垂鉆工具全尺寸立式試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架研制及應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TE927 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.04.012

Developmentand Application of Full-Size Vertical TestingBench for Vertical Drilling Tools

SUN Feng12， YANG Ximing

（1.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development， Beijing102206，China;2.SinopecResearch InstituteofPetroleum Engineering，Beijing1O2206，China; 3.School ofElectronic Engineering，Xi'anShiyou University，Xi'an71oo65，China）

Abstract：To verify whether the overall performance of the mechanical automatic vertical driling tools of static push type meets the design requirements，a full-size vertical testing bench was developed.The bench integrated a testand measurementdevice with integratedmechanical，electrical，and hydraulic controls，effectively simulating actual drilling conditions.The hydraulic push-pull device enabled the tool to swing bidirectionally between -4^° to 4^° relative to the vertical direction，and the circulation system provided a circulation flow rate of 15＼～45 L/s.The pressure regulation device maintained a water pressure diffrence of O＼～5 MPa for the drillbit，and the push-pull force measurement device measured a push-pull force of 0～50kN . A vertical structure design was employed to simulate vertical drilling conditions，and a hydraulic push-pull device was adopted to simulate changes in well deviation.A variable displacement piston reciprocating pump was used to provide circulating water， and a pressure regulation device was designed to adjust and measure the pressure diference at the tool outlet. By measuring the tool's swing chord length，the tool’s inclination angle was indirectly calculated，and a push-pull force measurement device was designed to measure the push -pull force under different conditions.The results show that the full-size vertical testing bench can simulate well deviation conditions and measure the tool’scorrection ability under different well deviations，and its technical performance indicators meet the design requirements.The test results validate the tool's overall performance under simulated machine pump flow rate and pressure diference in the field，determine the start angle of the push-pullwing rib，determine the range of push-pull force values of the wing rib， and realize the interlocking function under different pressure differences.The testing bench can effectively simulateactual drilingconditions，conductperformance testsunderrelativelyrealistic conditions，and achieve the test purpose，which provides a test basis for tool improvement and optimizationiteration.

Key words ： testing bench; vertical drilling tool; push-pullforce measurement; well deviation

目前從新區(qū)、深層油氣鉆探區(qū)的實(shí)際情況來看，主要面臨的難題是高陡構(gòu)造、大傾角地層等易斜地層中實(shí)現(xiàn)防斜打快。井斜問題嚴(yán)重阻礙了在上述地區(qū)的勘探進(jìn)程，致使鉆井成本居高不下，這一問題在我國西部和南方海相地區(qū)表現(xiàn)得更加突出[1-5]

目前國外以斯倫貝謝（SLB）公司的PowerV、貝克休斯（Baker）公司的Verti-track為代表的自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，但成本較高。為打破技術(shù)壟斷，國內(nèi)三大油公司及相關(guān)科研院所也開展了垂鉆工具的研制及試驗(yàn)應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展6-I]。中石油西部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院研制的 ?311mm 垂鉆系統(tǒng)分別在T82066井和T82065井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)[12-13]。中石油渤海鉆探公司研制的VDT5000型自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)在塔里木克深207井成功試驗(yàn)應(yīng)用[14-15]。中石化勝利鉆井院研制的捷聯(lián)式自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)，采用捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)，在安順1井取得了極佳的應(yīng)用效果[16-19]。中國石油大學(xué)（華東）倪紅堅(jiān)等[20]研制的機(jī)械式垂鉆工具，在新疆油田和塔里木油田應(yīng)用取得了較好的防斜糾斜打快的效果。中石化石油工程技術(shù)研究院研制的機(jī)械式垂鉆采用靜態(tài)推靠模式，重力響應(yīng)精度達(dá)到 10.5^° ，目前已完成了三口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

無論是機(jī)電液一體化的自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)，還是純機(jī)械式的鉆井工具，在研制過程中都需要通過單元及臺(tái)架試驗(yàn)來驗(yàn)證其設(shè)計(jì)目的及功能實(shí)現(xiàn)，因此研制全尺寸立式測(cè)試臺(tái)架就是通過模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，施加相關(guān)工程參數(shù)來驗(yàn)證工具性能，從而達(dá)到早期發(fā)現(xiàn)工具設(shè)計(jì)缺陷，降低研制風(fēng)險(xiǎn)以及實(shí)現(xiàn)改進(jìn)迭代的目的[21-24]。

