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　　定向滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱基本靜止在下井壁上，鉆頭靠井下動(dòng)力馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過控制下部鉆具的工具面實(shí)現(xiàn)定向和鉆進(jìn)。這種鉆井方式存在的問題是鉆頭在破巖過程中會(huì)產(chǎn)生反扭矩，且該反扭矩通過鉆頭傳遞到動(dòng)力馬達(dá)和鉆柱上，引起鉆具反向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工具面控制不穩(wěn)，從而影響鉆進(jìn)的連續(xù)性和速度，浪費(fèi)大量的人力和時(shí)間。由于PDC鉆頭不靠壓碾而靠剪切破巖，所需驅(qū)動(dòng)扭矩較大，相應(yīng)的反扭矩也較大，因此，當(dāng)采用PDC鉆頭定向滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，更容易出現(xiàn)工具面不穩(wěn)的問題。本文利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)定量地分析了PDC鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的反扭矩及其變化，介紹了一種無反扭矩鉆井工具，以供同行參考。

 

 

　　1.1模型建立

 

　　使用CAD軟件建立了215.9mm（81/2英寸）PDC鉆頭的幾何模型，導(dǎo)入有限元軟件，劃分為四面體自由網(wǎng)格。由于鉆頭和井眼尺寸相對(duì)于無限大地層很小，根據(jù)彈塑性理論，鉆井時(shí)離井眼較遠(yuǎn)地層巖石的力學(xué)環(huán)境不受影響。因此，本文地層巖石的物理模型為直徑2m的圓柱體，并通過定義巖石的材料方向取各向異性地層的傾角為15。巖石破壞判據(jù)：巖石的總變形量達(dá)到3%～5%，就開始具有塑性性質(zhì)或向塑性轉(zhuǎn)變，在鉆頭的剪切力作用下最終巖石剝落破碎。根據(jù)實(shí)際情況，所研究地層段的下端面為固定約束，地層的外端面為徑向約束，同時(shí)，地層上端受上覆地層壓力p的作用。鉆頭施加的邊界條件：鉆壓F=80kN，轉(zhuǎn)速n=120r/min，同時(shí)，給PDC鉆頭繞鉆頭軸線施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束，允許其在井眼內(nèi)公轉(zhuǎn)和向各個(gè)方向平動(dòng)，但不允許其在眼內(nèi)翻轉(zhuǎn)和彎曲，如圖1a所示。有限元模型采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格.

 

　　1.2反扭矩分析

 

　　鉆井過程中，鉆頭不停地旋轉(zhuǎn)，在與地層巖石接觸后產(chǎn)生反扭矩。PDC鉆頭在破巖過程中與地層接觸產(chǎn)生的扭矩隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線可以看出，鉆井過程中扭矩在-9606～15295Nm范圍內(nèi)不斷變化。扭矩為負(fù)值表明鉆頭有反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)鉆頭的反轉(zhuǎn)扭矩克服限制鉆頭反轉(zhuǎn)的阻力矩時(shí)，鉆頭反轉(zhuǎn)。扭矩為0時(shí)，鉆頭與井壁和井底無接觸空轉(zhuǎn)。當(dāng)井下馬達(dá)的輸出扭矩小于鉆頭的反扭矩時(shí)，鉆頭滯動(dòng)。表明鉆頭在破巖過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)很不連續(xù)，加劇了切削齒的損壞。反扭矩控制技術(shù)

 

 

　　2.1新型鉆頭驅(qū)動(dòng)器工作原理

 

　　新型鉆頭驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)件是中心齒輪，中心齒輪上端與動(dòng)力馬達(dá)的輸出軸連接，下端與中心鉆頭連接。當(dāng)馬達(dá)輸出軸帶動(dòng)中心齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，與中心齒輪外嚙合的行星小齒輪將會(huì)在固定的位置上沿著各自的中心軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由于外齒圈與小齒輪內(nèi)嚙合在一起，小齒輪會(huì)帶動(dòng)外齒圈作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，外齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與中心齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心是同一中心。由于外齒圈與外鉆頭連接，所以外鉆頭與中心鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，一個(gè)是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，2個(gè)通過行星驅(qū)動(dòng)器連接的鉆頭在破巖過程中所產(chǎn)生的反扭矩也是一個(gè)為順時(shí)針方向，一個(gè)為逆時(shí)針方向。于是，2個(gè)反扭矩相互平衡、抵消，從而減少甚至消除了在下部鉆具組合上的反扭矩，同時(shí)，由于齒輪始終保持嚙合狀態(tài)，一旦馬達(dá)止動(dòng)，該裝置的任何機(jī)構(gòu)也會(huì)立即止動(dòng)，從而達(dá)到解決常規(guī)定向鉆井時(shí)控制工具面不穩(wěn)的問題。該驅(qū)動(dòng)器外殼體的上部通過螺紋直接與井底動(dòng)力馬達(dá)外殼體的下端連接，動(dòng)力馬達(dá)的傳動(dòng)軸則與裝置的驅(qū)動(dòng)軸相連，驅(qū)動(dòng)軸的底部與中心鉆頭連接，直接驅(qū)動(dòng)中心鉆頭沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)破巖，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸通過行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上部外鉆頭沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)破巖。

 

　　2.2技術(shù)特點(diǎn)

 

　　a）在預(yù)設(shè)方向上能快速、方便地控制工具面。b）設(shè)定好預(yù)設(shè)方向后，不必花費(fèi)太多的時(shí)間調(diào)整工具面。c）當(dāng)馬達(dá)停止、方位改變、接鉆具時(shí)，不必花費(fèi)時(shí)間重設(shè)工具面。d）能夠獲得較小的、穩(wěn)定的、連續(xù)的造斜率。e）可使用較大扭矩的馬達(dá)。f）可使用進(jìn)攻性強(qiáng)的PDC鉆頭。g）減少起下鉆的時(shí)間。h）能夠鉆出更平滑的井身剖面。i）改善鉆井性能，提高鉆井速度。該驅(qū)動(dòng)器目初步的試驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)器巧妙新穎的設(shè)計(jì)可以成為現(xiàn)實(shí)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的，符合設(shè)計(jì)者的初衷，具有發(fā)展前景。

 

 

　　1）定向滑動(dòng)鉆井時(shí)，PDC鉆頭上產(chǎn)生的反扭矩值變化較大，導(dǎo)致定向過程中的工具面控制不穩(wěn)，影響鉆進(jìn)的連續(xù)性和鉆進(jìn)速度。

 

　　2）采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)定量地分析了PDC鉆頭在破巖過程中鉆頭上的扭矩變化，進(jìn)一步證實(shí)存在負(fù)扭矩，即反扭矩，其值與正扭矩的值相當(dāng)