基于提高質量效率的垂直鉆具淺談

楊民進

【摘要】針對傳統的防斜打直工具不能有效解決井身質量和鉆井速度之間的矛盾，以及地質因素和鉆井工況對防斜打快提出的新要求，對機械式自動垂直鉆井工具、捷聯式自動垂直鉆井系統、閉環自動垂直鉆具、機電液一體化自動垂直鉆井工具、西部鉆探垂直鉆井系統等進行了論述，以為解決鉆進過程中的井斜問題，提高鉆井速度，降低鉆井成本提供鉆具參考。

【關鍵詞】鉆具系統??垂直鉆具

現代防斜打直技術的核心是解決井身質量和鉆井速度之間的矛盾。為解決直井特別是高陡構造條件下的突出井斜問題，降低油氣開發成本、提高油氣采收率，有效解決防斜打快的問題，通過多種垂直鉆具系統的設計研制，可以有效解決井身質量問題，切實提高鉆井效率。

一、機械式自動垂直鉆井工具

機械式自動垂直鉆井工具工作原理：工具上端和下端分別與鉆柱和鉆頭相連。若井眼發生傾斜，配重就會在其自身重力作用下，穩定在傾斜井眼的低邊，上盤閥的扇形偏心流道則穩定在井眼高邊。當上盤閥上的扇形偏心流道與下盤閥上的導流孔重合時，鉆柱內、外高低壓流體間的通道被打開，高壓鉆井液進入活塞缸，推動活塞靠向高邊井壁，井壁的反作用力使得鉆頭在井眼低邊井壁上的切削量增加。同時，鉆柱內、外高低壓流體間的通道被關閉，高壓鉆井液不能驅動活塞靠向井壁，因此鉆頭在井眼低邊井壁以外區域的切削量不會增加。鉆柱持續旋轉過程中上述過程循環往復，鉆頭會增加在井眼低邊井壁上的切削量，實現鉆進過程中對井斜的適時修正。

機械式自動垂直鉆井工具能夠自動感應井斜并進行主動糾斜，可以有效地減少鉆柱所受的摩擦力和阻力，使所形成的井眼更光滑，有利于降低卡鉆風險。更重要的是能夠釋放鉆壓、正常鉆進及提高鉆速。其結構特點為：采用機械結構控制，無電子控制裝置，適應范圍廣，可靠性高;工具失效后，不對鉆井施工產生負面影響;整套工具強度不低于鉆具的設計強度。

二、捷聯式自動垂直鉆井系統

捷聯式自動垂直鉆井系統采用動態推靠方式實現鉆進過程中的主動防斜、糾斜，捷聯式穩定平臺是系統的核心。該系統主要由基于旋轉基座的測量短節、井下發電機、無刷力矩電機、旋轉變壓器和防斜糾斜執行機構等組成。在穩定平臺的控制下，力矩電機驅動執行機構中的盤閥對過流鉆井液進行控制，利用活塞驅動翼肋推靠井壁，產生具有糾斜作用的側向推靠力，以實現防斜、糾斜功能。捷聯式自動垂直鉆井系統具有以下特點：穩定平臺與鉆鋌固聯在一起，具有相同的運動狀態，機械結構簡單，易實現;穩定平臺內部結構與外部鉆井液過流通道之間采用液壓油進行平衡密封隔離，增加了工作的可靠性及使用壽命;采用全新的捷聯算法及高性能的傳感器件，計算更加準確，精度更高。

三、閉環自動垂直鉆具

閉環自動垂直鉆具結構原理圖如圖2所示。它由發電機、孔斜測量單元、電子控制單元及液壓執行單元組成，所有部件均安裝在不轉動的環狀空間內，結構簡單，造價低。

該系統的發電機和液壓泵都是通過鉆桿驅動，因而，在密封較好的情況下，該鉆具的工作不受泥漿的影響，即在欠平衡鉆進或進行干鉆時，垂鉆系統可正常工作。

圖2??孔底閉環自動垂鉆結構原理圖

經過室內試驗與野外試驗，初步證明該鉆具基本到達了設計的要求。在鉆進時能自動測斜、自動判斷、自動輸出合乎要求的糾斜力。由于結構簡單，制作成本較低，比較適合我國的現實情況，系統還可進一步發展，與MWD連接，適應較高級用戶的要求。

四、機電液一體化自動垂直鉆井工具

機電液一體化自動垂直鉆井工具，能夠自動探測傾斜情況，并在鉆頭上自動產生一個附加的降斜力。該鉆井裝置設有固定導向套，固定導向套內設有探測控制裝置，探測控制裝置與電磁換向閥控制連接，電磁換向閥的控制口與導向液壓缸連通，導向液壓缸嵌設于固定導向套內靠近鉆頭的部位，導向液壓缸的導向活塞伸于固定導向套的外壁。探測控制裝置為微處理器，連接有雙向重力加速度計。電磁換向閥的入口與鉆柱內的泥漿流道連通，電磁換向閥的出口與環空連通。固定導向套與鉆柱之間的間隙與鉆柱內的泥漿連通，固定導向套與鉆柱之間的間隙與電磁換向閥連通。

五、西部鉆探垂直鉆井系統

該垂直鉆井系統在井眼發生井斜時，能夠自動在鉆頭上產生一個指向低邊的側斜力，使鉆頭保持向垂直方向鉆進，達到降斜的目的。西部鉆探垂直鉆井系統主要分為三大部分：數據測量傳輸系統、井斜控制系統、動力系統。動力系統主要包括液壓泵，本體和中心管，在工具工作時提供動力;數據測量傳輸系統主要進行井斜數據的傳輸，測控儀器測得的井斜數據經信號耦合器轉換后傳遞到脈沖發生器，然后傳至地面;井斜控制系統是通過控制電磁閥和液壓泵，推動柱塞在井眼高邊產生鉆頭側向力，起到降斜的作用。在鉆進過程中，該鉆具下入井內，動力系統向測控儀器供電，測控儀器開始測量井斜數據，井斜數據通過傳輸系統傳遞到地面。同時，井斜高邊的測控儀器發送指令，利用井斜控制系統在鉆頭上產生一個從井眼高邊指向井眼低邊的側斜力，起到降斜的作用。

工具的主要優點在于：具備數據采集傳輸和井斜控制的雙重功能，有利于現場井斜控制和分析。采用整體液壓泵，具有排量大，結構簡單，安裝方便的優點。發電機也采用整體式，便于拆卸和更換。信號耦合器采用線圈耦合，原線圈與次線圈互不接觸，磨耗腐蝕較小，信號穩定可靠。

總之，垂直鉆具系統可以有效解決高陡構造鉆進過程中井身質量與鉆井速度的矛盾，提高機械鉆速，降低鉆井成本。

參考文獻：

[1]孫浩玉，聶云飛，吳仲華.?自動垂直鉆井系統執行機構性能模擬試驗[J].?石油機械，2016，32（9）：28-31.

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