陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具研制及應(yīng)用

孟祥波

摘要：由于地層的不均質(zhì)、泵排量的不均勻、鉆壓大以及轉(zhuǎn)速高等因素，鉆柱普遍存在多種類型的振動，嚴(yán)重的振動加速了鉆頭的損壞，增加了起下鉆次數(shù)，進而影響鉆井效率。為此，基于高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有自穩(wěn)定性的特點，研制了陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具。該工具能夠主動抑制或消除鉆頭切削地層時產(chǎn)生的振動，有效延長鉆頭的使用壽命，提高單只鉆頭進尺。介紹了工具的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，優(yōu)化了磁力耦合傳動機構(gòu)和陀螺機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化后的工具進行了動力學(xué)仿真分析。仿真分析結(jié)果表明：隨著徑向載荷的增加，工具減振幅度逐漸降低；隨著轉(zhuǎn)速的提高，工具減振幅度逐漸增加?，F(xiàn)場試驗驗證了工具原理的正確性，使用該工具后鉆頭徑向振動平均值減小了42.2%，平均機械鉆速提高了40.5%，能夠有效保護鉆頭和提高機械鉆速。所得結(jié)論可為陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具的進一步優(yōu)化及現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：鉆井工具；陀螺機構(gòu)；渦輪；磁力耦合；減振性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

由于地層不均質(zhì)、泵排量的不均勻、鉆壓大以及轉(zhuǎn)速高等因素，鉆柱普遍存在多種模式的振動。嚴(yán)重的振動會加速鉆頭損壞，加劇鉆柱磨損及疲勞破壞，增加起下鉆次數(shù)，進而影響鉆井效率［1-5］。例如，川西地區(qū)下沙溪廟組～須家河組的陸相地層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖性致密、抗壓強度高、可鉆性差、研磨性強，加上與泥巖軟硬交替鉆進期間易誘發(fā)鉆具振動，鉆頭工作不穩(wěn)定、失效快［6-7］。此外，各種振動會導(dǎo)致鉆頭受力不平衡。在不均衡動態(tài)力作用下鉆頭容易失穩(wěn)，引起鉆頭瞬時旋轉(zhuǎn)中心在切削面上不斷變化，導(dǎo)致鉆頭姿態(tài)偏斜于井底，實際的鉆進區(qū)域偏離靶點。

目前，鉆井提速工具的提速方式可分為2類：一是提高鉆頭轉(zhuǎn)速［8-9］，如螺桿鉆具和渦輪鉆具等；二是提高鉆頭沖擊力［10-11］，如扭力沖擊器、水力振蕩器、沖擊馬達及復(fù)合沖擊工具等。從實際應(yīng)用效果來看，這2類工具對高抗壓強度和高塑性的地層提速效果并不明顯。中石化勝利石油工程有限公司從增強鉆頭工作穩(wěn)定性的角度來提高機械鉆速，利用陀螺的自穩(wěn)定性原理，研制出陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具。本文介紹了陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具的結(jié)構(gòu)與原理及關(guān)鍵機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，對工具減振性能進行了仿真分析與評價。所得結(jié)論可為陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具的進一步優(yōu)化及現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

孟祥波：陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具研制及應(yīng)用

1 工具結(jié)構(gòu)與工作原理

陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具主要由上接頭、高速渦輪、磁力耦合傳動機構(gòu)、陀螺機構(gòu)、殼體、導(dǎo)流體及下接頭等組成。該工具適用于215.9 mm井眼，外徑為172.0 mm，工作排量為25～35 L/s，壓耗為0.4～0.8 MPa，耐溫150 ℃。

