_p为钻柱的截面极惯性矩，m⁴；GI_p为钻柱的抗扭刚度，N·m²；t为任意时刻，s；ΔE_ε为钻柱扭转应变能的波动值，J；ΔT_d为钻柱扭矩的波动值，N·m。

由式（2）可知，在相同地层条件下，钻柱扭矩及其波动幅度越小、传递扭矩钻柱的长度越短、钻柱的抗扭刚度越大，钻柱扭转应变能波动幅度越小，因钻柱扭转出现钻头不稳定运动等问题的概率越小。钻进相同岩性地层时，钻压波动是造成钻柱扭矩波动和钻头冲击载荷的主要原因。增强底部钻具组合的缓冲作用，降低钻压波动幅度，保持钻头始终接触井底，能够降低破岩过程中钻头出现不稳定运动的概率。目前，无法给钻头提供充足稳定的扭矩是制约硬地层钻井提速的主要难题，是造成钻压–机械钻速曲线中不稳定点提前出现的重要原因。给钻头提供充足稳定的扭矩是强化钻井参数、降低井下振动和延长钻头使用寿命的关键。

旋转钻井模式下，PDC钻头同时满足门限钻压与门限扭矩的双重条件，是PDC钻头持续高效破岩的基础。PDC钻头的破岩门限扭矩是指满足提高机械钻速、延长钻头使用寿命要求的最小扭矩。由于钻头扭矩具有波动的特性，因此钻头破岩门限扭矩取特定周期内钻头扭矩曲线的最大峰值。钻头稳定性越差，钻头的破岩门限扭矩越大。常规 PDC 钻头破岩所需的门限扭可表示为：

${T_{{\rm{bs}}}} = \max \left( {{T_{{\rm{tw}}}},{T_{{\rm{sm}}}}} \right)$

(4)

式中：T_bs为常规PDC钻头破岩所需的门限扭矩，N·m；T_tw为门限钻压下的钻头扭矩峰值，N·m；T_sm为保持机械比能在较低水平的临界切削深度所对应的钻头扭矩峰值，N·m。

正常情况下，钻进硬地层时，PDC钻头的T_tw小于T_sm，T_bs取T_sm。

钻头扭矩由钻头与地层之间的水平切削力与摩擦力决定，地层参数、钻头切削深度、钻头类型与尺寸、钻头设计参数和钻头的磨损与泥包等因素都会影响钻头扭矩。影响PDC钻头扭矩的主要因素是地层抗压强度、钻头切削深度和钻头尺寸，其中钻头切削深度是钻压与地层抗压强度的线性函数。在临界切削深度下，地层抗压强度和钻头尺寸是决定硬地层中PDC钻头破岩所需门限扭矩的主要因素，门限扭矩可表示为：

${T_{{\rm{bs}}}} = {k_{{\rm{cc}}}}{S_{{\rm{cc}}}}{k_{{\rm{bd}}}}{D_{{\rm{b}}}}$

(5)

${k_{{\rm{bd}}}} = a+ bD_{\rm{b}}^{\rm{2}}$

(6)

式中：S_cc为岩石有围压抗压强度，Pa，具体计算方法见文献[18]；D_b为钻头直径，m；k_bd为钻头尺寸影响系数，m²；k_cc为抗压强度影响系数；a，b为拟合系数，根据现场实测数据与室内试验数据确定。钻进硬地层时，k_cc推荐取56.5，a推荐取–2.44，b推荐取33.40。

式（5）为门限扭矩模型，其为钻头、井下动力钻具及钻井参数的优选提供了依据。井下动力钻具的制动扭矩应超过所钻井段的破岩门限扭矩，为钻头高效破岩与平稳运动创造条件。当钻头破岩扭矩无法满足时，就需要优选具有较低破岩门限扭矩的钻头，如牙轮–PDC混合钻头^[19]、安装非平面切削齿的PDC钻头^[8]等，并采取控制钻头切削深度及钻压等技术措施，使钻头切削深度与钻头破岩扭矩相匹配。

综上所述，降低钻头破岩的门限钻压和门限扭矩、提高钻头扭矩和降低钻柱扭转应变能波动是提高钻井速度与钻井效率的主要途径。通过分析影响机械钻速的因素，提出了稳压稳扭钻井提速技术的关键要素，即高效的破岩方式、稳定充足的能量和钻头平稳的运动（见图1）。图2为稳压稳扭钻井提速技术设计流程。综合考虑地层岩性、岩石力学参数、软硬交错指数^[15]与钻头使用效果，优选合适的PDC钻头，确定合理的刀翼数量、切削齿直径及倾角等关键参数；依据PDC钻头破岩门限扭矩优选井下动力钻具；根据地层脆性指数、钻压与冲击力组合等优选冲击辅助破岩工具；通过钻头与辅助破岩工具之间的迭代优化，降低破岩门限钻压和门限扭矩，并给钻头提供足够的破岩能量。优选大尺寸钻杆和钻铤，提高钻柱的抗扭刚度与水力能量的利用率；优选减振工具与稳定器并优化安放位置，通过优化设计底部钻具组合为钻头平稳运动创造条件。与钻进软地层相比，采用PDC钻头钻进硬地层需要较低的转速和较大的钻压；优化转速时，应避开易引起钻柱共振的转速区间。钻头破岩扭矩充足时，提高钻压有利于提高机械钻速；而钻头破岩扭矩不足时，则需要合理控制钻压与切削深度。以稳压稳扭钻井提速技术关键要素为指导，优选或研制钻头与辅助破岩工具，提高钻压与钻头扭矩，形成连续稳定的钻头切削运动，达到提高硬地层机械钻速与延长钻头使用寿命的目的。

