垂鉆提速工具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

李相勇

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163000）

1 技術(shù)研發(fā)背景

隨著勘探開發(fā)領(lǐng)域的不斷拓展與深入,海拉爾、方正地區(qū)普遍存在地層傾角大、井斜嚴(yán)重等問題，井斜問題嚴(yán)重制約了勘探開發(fā)的步伐。為了進(jìn)一步解決易斜區(qū)塊防斜打快問題,國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都相繼開展了垂鉆提速工具的研究工作。

垂直鉆井技術(shù)一直是當(dāng)前鉆井前沿技術(shù)之一，它能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)防斜、糾斜，有效地解放了鉆壓，極大地提高了鉆井效率，保證了井下安全，作為一種戰(zhàn)略性和革命性的高新技術(shù)受到了各個(gè)國家的高度重視。通過對(duì)國外垂鉆儀器的深入調(diào)研，目前已形成了推靠式、指向式等多種糾斜方式的垂直鉆井系統(tǒng)，均采用機(jī)電液相結(jié)合的方式，國外公司的垂鉆產(chǎn)品商業(yè)化程度也相當(dāng)成熟，其中最具代表的儀器有Power V和VTK全自動(dòng)化旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向垂直鉆井系統(tǒng)。這兩種技術(shù)在我國使用也最為廣泛。在國內(nèi)方面，易斜區(qū)塊的防斜打快仍是一個(gè)尚未解決的技術(shù)難題，現(xiàn)場(chǎng)使用較多的是滿眼鉆具組合防斜，鐘擺鉆具組合糾斜，用滿眼鉆具加壓快鉆是常規(guī)的防斜技術(shù)，但效果往往并不理想，然后再用鐘擺鉆具吊打糾斜，這是一種以犧牲機(jī)械鉆速來換取井身質(zhì)量的被動(dòng)防斜技術(shù)，只有專門的井眼軌道井下閉環(huán)控制工具可以大大改善井眼軌道的控制精度和提高工作效率，才能做到防斜、糾斜的目的。

目前，國外垂直鉆井系統(tǒng)租金較貴，且處于技術(shù)壟斷狀態(tài)，我國垂鉆儀器研究還不太成熟，雖然做了大量的研究工作，但仍有一些技術(shù)難點(diǎn)有待攻克，還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、規(guī)?；瘧?yīng)用。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩套純機(jī)械式結(jié)構(gòu)的垂鉆提速工具。

2 外體旋轉(zhuǎn)式垂鉆提速工具的設(shè)計(jì)

外體旋轉(zhuǎn)式垂鉆提速工具設(shè)計(jì)思路：當(dāng)井斜超標(biāo)時(shí)（如圖1所示），偏心筒在自身重力作用下，其重心穩(wěn)定在井眼低邊方向，控制上旋轉(zhuǎn)閥扇形口在井眼高邊方向，上旋轉(zhuǎn)閥因下心軸桿處彈簧預(yù)緊，使得上下旋轉(zhuǎn)閥靠緊，下旋轉(zhuǎn)閥隨鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)下旋轉(zhuǎn)閥流道與上旋轉(zhuǎn)閥流道連通時(shí)，利用壓差使活塞推動(dòng)推力巴掌推靠井眼高邊井壁，井壁的反作用力將鉆頭推向井眼低邊，當(dāng)下旋轉(zhuǎn)閥和上旋轉(zhuǎn)閥之間流道關(guān)閉時(shí)，沒有液體流進(jìn)活塞缸。因此，推力巴掌不再推靠井壁，推力巴掌受井壁推力允許活塞收回，也就是說除井眼低邊以外的方向，推力巴掌不推靠井壁，上述過程循環(huán)往復(fù)，這樣在鉆井的過程中該工具就不斷測(cè)斜，不斷糾斜，最終將井斜控制在一定范圍內(nèi)。

3 外體不轉(zhuǎn)式垂鉆提速工具的設(shè)計(jì)

外體不轉(zhuǎn)式垂鉆提速工具是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)心軸和不旋轉(zhuǎn)外體兩部分構(gòu)成。旋轉(zhuǎn)心軸下端與鉆頭相連，上端與鉆柱連接。不旋轉(zhuǎn)外體結(jié)構(gòu)如圖2所示，自上而下的連接順序?yàn)榉擂D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)、測(cè)量機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分構(gòu)成。