在直井段使用時，陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具直接接在鉆頭之上；在定向段使用時，工具接在彎螺桿鉆具之上。工作原理：鉆井液由上接頭進入工具內(nèi)，驅(qū)動高速渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動磁力耦合外筒旋轉(zhuǎn)，磁力耦合外筒在磁感應(yīng)作用下驅(qū)動耦合內(nèi)軸轉(zhuǎn)動，由于耦合內(nèi)軸與陀螺固連在一起，進而帶動陀螺高速旋轉(zhuǎn)。高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有自穩(wěn)定性［12-13］，將抑制偏離自身中心軸線做運動狀態(tài)的改變，從而抑制鉆頭運動狀態(tài)改變，能夠減輕鉆頭橫向振動、穩(wěn)定鉆頭。經(jīng)過高速渦輪的鉆井液依次經(jīng)過外殼和陀螺機構(gòu)之間的環(huán)空間隙、導(dǎo)流體及下接頭進入下部鉆具。

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 磁力耦合傳動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

磁力耦合傳動機構(gòu)主要由耦合外筒、銅環(huán)、永磁體及耦合內(nèi)軸構(gòu)成，如圖2所示。銅環(huán)固定在耦合外筒內(nèi)，永磁體固定在耦合內(nèi)軸上，并沿其周向均布，其橫截面為扇形。

永磁體材料為N42SH，耐溫150 ℃。采用磁力耦合機構(gòu)作為高速渦輪和陀螺機構(gòu)之間的動力傳輸扭帶，與高速渦輪直接驅(qū)動陀螺機構(gòu)相比，可以避免采用動密封設(shè)計，大大延長工具的使用壽命。

當(dāng)高速渦輪帶動耦合外筒開始旋轉(zhuǎn)時，由于銅環(huán)與永磁體盤之間存在相對轉(zhuǎn)動的速度差，銅環(huán)切割永磁體磁力線，其表面磁通密度發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進而產(chǎn)生感應(yīng)渦電流［14］。而旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電流又會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，與永磁體的磁場相互作用，完成扭矩傳遞［15］。影響磁力耦合傳動機構(gòu)扭矩傳遞的3個關(guān)鍵參數(shù)為：銅環(huán)厚度、氣隙厚度（銅環(huán)內(nèi)徑與永磁體外徑之差）和永磁體內(nèi)徑［16］。

本文采用三維電磁場仿真軟件分析由永磁體在非線性旋轉(zhuǎn)速度下引起的瞬態(tài)感應(yīng)場。取渦輪轉(zhuǎn)速為2 000 r/min（對應(yīng)排量29 L/s），對影響磁力耦合傳動機構(gòu)扭矩傳遞的3個關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，得到不同參數(shù)下磁力耦合傳動機構(gòu)的扭矩輸出特性曲線，如圖3所示。經(jīng)過分析，銅環(huán)厚度t=2.5 mm、氣隙厚度n=8 mm、永磁體內(nèi)徑d=26 mm時，磁力耦合傳動機構(gòu)能夠傳遞的扭矩最大。優(yōu)化后的磁力耦合傳動機構(gòu)的磁場分布和渦電流分布圖如圖4所示。

2.2 陀螺機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陀螺機構(gòu)主要由陀螺轉(zhuǎn)子、陀螺外殼及扶正軸承構(gòu)成。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，其在不受外力矩作用時，陀螺轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間的指向維持不變，同時具有一定的抵抗其他試圖改變轉(zhuǎn)子軸向的能力。陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量越大、轉(zhuǎn)速越高，陀螺穩(wěn)定性越好。在轉(zhuǎn)速一定的條件下，陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量與其形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸有關(guān)。假設(shè)陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布均勻，且繞其質(zhì)心做定軸轉(zhuǎn)動。這樣，在一定的轉(zhuǎn)速條件下，只需要通過優(yōu)化陀螺形狀和優(yōu)選材質(zhì)，就可以使陀螺轉(zhuǎn)子最大限度地抑制鉆頭運動產(chǎn)生的振動載荷，也就是使工具的減振性能最佳。

