2020年11月第36卷第11期
石油工业技术监督
Technology Supervision in Petroleum Industry
Nov. 2020
V ol.36N o.ll
阴治平，朱剑飞，尚钲凯，李兴鑫，王关锁
中国石油塔里木油田分公司安全环保与T程监督中心（新疆库尔勒841000)
摘要塔里木油田的勘探开发重点逐步转向深层、超深层油气藏，7000m以上的超深井的开发已常态化…随着井深的增加地层可钻性越来越差，在深部硬地层经常出现钻头涡动和粘滑震动介绍了钻井现场快速识别钻头涡动和粘滑震动的方法，提出了消除这两种P D C钻头非正常工作状况的措施 关键词P D C钻头；超深井；涡动；粘滑
On-site Identification Method and Elimination Measures of Eddy
and Stick Slip Vibration of PDC Bit
Yin Zhiping, Zhu Jianfei, Shang Zhengkai, Li Xingxin, Wang Guansuo
Safety, Environmental Protection and Engineering Supervision Center, PetroChina Tarim Oilfield Company
(Korla, Xinjiang 841000, China)
A bstract The exploration and development focus of Tarim Oilfield has gradually shifted to deep and ultra deep reservoirs, and the depth of oil wells is over 7 (X K) m. With the increase of well depth, the formation drillahility has become more and more bad, and the whirl and stick slip vibration of l)it often appear in the deep hard formation. The method to quickly identify the whirl and stick slip vibration of hit in drilling site is introduced, and thr measures to eliminate the abnormal working state of these two kinds of PDC hil are put forward.
Key words PDC bit; ultra deep well; whirl; stick slip
阴治平，朱剑飞，尚钲凯，等.PI)C：钻头涡动和粘滑震动现场识别方法及消除措施U|.石油工业技术监督，2()2()，36( 11L52-54. Yin Zhiping. Zhu Jianfei, Shang Zhengkai, et al. C^)n—site identification method and elimination measures o f eddy and stick slip vibration ot PDC' bit LI].Technolog\r Superv-ision in Petroleum Industr%-, 2〇2〇, 36(11):52—54.
P D C钻头瞬时旋转中心发生位移的现象称为 钻头涡动。PDC钻头涡动会使机械比能突然大幅 增加。涡动导致肩部切削齿出现崩碎、崩裂等严重 损坏现象，由于冲击作用导致肩部齿损伤，并且肩 部齿的损伤裂纹呈“沙滩”型，切削齿受损后容易快 速磨损，从而导致PDC钻头出现早期破坏、机械钻 速降低、钻头寿命减少、钻井周期加长，进而引发次 生井下复杂事故，甚至会导致现场工程师误判钻头 与地层的配伍性m。PI)C钻头在钻进过程中，钻头 与岩层间的相互作用既与钻头的运动有关，还与岩 层的性质有关。深部硬地层岩石硬度高、塑性大、研磨性强及可钻性差等特点使得这些井段的粘滑 振动频繁发生|2_31。粘滑震动是造成钻井功能紊乱 的主要原因，进而影响井身质量，同时增加钻井成本。
1现场识別方法
许多科研学者和钻井工程师对PDC钻头涡动 和粘滑做了大量的研究。笔者根据自身现场工作 经验及认识，提出以下现场钻头涡动和粘滑震动识 别方法。
1.1涡动识别方法
1.1.1机械比能法
机械比能是用来衡量钻头破除单位体积岩石 所需要的能量，其计算公式14^；:
式中：&为机械比能；IT为钻压，kN;SA为井筒面积,
■本文荣获中国石油天然气股份有限公司勘探与生产丁.程监督中心举办的第一届中国石油T.程监督行业优秀论文评选一等奖.作者简介：阴治平（1987—），男，工程师，主要从事钻井监督T作。
阴治平等:PDC钻头涡动和粘滑震动现场识别方法及消除措施.53•
mm2:/V为钻头钻速，r/m i n；厂，为扭矩，kN•m;/?为机
械钻速.m/h。
当钻头处于100%有效钻进时，机械比能等于
岩石抗压强度（CCS)。若岩石抗压强度己知，可以
计算出能量效率(£)，PDC钻头通常最大能量效率
在35%左右。
E-C C S
调整后PDC钻头的机械比能
S e吨=C C S=E x(w noxTTxyvxr,,
s.