图 2 稳压稳扭钻井提速技术设计流程

Figure 2. Design flow of drilling speed increase technology by stable WOB/torquet

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图 1 稳压稳扭钻井提速技术

Figure 1. Stable WOB/torque for increasing drilling speed

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2. 现场试验

夏河1井是塔里木盆地巴楚隆起夏河地区的一口探井，设计井深5 650.00 m，完钻井深5 671.00 m，钻遇地层从下至上为元古界震旦系，古生界寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系和新生界。新生界为砂泥岩互层；二叠系以砂泥岩、火成岩与灰岩为主；石炭系—奥陶系上统以砂泥岩与灰岩为主；奥陶系下统主要为白云岩、灰岩和灰质泥岩；寒武系以白云岩为主，且盐膏层发育；震旦系为泥岩与玄武岩；奥陶系—寒武系发育4套辉绿岩侵入体。该井采用四级井身结构：一开，采用ϕ406.4 mm钻头钻至井深1 365.00 m，下入ϕ339.7 mm套管，封隔二叠系易坍塌地层；二开，采用ϕ311.1 mm钻头钻至井深5 160.00 m，下入ϕ244.5 mm套管，封隔寒武系盐膏层以上地层；三开，采用ϕ215.9 mm钻头钻至井深5 420.00 m，下入ϕ184.2 mm厚壁套管，封隔盐膏层；四开，采用ϕ149.2 mm钻头钻至设计井深，裸眼完井。

夏河1井二叠系地层厚度超过900.00 m，开派兹雷克组地层为凝灰岩、玄武岩、泥岩与砂岩的交错地层，库普库兹满组为砂泥岩互层。火成岩与沉积岩岩性差异大、软硬交错程度高和抗压强度变化频繁，泥岩易坍塌掉块。邻井巴探5井^[20]与玛北1井^[21]在钻进二叠系软硬交错地层时，PDC钻头破岩所需门限扭矩高，难以保障钻头平稳运动，导致PDC钻头冲击损坏严重，被迫采用牙轮钻头，并配合使用减振器，但是牙轮钻头崩齿、掉齿依然严重，造成钻头使用寿命短、机械钻速低。为此，夏河1井在钻进一开二叠系地层时进行了稳压稳扭钻井提速技术试验，通过适当缩小一开井眼直径，优选钻头与辅助破岩工具及其结构参数，及时调整钻井参数，降低了PDC钻头破岩门限扭矩，钻柱振动得到控制。

1）降低门限扭矩。夏河1井一开井眼直径原设计为444.5 mm，按二叠系最大有围压抗压强度150 MPa计算，PDC钻头破岩所需的门限扭矩最大为46.74 kN·m，超出目前井下动力钻具的扭矩输出能力。在不影响套管下入与后续钻井的前提下，将一开井眼直径优化为406.4 mm，井眼直径优化后PDC钻头破岩所需最大门限扭矩降至38.35 kN·m，为给钻头提供稳定充足的能量创造了条件。

2）优选钻头。增强钻头稳定性与抗冲击性能是保证PDC钻头钻进硬地层及软硬交错地层时其持续平稳运动的关键，因此，定制了6刀翼、ϕ16.0 mm切削齿的PDC钻头。该钻头采用倒V形冠部、双排齿设计，使钻头具有较高的稳定性；优选脱钴处理的进口复合片并优化切削齿角度，保径部位合理分布减振节，提高钻头的切削效率与抗冲击能力。

3）优化底部钻具组合。为给钻头提供稳定充足的能量，底部钻具组合应具有能输出较大扭矩、实现冲击与剪切等多重方式破岩、含有大尺寸钻具、能缓冲轴向冲击等特征，因此使用ϕ279.4 mm钻铤和ϕ403.2 mm稳定器，选用ϕ285.7 mm New-drill恒压稳扭工具。New-drill恒压稳扭工具可以提供轴向与扭转复合冲击，其性能参数为：排量60～95 L/s，转速75～180 r/min，输出扭矩22～34 kN·m，轴向缓冲距离2 cm。为满足二叠系硬地层高效钻进需求，加长New-drill恒压稳扭工具的动力发生器，将最大输出扭矩提高至40 kN·m，与一开井段最大门限扭矩相当，将轴向缓冲距离调整至5 cm，以降低钻压波动幅度与冲击载荷。