本文采用動力學(xué)分析軟件對陀螺轉(zhuǎn)子進行動力學(xué)仿真分析［17］，設(shè)定陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，其上端設(shè)置為柔性軸承約束。在陀螺轉(zhuǎn)子的底部施加15g（g為重力加速度）加速度。在相同材質(zhì)、高度和最大外徑條件下，對柱狀陀螺轉(zhuǎn)子和錐狀陀螺轉(zhuǎn)子（見圖5）

圖6為仿真分析得到的陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具底部位移變化曲線。由圖6可見：采用錐狀陀螺轉(zhuǎn)子工具的底部位移波動幅度整體上大于采用柱狀陀螺轉(zhuǎn)子工具的底部位移波動幅度；帶有錐狀陀螺轉(zhuǎn)子的工具2.5 s時底部仍然存在波動，而帶有柱狀陀螺轉(zhuǎn)子的工具在1.5 s時底部波動已接近于0。因而，柱狀陀螺轉(zhuǎn)子工具有更優(yōu)的穩(wěn)定性。

在采用柱狀陀螺轉(zhuǎn)子的條件下（約束和載荷同上），對35 CrMo（密度7 850 kg/m3）、鉛（密度11 340 kg/m3）、硬質(zhì)合金（密度14 720 kg/m3）3種材質(zhì)的陀螺轉(zhuǎn)子的減振性能進行仿真分析，并得到相應(yīng)的工具底部位移變化曲線，如圖7所示。由圖7可見，隨著陀螺轉(zhuǎn)子密度的增大，工具底部波動幅度減小，且趨于穩(wěn)定所用時間越短，即抑制振動的效果越好。

陀螺機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示。綜合考慮加工制造、裝配以及動平衡調(diào)節(jié)的難易程度，將陀螺轉(zhuǎn)子設(shè)計為心軸+配重筒的結(jié)構(gòu)形式。心軸材料采用35CrMo，配重筒材質(zhì)為鉛。配重筒套在心軸上，并通過螺栓固定。在有限的井眼空間內(nèi)，通過增加陀螺轉(zhuǎn)子的長度以增加其轉(zhuǎn)動慣量，工具減振性能也會增強。但考慮到隨著陀螺轉(zhuǎn)子長徑比的增大，高速旋轉(zhuǎn)情況下穩(wěn)定性會降低，對加工精度要求較高，裝配難度也相應(yīng)的增加。為此，推薦陀螺轉(zhuǎn)子的長徑比為10∶1～15∶1。

3 工具減振性能仿真分析

為了驗證優(yōu)化后工具的減振性能，采用仿真分析的方法研究不同振動載荷（徑向加速度）條件下工具的減振效果。在不改變模型基本結(jié)構(gòu)及主要構(gòu)件運動狀態(tài)的前提下，對工具三維模型進行了簡化，具體是：去掉高速渦輪機構(gòu)；外殼等部件定義為剛性體；螺紋連接處定義為剛性連接；用環(huán)狀凸起結(jié)構(gòu)代替軸承與陀螺轉(zhuǎn)子進行接觸。簡化后的動力學(xué)仿真模型如圖9所示。

渦輪轉(zhuǎn)速2 000 r/min的條件下，分別對工具底部施加10g、15g、20g、25g和30g的徑向載荷進行仿真分析。這里以減振幅度來表征工具的減振性能，減振幅度=（徑向載荷-可抑制的載荷/徑向載荷）×100%。如圖10所示，隨著載荷的增大，工具減振幅度逐漸下降。這說明工具的減振能力有限，只在一定的載荷范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的減振效果。在15g載荷條件下，對1 000～3 000 r/min不同轉(zhuǎn)速進行仿真分析，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，在一定的載荷條件下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，工具減振幅度逐漸增大。