(2)
)(3)
在实验室内对页岩进行试钻测试实验，一定的 钻压范围内，保持转速为恒定值，随着钻压的持续 增加，扭矩和机械钻速保持线性关系上升，计算出 来的保持恒定。
在深部硬地层钻井过程中，若调整后机械比能 远高于岩石抗压强度(2~10倍），说明井下有严重的 能量损失，此时如果能够排除其他原因导致的能量 损失（钻头泥包、钻头损伤、粘滑等），则推断出钻头 出现涡动。
1.1.2现场判断法
当一只新PDC钻头人井，往往会采用试钻的方 式获取最佳钻井参数（钻压、转速〉。其操作方法 为:①将钻压快速加到钻头允许钻压上限的90%，然后在某一恒定的转速下记录钻压下降到50%的过程中，钻压每下降1t所消耗的时间，用时最短对 应的钻压为最佳钻压;②在最佳钻压下，尝试不同 的转速试钻来获取最佳转速。
钻头在岩性未发生较大变化的某井段钻进过 程中（通过返出岩屑排除钻头损坏），采用最佳参数 钻进，但是机械钻速大幅下降，同时井口钻具出现 明显的公转，可以初步确定井下出现钻头涡动。
1.2粘滑震动的识别方法
1.2.丨机械比能法
机械比能的本质是计算并判断钻井的效率高 低3钻头在井底平稳工作，钻井效率高；钻头由于 某些原因处于不稳定状态，钻井效率就会下降。通 过大量计算和总结，发现当钻头处于粘滑状态时，机械比能会大幅波动，但平均值呈现较高状态。
1.2.2现场判断法
深部硬地层岩石的硬度高、塑性大、可钻性差, PDC钻头使用一定钻井参数钻进，钻压持续加大到 临界钻压以上，会出现扭矩大范围、周期性地波动，当出现此种扭矩波动现象，会降低机械钻速和损坏 钻头切削齿。扭矩大范围、周期性地波动是粘滑震动现象现场最直观的表现特征。如果下部钻具组 合中加入螺杆，立压会上下波动。
2消除措施
针对P D C钻头钻进时经常出现涡动和粘滑两 种非正常、不稳定的工作状况，笔者查阅了大量文 献结合自身的现场工作经验，总结出以下的现场消 除方法。但需指出的是，涡动和粘滑震动并非总是 单独出现，往往是既存在涡动又存在粘滑震动，然 而两者的消除措施彼此存在一定程度的相互冲突，这增加了现场操作的难度|5_71。
2.1消除滴动措施
钻头结构优化设计。钻头合理的布局是钻头 防涡动的关键，这也是在设计中所追求的目标。根 据平衡设计理论，作用于钻头所有切削齿的力将形 成一个合力。这个合力可以分解为一个轴向力(钻 压)，一个对钻头中心线的力矩和一个径向力。根据 钻头运动形式可知，径向力即为产生涡动的根源(即 为不平衡力)。在钻头设计中，综合考虑螺旋刀翼布 齿方式、优化复合片切削角度、利用低摩阻保径技 术、钻头形面周围的流场分布等关键因素，以侧向 不平衡力最小为目标，可以将PDC钻头的总侧向力
控制在钻压的丨％以内。
钻头冠部轮廓形状和保径长度对涡动影响效 果显著。选择具有深轮廓、深内锥角、保径刀翼长 度最低达到1〇1~152 mm特征的PDC钻头，具有良 好地抑制涡动能力。
现场工程师不正确的操作方式容易引发钻头 涡动，如将钻头重新放回井低时采用高转速、低钻 压钻井参数钻进，接单根前采用高转速把钻压回完。根据以上错误的操作方式，可以总结出消除涡 动的措施:①钻头重新放回井底时采用低转速、高 钻压（至少达到目标钻压的50%以上）；②钻进0.6〜1m，若涡动严重，需要将第1个扶正器放人新井眼 内；③提高转速，直到机械比能开始增加为止;④增 加钻压，直到机械比能开始增加为止;⑤重复步骤 3、4，直到机械比能不再降低。
2.2消除粘滑震动措施