4）优选钻井参数。硬地层与软地层对钻井参数的要求不同，钻进硬地层时，低钻压、高转速不利于稳定钻头切削深度。因此，一开井段钻井排量取New-drill恒压稳扭工具排量的下限（60 L/s），输出转速取75 r/min。在软硬地层交界面PDC钻头的受力状况复杂，切削齿承受的冲击载荷变化剧烈且齿间差异大，为保护钻头需及时判断井下情况并调整钻井参数。钻至井深685.00 m钻遇第4套玄武岩地层时，机械钻速急剧降低，钻柱振动剧烈，但地面扭矩平稳，判断钻头无法有效切削玄武岩地层并发生涡动，将钻压增至80 kN，转盘转速降至30 r/min，钻柱振动得到控制，钻头运动趋于平稳；钻至井深702.00 m时机械钻速变快，地面扭矩波动幅度变大，判断钻头再次钻遇玄武岩与泥岩交界面，因钻头切削深度迅速增加，钻头扭矩急剧上升，从而发生扭转振动，及时将钻压降至40 kN，地面扭矩波动幅度变小。

稳压稳扭钻井提速技术降低了钻柱的振动，PDC钻头的切削齿得到了保护，钻进砂泥岩等易钻地层发挥了高效破岩作用，夏河1井仅用1只PDC钻头就顺利钻至中完井深1 365.00 m，平均机械钻速达到6.91 m/h，较邻井最快机械钻速提高485.6%，钻头使用数量减少5～8只，钻井周期缩短75%以上，提速效果显著。稳压稳扭钻井提速技术在二叠系地层的成功应用，为夏河1井古生界硬地层钻井提速提供了示范，并在全井段进行了推广应用，通过选用稳定性强的PDC钻头、牙轮–PDC混合钻头、安装尖圆齿的PDC钻头等个性化钻头和等壁厚大扭矩螺杆，采用New-drill恒压稳扭工具，试验复合冲击提速工具，取得了显著的提速效果，夏河1井全井平均机械钻速1.84 m/h，较邻井提高了70.4%，钻井周期299.7 d，较邻井缩短了45.0%。

3. 结论与建议

1）提出了PDC钻头破岩门限扭矩的概念并建立了计算模型，为钻进硬地层优选PDC钻头、井下动力钻具和钻井参数提供了理论依据。

2）稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井硬地层钻进试验中取得了显著的提速效果，表明给钻头提供稳定充足的能量、保证钻头平稳运动和采用高效破岩方式是实施该技术的关键。

3）冲击与切削耦合破岩，会降低PDC钻头的门限扭矩和提高其门限钻压，但需要深入研究，使钻压、扭矩与冲击载荷的组合达到最佳。

4）要进一步加强岩石破碎特性、PDC钻头破岩能量传递与利用等基础研究，深入研究基于PDC钻头充足破岩能量连续平稳传递的钻井提速理论与方法。

图 1 静态推靠机械式垂钻工具主要部件

Figure 1. Schematic diagram of static pushing tool composition

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图 2 静态推靠机械式垂钻工具基本结构

1.上主轴；2.上轴承组；3.工具外壳；4.过滤短节；5.芯轴；6.偏重单元；7.动静阀盘组；8.推靠机构；9.下轴承组；10.下主轴

Figure 2. Structural diagram of static pushing tool

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图 3 静态推靠机械式垂钻工具工作原理示意

Figure 3. Working principle description diagram of static pushing tool

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图 4 上盘阀结构示意

Figure 4. Schematic diagram of upper disc valve structure

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图 5 阀座结构

Figure 5. Valve seat structure diagram

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图 6 工具内部流道示意

Figure 6. Schematic diagram of internal flow channel of the tool

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图 7 盘阀间无缝隙时流场的速度和压力云图

Figure 7. Cloud map of velocity and pressure in the flow field without gaps between disc valves

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图 8 不同盘阀间隙下工具内部流场的速度和压力云图

Figure 8. Cloud map of velocity and pressure in the internal flow field of the tool when the gap between the disc valve is 0.2-0.5-1.5 mm

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图 9 不同盘阀间隙下盘阀流场局部放大图

Figure 9. Localized enlarged view of flow field in disc valves with different clearances

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图 10 盘阀间隙对流体压差的影响

Figure 10. Influence of disc valve clearance on fluid pressure difference

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图 11 推靠力随压差的变化曲线

Figure 11. The pushing force changes with the pressure difference

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图 12 工具内部无效压耗随排量的变化曲线

Figure 12. The variation curve of the ineffective pressure loss inside the tool with the displacement

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