4 現(xiàn)場試驗

2021年11月26日—12月3日，陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具在勝利油田營2-更斜42井進行了應(yīng)用。營2-更斜42井是一口注水井（定向井），構(gòu)造位置為渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷中央斷裂背斜帶營2斷塊。該井設(shè)計垂深2 835.00 m，A靶垂深2 775.00 m，鉆探目的為井網(wǎng)完善。陀螺穩(wěn)態(tài)工具應(yīng)用層位為東營組～沙三中，試驗井段位置352～2 677 m，井斜0°～15.9°，鉆具組合為215.9 mm鉆頭+172.0 mm 1.25°單彎動力鉆具+172.0 mm陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具（帶井下測量短節(jié)）+158.8 mm無磁鉆鋌1根+MWD+158.8 mm鉆鋌2根+127.0 mm加重鉆桿30根+127.0 mm鉆桿。

工具連續(xù)入井2次，循環(huán)鉆進共計148.5 h，進尺共計2 325 m。其中，2 577～2 677 m井段平均機械鉆速17.15 m/h。該井在下一趟鉆（井段2 677～2 767 m）不使用陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具，僅帶172.0 mm井下測量短節(jié)，平均機械鉆速12.2 m/h。圖12為工具使用前、后減振效果對比圖。由圖12可知：使用該工具后徑向振動平均值減小了42.2%；通過對比機械鉆速，使用工具后平均機械鉆速提高了40.5%。

5 結(jié)論與建議

（1）研制的陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具適用于215.9 mm井眼，適用工作排量25～38 L/s，壓耗0.4～0.8 MPa，耐溫150 ℃。

（2）動力學(xué)仿真分析結(jié)果表明，隨著載荷的增加，陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具減振幅度逐漸下降，說明工具只在一定的載荷范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的減振效果；在一定的載荷條件下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，工具減振幅度逐漸增大。

（3）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，使用陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具后，鉆頭徑向振動平均值減小了42.2%，平均機械鉆速提高了40.5%，該工具能夠有效保護鉆頭和提高機械鉆速。

（4）建議下一步在西部深井研磨性高、可鉆性差的地層中開展應(yīng)用，進一步評估陀螺穩(wěn)態(tài)鉆井工具的減振和提速性能。

參考文獻：

［1］ 李子豐，張超越，任文明，等．徑向振動對旋轉(zhuǎn)鉆柱摩阻扭矩的影響［J］．天然氣工業(yè)，2020，40（9）：80-86．

LI Z F，ZHANG C Y，REN W M，et al.Influence of radial vibration on the torque and drag of rotary drill string［J］.Natural Gas Industry，2020，40（9）：80-86.

［2］ 劉靜，王川，郝晨，等．井下段鉆柱耦合振動及鉆井液壓力分析［J］．石油機械，2021，49（7）：16-22，30．

LIU J，WANG C，HAO C，et al.Analysis of drill string coupled vibration and drilling fluid pressure in downhole section［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（7）：16-22，30.

［3］ 王沖．基于振動的鉆柱力學(xué)性能分析及安全評價［D］．北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2021．

WANG C.Vibration-based drillstring mechanical performance analysis and safety assessment［D］.Beijing：China University of Geosciences （Beijing），2021.

［4］ 許帥．鉆柱黏滑振動的機理分析及其抑制的研究［D］．西安：西安石油大學(xué)，2020．

XU S.Research on mechanism analysis and suppression of stick-slip vibration of drill string［D］.Xi'an：Xi'an Shiyou University，2020.

［5］ 伍喆．鉆柱扭轉(zhuǎn)振動特性研究及鉆井參數(shù)優(yōu)化［D］．北京：中國石油大學(xué)（北京），2020．

WU Z.Research on torsional vibration characteristics of drill string and optimization of drilling parameters［D］.Beijing：China University of Petroleum （Beijing），2020.