在一定的钻井参数下，钻柱系统在转盘(顶驱）转速较低时会发生粘滑振动，转盘（顶驱）转速越 低，粘滑振动越激烈；钻柱系统存在发生粘滑振动 的临界值，当转盘（顶驱）转速不断增大到临界值时，钻柱系统粘滑振动突然消失。
降低钻压或者采用切深控制设计的钻头，可以
•54•石油r业技术监督
消除粘滑振动。其本质是减少I M)C齿进人地层的 深度，使PDC钻头所需克服岩石固有的剪切强度(黏聚力）变小，达到消除粘滑振动的效果。同时，提高钻机钻并扭矩限定，也可以起到消除粘滑振动 的作用，其原理是增大PDC钻头的输人扭矩。
钻头的刀翼数对粘滑振动产生严重的影响，当系统发生粘滑振动时，增加刀翼数，会减弱或抑制 粘滑振动，减少刀翼数，粘滑振动更加激烈。对克 深区块康村组及以下的硬地层，推荐采用6刀翼及 以上的P I)C钻头，对粘滑震动的抑制效果明显优于 5刀翼的PDC钻头。
3实例分析
克深17井三开第1趟钻采用333.4 m m(13 %〃) STS615 G钻头钻进至井深3 340 m(康村组，褐泥 岩、褐细砂岩，套管鞋位置3 328 m)，在钻井参数 没有改变的情况下，钻时由15 min/n i升局到35 m in/ m，机械比能突然增大，同时伴随井口钻具出现明显 的公转，判断PDC钻头出现涡动。
通过以下技术手段很快消除了钻头涡动:①降 低转速至原转速的50%，上提钻具1m;②将限定扭 矩由25 kN•m升高到32 kN•m;③保持转速不变，快 速增加钻压至目标钻压的50%;④钻进0.5 m后逐渐 将钻压和转速提高。当钻压和转速均恢复到涡动 出现前的大小，钻时由35 miu/n i下降到15 min/m，机 械比能降低到原值。
克深17井三开第5趟钻采用333.4 m m(13 %") Z716七刀翼PDC钻头钻进至井深3 490 m(层位为 康村组，套管鞋位置3 328 m)，3 480~3 490 m岩性 为褐泥岩，钻压14~丨6 I，转速为50~70 r/min，扭矩 大范围波动(2〜25 kN，现场判断钻头出现粘滑震动，尝试将转速提高100 r/m i n，扭矩立即平稳，钻 时由70 m i i i/m i 18 min/m。后期尝试将转速下调到 80 r/min以下，扭矩立即出现大范围波动现象(2~25 kN•m)，钻头再次出现粘滑震动，80 r/min为当前的钻头出现粘滑震动的临界转速
4结论
1) 通过机械比能法和现场判断法识别PUC钻 头出现涡动和粘滑震动。
2) 通过优化设计钻头结构，将PDC钻头的总侧 向力控制在钻压的1%以内；选择具有深轮廓、深内
锥角、保径刀翼长度最低达到丨01~丨52mm的PDC
复合片钻头钻头；优化钻井参数，采用高钻压低转速钻进等措
施消除PDC钻头涡动。
3) 通过提高转盘（顶驱)转速超过临界转速；降 低钻压或者选用切深控制设计的钻头；增加刀翼数
以达到增加钻头与地层接触面积等措施消除PDC
钻头粘滑震动。
4) 钻头涡动和粘滑震动现象往往同时或交替 出现，由于粘滑震动对钻头和钻具的伤害比润动
小，现场T.程师在优化调整钻井参数时要综合考虑
二者所带来的弊端，必要时应该优先考虑消除钻头
涡动。
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本文编辑：左学敏收稿日期：2020-10-08
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