1總體設(shè)計(jì)

垂鉆工具全尺寸立式測(cè)試臺(tái)架主要用于對(duì)靜態(tài)推靠機(jī)械式垂鉆工具進(jìn)行測(cè)試。該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬全尺寸工具垂直鉆進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工況，可提供具有一定壓力和排量的循環(huán)水，以模擬鉆井泵排量和立管壓力，工具出口端設(shè)有壓力調(diào)節(jié)裝置。此設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)工具 .-4^°～4^° 的傾角調(diào)整，并能夠測(cè)量工具巴掌塊的推靠力、工具傾斜角以及工具試驗(yàn)壓差。該設(shè)備后期可進(jìn)行功能性擴(kuò)展，提供旋轉(zhuǎn)、加壓及方位變化等工況參數(shù)，以用于測(cè)試其他井下工具。

依據(jù)工具試驗(yàn)方法及設(shè)備功能要求，制定設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)臺(tái)架采用立式結(jié)構(gòu)，可將工具垂直懸掛，以模擬垂直鉆井工況；設(shè)計(jì)工具懸掛鉸鏈機(jī)構(gòu)，使工具在外力作用下能夠擺動(dòng)傾斜：設(shè)計(jì)液壓推拉裝置，實(shí)現(xiàn)工具相對(duì)垂線的雙向擺動(dòng)來模擬井斜變化；設(shè)計(jì)可變排量柱塞往復(fù)泵，為工具測(cè)試提供循環(huán)水；設(shè)計(jì)壓力調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)工具出口壓差并可進(jìn)行測(cè)量；通過測(cè)量工具擺動(dòng)弦長，采用間接法計(jì)算工具傾角；設(shè)計(jì)推靠力測(cè)量裝置，以實(shí)現(xiàn)不同工況下對(duì)巴掌塊推靠力的測(cè)量。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，全尺寸試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-懸掛機(jī)構(gòu)；2-工具連接工裝；3-壓差調(diào)節(jié)裝置及壓差測(cè)量裝置;4-液壓推拉裝置;5-角度測(cè)量裝置;6-推靠力測(cè)量裝置；7-被測(cè)試工具；8-循環(huán)系統(tǒng)；9-立式試驗(yàn)架；10-測(cè)力單元。

2 關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

2.1 主體框架設(shè)計(jì)

立式框架采用300H型鋼焊接而成，為塔式框架結(jié)構(gòu)，能夠承受 100kN 的載荷。四根立柱分別與頂部平臺(tái)和底部平臺(tái)通過螺栓連接，在四根立柱之間的三面連接桿上焊接100型角鋼作為加強(qiáng)筋，用以防止設(shè)備失穩(wěn)。未焊接加強(qiáng)筋的一面用于拆裝工具。綜合考慮測(cè)試工具的長度以及安裝連接管路等因素，試驗(yàn)臺(tái)安裝平面距底部高度應(yīng)不小于 10m 。

由于工具加載位置處于框架前部開口區(qū)域，為了更準(zhǔn)確地確定設(shè)備的受力及變形情況，以確保設(shè)備的安全性，利用有限元軟件對(duì)框架進(jìn)行了校核。采用軟件默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格自由剖分方式，試驗(yàn)臺(tái)主體的節(jié)點(diǎn)數(shù)為189146，單元總數(shù)為102585。所施加的載荷通過懸掛裝置作用于頂部平臺(tái)上的兩個(gè)安裝座上，施加載荷為設(shè)備額定懸掛載荷的兩倍。邊界條件的設(shè)定依據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)工況，由于試驗(yàn)臺(tái)底座固定在地面上，僅需限制其底面y向自由度即可。計(jì)算校核結(jié)果如圖2所示。

試驗(yàn)臺(tái)架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的最大值為 98.56MPa ，主體材料Q235A的屈服強(qiáng)度為 235MPa ，安全系數(shù)較大。試驗(yàn)臺(tái)架的最大變形為 1.25mm ，出現(xiàn)在U型孔的外邊緣位置。該變形不會(huì)影響設(shè)備的穩(wěn)定性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果亦無影響。判定該試驗(yàn)臺(tái)架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