［6］ 林良彪，余瑜，南紅麗，等．四川盆地川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組四段儲層致密化過程及其與油氣成藏的耦合關(guān)系［J］．石油與天然氣地質(zhì)，2021，42（4）：816-828．

LIN L B，YU Y，NAN H L，et al.Reservoir tightening process and its coupling relationship with hydrocarbon accumulation in the fourth member of upper triassic Xujiahe formation in the Western Sichuan depression，Sichuan Basin［J］.Oil & Gas Geology，2021，42（4）：816-828.

［7］ 劉偉．川西氣田須家河組致密堅硬地層鉆井提速關(guān)鍵技術(shù)［J］．天然氣技術(shù)與經(jīng)濟，2020，14（5）：44-51．

LIU W.Key technologies to increase ROP for tight and hard Xujiahe formation，Western Sichuan Basin［J］.Natural Gas Technology and Economy，2020，14（5）：44-51.

［8］ 曹建．復(fù)合鉆進方式在井斜控制中的理論研究和應(yīng)用［D］．西安：西安石油大學(xué)，2011．

CAO J.The theory analyses and application of the positive displacement mortor in well straightening［D］.Xi'an：Xi'an Shiyou University，2011.

［9］ 管鋒，萬鋒，吳永勝，等．渦輪鉆具研究現(xiàn)狀［J］．石油機械，2021，49（10）：1-7．

GUAN F，WAN F，WU Y S，et al.Research status of turbodrill［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（10）：1-7.

［10］ 李相勇，王春華，楊決算，等．深部難鉆地層提速工具現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．西部探礦工程，2018，30（11）：74，77．

LI X Y，WANG C H，YANG J S，et al.Present situation and development trend of drilling acceleration tools in deep difficult to drill formation［J］.West-China Exploration Engineering，2018，30（11）：74，77.

［11］ 陳杰，牟小軍，李漢興，等．旋沖振蕩鉆井提速工具的研制與應(yīng)用［J］．?dāng)鄩K油氣田，2020，27（3）：386-389．

CHEN J，MOU X J，LI H X，et al.Development and application of rotary-percussive and oscillatory drilling tool［J］.Fault-Block Oil and Gas Field，2020，27（3）：386-389.

［12］ 錢安娜，劉嘉懿，周錦昊，等．陀螺進動特性的研究［J］．大學(xué)物理，2019，38（12）：48-51．

QIAN A N，LIU J Y，ZHOU J H，et al.Research on characteristics of gyroscopic precession［J］.College Physics，2019，38（12）：48-51.

［13］ 姬曼，邵偉平，郝永平．基于一種利用慣性轉(zhuǎn)子陀螺的彈丸姿態(tài)控制的研究［J］．光電技術(shù)應(yīng)用，2019，34（5）：67-71．

JI M，SHAO W P，HAO Y P.Research on attitude control of projectile based on inertial rotor gyroscope［J］.Electro-Optic Technology Application，2019，34（5）：67-71.

［14］ 王文善，王亮，李仁杰，等．雙盤式磁力耦合器轉(zhuǎn)矩特性的研究［J］．煤礦機械，2020，41（3）：44-47．

WANG W S，WANG L，LI R J，et al.Research on torque characteristics of double disk magnetic coupler［J］.Coal Mine Machinery，2020，41（3）：44-47.

［15］ LUBIN T，REZZOUG A.Steady-state and transient performance of axial-field eddy-current coupling［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（4）：2287-2296.

［16］ 張小鋒，袁愛仁，吳盈志．筒式磁力耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳動性能的影響［J］．機械設(shè)計與制造，2019（10）：189-192，196．

ZHANG X F，YUAN A R，WU Y Z.Influence of structural parameters of drum-type magnetic couplers on transmission performance［J］.Machinery Design & Manufacture，2019（10）：189-192，196.

［17］ 趙春紅．基于ADAMS的液壓鉆機機械手動作特征分析［J］．煤礦機械，2021，42（2）：87-89．

ZHAO C H.Analysis of action characteristics of hydraulic drilling rig manipulator based on ADAMS［J］.Coal Mine Machinery，2021，42（2）：87-89.