該工具不再依靠鉆井液作為動(dòng)力輸出，設(shè)計(jì)思路為:當(dāng)工具發(fā)生傾斜時(shí)，工具心軸旋轉(zhuǎn)，液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生高壓油，為測(cè)量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供高壓油，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)六個(gè)巴掌全部伸出，防止轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)出井斜和方位時(shí)，觸發(fā)泄壓閥，使得低邊執(zhí)行機(jī)構(gòu)巴掌收回，高邊巴掌一直處于伸出狀態(tài)，停轉(zhuǎn)后，伸出巴掌全部收回。

防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是保證不旋轉(zhuǎn)外體相對(duì)于旋轉(zhuǎn)心軸不旋轉(zhuǎn)，由三個(gè)扶正塊在殼體上周向均布，內(nèi)部有多個(gè)彈簧將其伸出支撐井壁，當(dāng)井徑小時(shí)，扶正塊壓縮彈簧，保證不發(fā)生卡鉆事故。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)其目的是為測(cè)量機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供高壓油，它采用徑向柱塞泵的工作原理，其柱塞在旋轉(zhuǎn)心軸的偏心輪內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出兩路高壓油，一路高壓油直接連通執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一路高壓油連通測(cè)量機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由6個(gè)支撐巴掌構(gòu)成，巴掌的伸縮則由內(nèi)部液壓活塞控制。測(cè)量機(jī)構(gòu)采用重錘指向地心的原理，6 個(gè)重錘周向均布，重錘下端安裝有階梯環(huán)，階梯環(huán)有高低邊，當(dāng)發(fā)生井斜時(shí)，井斜高邊重錘不能下壓階梯環(huán)高邊，因此，該方向油路的閥門一直導(dǎo)通，其高邊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)巴掌一直處于伸出狀態(tài)，而低邊重錘則下壓階梯環(huán)的高邊，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)的巴掌油路泄壓，巴掌收回，達(dá)到了工具傾斜時(shí)高邊伸出、低邊收回的效果。

4 室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析

這兩套工具均在室內(nèi)進(jìn)行了大量的性能測(cè)試，均實(shí)現(xiàn)了井斜方位、井斜角度判斷和糾斜的效果，這兩種工具采用純機(jī)械式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，由于沒有任何電子元器件，因此工具受井溫影響小。實(shí)現(xiàn)防斜糾斜的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的，對(duì)油田開發(fā)具有深遠(yuǎn)的意義。但通過試驗(yàn)也暴露出一些問題。外體旋轉(zhuǎn)式垂鉆提速工具結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、實(shí)現(xiàn)了在鉆進(jìn)的過程中自動(dòng)測(cè)得井斜方位、自動(dòng)糾斜的效果，該結(jié)構(gòu)井斜測(cè)量為2°，通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該工具受轉(zhuǎn)速和循環(huán)排量等影響較大。轉(zhuǎn)速過快時(shí)，其內(nèi)偏心塊受摩擦力和鉆井液的驅(qū)動(dòng)發(fā)生小幅度擺動(dòng)，不能準(zhǔn)確指向井斜高邊，此外，伸出的巴掌存在一定的滯后問題。因此，該工具受到外在因素影響較大。

外體不轉(zhuǎn)式垂鉆提速工具不受轉(zhuǎn)速和鉆井液的影響，井斜測(cè)量能達(dá)到1.25°，測(cè)量時(shí)的穩(wěn)定性較高，能夠測(cè)得能夠?qū)崿F(xiàn)伸出防轉(zhuǎn)、井斜方位判斷、高邊巴掌伸出糾斜、低邊巴掌收回的動(dòng)作。但此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)工具零件的加工精度、油路排空和清潔度要求極高。

5 結(jié)論

（1）創(chuàng)新設(shè)計(jì)的兩種垂鉆提速工具均能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防斜、糾斜的效果；采用純機(jī)械和液壓的結(jié)構(gòu)，沒有任何電子元器件，更具抗高溫、更適合于深井鉆井；

（2）外體旋轉(zhuǎn)式垂鉆提速工具受外在因素影響較大，外體不轉(zhuǎn)式垂鉆工具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；

（3）防斜工具能夠起到提高鉆井速度、降低鉆井成本的目的。