2.2懸掛機(jī)構(gòu)及工裝

懸掛機(jī)構(gòu)安裝于頂部平臺(tái)之上，由兩個(gè)呈半開式軸瓦結(jié)構(gòu)的支座構(gòu)成，用于支撐和懸掛工具。中間的工具連接工裝用于吊裝工具以及座掛工具。懸掛頂蓋與懸掛支座通過銷軸或螺栓實(shí)現(xiàn)閉合，所形成的圓形孔與工具連接工裝的轉(zhuǎn)軸相匹配，從而實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，使得垂鉆工具能夠在其上實(shí)現(xiàn)雙向擺動(dòng)。懸掛機(jī)構(gòu)和頂部平臺(tái)均采用半開式結(jié)構(gòu)，降低了工具的起吊高度和安裝難度。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 推拉機(jī)構(gòu)

液壓推拉裝置通過油缸使垂直懸掛在立式平臺(tái)上的工具擺動(dòng)一定角度，模擬井斜使工具產(chǎn)生的偏斜。由于采用了可編程控制系統(tǒng)，可以控制工具位移量即工具偏斜角大小。液壓泵站通過液壓膠管與油缸連接，給油缸提供動(dòng)力。油缸座采用可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同工具的連接要求。同時(shí)油缸兩端采用鉸接連接，使工件擺動(dòng)不受限制，液壓推拉結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1-測(cè)試工具；2-工具固定卡；3-轉(zhuǎn)軸；4-液壓缸；5-油缸座；6-油缸支撐架;7-T型螺栓;8-拉繩傳感器。

2.4推靠力測(cè)量裝置

測(cè)量裝置由4個(gè)測(cè)力單元、測(cè)力單元安裝板、安裝架等組成，用于測(cè)量巴掌塊的推靠力，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。測(cè)力單元通過安裝架固定在工具上，隨著工具一起移動(dòng)，測(cè)力單元測(cè)出的推靠力不受工具重量的影響。

工具處于垂直狀態(tài)時(shí)，測(cè)試工具上的推靠塊與測(cè)量頂絲之間的間隙為 2～3mm ，當(dāng)測(cè)試工具偏離垂直狀態(tài)時(shí)，測(cè)試工具上的推靠塊沿垂直工具軸線方向伸出，最大伸出量為 10mm ，碟簧用于補(bǔ)償工具推靠塊的伸出量。壓力傳感器是測(cè)量裝置的主體，測(cè)量范圍由工具巴掌塊的推靠力決定，由于工具巴掌塊的推靠力范圍 0～30kN ，考慮到安全系數(shù)，選用量程 0～50kN 的壓力傳感器，型號(hào)為DBSL-5，電壓10＼～15V 。測(cè)力單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1-測(cè)力單元安裝板I；2-測(cè)試工具；3-測(cè)力單元安裝板Ⅱ；4-測(cè)力單元；5-安裝架；6-連接螺栓；7-螺栓固定套。

1-傳感器支架；2-導(dǎo)向鍵；3-傳感器安裝板;4-螺母；5-傳感器;6-推力滾針軸承；7-調(diào)節(jié)螺釘；8-頂絲；9-測(cè)力模塊；10-碟簧；11-導(dǎo)套。

2.5循環(huán)系統(tǒng)及壓差測(cè)量裝置

循環(huán)系統(tǒng)由兩臺(tái)五缸柱塞泵、一臺(tái)F-1300型鉆井泵、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器以及循環(huán)管路構(gòu)成。兩臺(tái)五缸柱塞泵與一臺(tái)鉆井泵并聯(lián)運(yùn)行，為測(cè)試工具提供具有一定排量和壓力的循環(huán)液體。在測(cè)試工具的出口處安裝有壓力調(diào)節(jié)閥，在該調(diào)節(jié)閥的前端裝配有壓力傳感器。通過調(diào)節(jié)閥門開度，為工具提供所需的壓差，并借助壓力傳感器測(cè)量工具的壓差大小。循環(huán)系統(tǒng)如圖7所示。

試驗(yàn)測(cè)試應(yīng)用中，當(dāng)排量小于40L/s時(shí)，系統(tǒng)配置選用兩臺(tái)五缸柱塞泵提供循環(huán)液；若總排量大于45L/s ，則可選用兩臺(tái)五缸柱塞泵和一臺(tái)F-1300型鉆井泵提供循環(huán)液。壓差調(diào)節(jié)裝置及壓差測(cè)量裝置選用直徑為 ?88.9mm （3英寸）的高壓閥門進(jìn)行壓差調(diào)節(jié)，該閥門壓力為 35MPa ，通過調(diào)節(jié)閥門開度大小來調(diào)節(jié)工具出口壓力。對(duì)于工具出口壓力的測(cè)量，選用WP402B-21MPa-2G22E2M3SJ型的壓力傳感器，其量程為 0～21MPa 。

3 性能參數(shù)

設(shè)計(jì)研制的垂鉆工具全尺寸立式測(cè)試臺(tái)架能夠模擬井斜工況，測(cè)出不同井斜下的工具糾偏能力，其技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

測(cè)量裝置及推靠力測(cè)量?jī)x表如圖9所示。

4 應(yīng)用試驗(yàn)

通過全尺寸試驗(yàn)臺(tái)架開展了 ?178mm 靜態(tài)推靠式垂鉆的地面水力測(cè)試，驗(yàn)證了垂鉆工具在模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)泵排量及壓差下的整機(jī)性能；驗(yàn)證在 -4^°～4^° 井斜變化范圍內(nèi)，推靠翼肋的啟動(dòng)角度，確定重力測(cè)斜穩(wěn)定平臺(tái)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)精度；驗(yàn)證在不同壓差下的翼肋推靠力值范圍及互鎖功能實(shí)現(xiàn)；驗(yàn)證不同排量下的工具兩端軸承處及推靠翼肋處的泄流情況等試驗(yàn)內(nèi)容。垂鉆工具試驗(yàn)如圖8所示。試驗(yàn)過程中采用的

測(cè)力試驗(yàn)工裝傳感器觸點(diǎn)嵌套安裝在推靠單元 周向均布的4個(gè)翼肋高點(diǎn)處，4個(gè)推力顯示儀表與傳 感器一一對(duì)應(yīng)，實(shí)時(shí)響應(yīng)推力變化，液壓推靠行程對(duì) 應(yīng)工具傾斜角度，變化范圍 -4^°～4^° O

根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可以得到推靠力隨壓差變化曲線以及工具內(nèi)部無效壓耗隨排量的變化曲線，如圖10＼～11所示。

加壓 0.3MPa ，翼肋啟動(dòng)，推靠力隨著壓差的增加基本是線性增加，有效壓耗占比（推靠力）最大94.46% ，平均在 80% 左右。工具兩端PDC軸承的泄漏，使得工具內(nèi)部存在無效壓力損耗，在試驗(yàn)壓差范圍內(nèi)，無效壓耗平均在 0.27MPa 。

5結(jié)論

1）全尺寸垂鉆工具立式試驗(yàn)臺(tái)架是為靜態(tài)推靠機(jī)械式垂鉆工具設(shè)計(jì)研制的測(cè)試裝備，利用液壓推拉裝置實(shí)現(xiàn)工具相對(duì)于垂線方向 -4^°～4^° 雙向擺動(dòng)；利用循環(huán)系統(tǒng)能夠提供15＼～45L/s的循環(huán)排量，利用壓力調(diào)節(jié)裝置給工具提供 0～5MPa 鉆頭水壓差，為工具推靠力提供動(dòng)力源；利用推靠力測(cè)量裝置，測(cè)量工具在不同井斜工況下的工具糾偏能力及靈敏度，測(cè)量推靠力 0～50kN 。

2）集機(jī)電液控一體化的試驗(yàn)測(cè)試裝置，可有效模擬實(shí)際鉆井工況，使工具性能測(cè)試在相對(duì)接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況下進(jìn)行，達(dá)到了驗(yàn)證工具性能的測(cè)試及驗(yàn)證的目的，為進(jìn)一步工具改進(jìn)及優(yōu)化迭代提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

3通過地面全尺寸的臺(tái)架試驗(yàn)表明，該臺(tái)架設(shè)計(jì)合理，技術(shù)指標(biāo)滿足工具的試驗(yàn)要求，后期可進(jìn)行功能性擴(kuò)展，增加旋轉(zhuǎn)及鉆壓參數(shù)等，用于其他井下工具試驗(yàn)。

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（編輯：馬永剛）