旋轉推靠式自動垂直鉆井工具應用分析

吳小雄，段樹軍，王前敏，張宏橋，左永強，鄧榮，敬幸福

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞 721002；3.四川寶石機械石油鉆頭有限責任公司，成都 610000）

0 引言

隨著石油勘探開發領域的不斷擴展與深入，山前構造區域勘探開發力度不斷增大, 鉆遇山前高陡構造和大傾角地層的情況越來越多，這些地層造成的井斜直接影響井深質量和鉆井速度[1-3]。自動垂直鉆井工具是集機、電、液一體化的自主糾斜系統，是解決該問題的一大利器，因此對自動垂直鉆井工具的研究和應用也越來越多。雖然最近幾年國內對自動垂直鉆井技術研究投入越來越多，也取得了一定的成果，但在垂直鉆井工具的應用上，還普遍存在對地層認識不足，鉆頭選型和鉆柱設計不盡合理造成的應用效果不盡理想的問題[4]。

國內外的自動垂直鉆井工具大致可以分為3類：滑動推靠式、旋轉推靠式和滑動指向式[5]。但目前國內應用最多、效果最好的是以斯倫貝謝Power-V系統為代表的旋轉推靠式自動垂直鉆井工具。寶雞石油機械有限責任公司也成功研制了旋轉推靠式自動垂直鉆井工具，并成功獲得了應用。本文對旋轉推靠式自動垂直鉆井工具進行了應用分析。

1 技術分析

1.1 結構組成

旋轉推靠式自動垂直鉆井工具主要由上端起控制作用的穩定平臺和下端起導向作用的導向機構兩部分組成，如圖1所示。穩定平臺是工具的大腦中樞，起到指揮的作用，內部包含渦輪發電機、速度陀螺儀、加速度傳感器和磁通門傳感器以及電子控制器件等。導向機構的作用是執行穩定平臺的指令，是一個純機械執行機構，主要由1個鉆井液導流閥和3個由鉆井液控制的推力板組成。導流閥與穩定平臺的控制軸相連，方向由控制軸的方位決定。

圖1 旋轉推靠式自動垂直鉆井工具結構簡圖

1.2 工作原理

自動垂直鉆井工具導向機構的3個推力板在圓周上間隔120°均勻分布，如圖2所示。該工具有兩個工作模式，即糾斜模式和穩斜模式。當井斜角超過一定范圍，工具進入糾斜模式，控制軸停留在井眼高邊處，鉆井液經導流閥分流后只進入在井眼高邊的推力板處，此時其他兩個推力板處無鉆井液作用。高邊處的推力板受鉆井液的液壓力推動伸出，推壓井壁，井壁對鉆頭產生1個反作用力，這就是鉆頭側向力，鉆頭側向力迫使鉆頭有力地切削井眼低邊。導向機構整體隨鉆柱旋轉，這一個推力板轉過高邊后，鉆井液壓力就作用于下一個轉到高邊的推力板上，繼續完成糾斜任務，如此循環反復，完成邊鉆進邊糾斜的功能。當井斜角沒有超出范圍時，工具的控制軸勻速轉動，流道交替打開，推力板交替伸出推靠井壁，起到穩斜的作用。

圖2 旋轉推靠式自動垂直鉆井工具導向機構結構簡圖

1.3 技術特點

旋轉推靠式自動垂直鉆井工具采用全旋轉的工作方式，工具整體在井下是全部隨鉆柱旋轉的，能有效避免滑動式工具造出井眼“鍵槽”的問題，避免了工具粘卡的風險。導向機構的推力板交替推出拍打井壁，造出的井眼規則，提高了井身質量，極大地減少了井下復雜事故的發生。

工具采用井下小閉環自動控制，當井斜超過規定的范圍后，井下控制系統自動發出糾斜指令，導向機構產生相應的糾斜動作。整個過程完全由井下控制系統指揮完成，這一閉環控制反應迅速，工具姿態調整及時，鉆出的井眼軌跡規則，井壁光滑。

2 應用理論研究

2.1 鉆柱設計研究

對使用自動垂直鉆井工具的鉆柱進行理論受力分析，如圖3所示。

圖3 鉆柱受力理論分析簡圖

根據力矩平衡原理可知：

式中：F1為鉆頭對井壁側向力的反作用力；F′為推力板對井壁推靠力的反作用力；L1為鉆頭到工具推力板的距離；L2為工具推力板到扶正器的距離。

從式（1）分析可以看出：為了保證鉆頭對井壁有足夠的側向切削力，L1要盡可能小；為了保證更好的糾斜效果，扶正器支撐點也不宜離推力板位置太遠，即L2長短要適中，推薦長度為2～4 m[6]。在鉆柱設計時要特別注意這一點。目前斯倫貝謝的Power-V系統為了盡量使L2長度合理，已經把扶正器集成到工具外筒上了。此處的扶正器不但可以協助工具降斜，還可以修整井壁，使井眼更加光滑、規則[7]。

2.2 鉆井參數設計研究

從上述式（1）可以看出，工具導向機構推力板的推靠力大小直接影響鉆頭對井壁側向切削力的大小，從而影響糾斜效果。導向機構工作狀態如圖4所示，下面對工具推力板的推靠力F大小進行分析：

圖4 旋轉推靠式自動垂直鉆井工具導向機構工作簡圖

式中：S為活塞作用面積；ΔP為作用在活塞上的內外壓力差，這里可以近似看作鉆頭壓降；ρ為鉆井液密度；Q為鉆井液排量；C為鉆頭噴嘴流量系數，常數；d為鉆頭噴嘴當量直徑。

式（2）、式（3）表明了推力板推靠力F是與活塞作用面積S、鉆井液密度ρ、鉆井液排量Q的平方成正比，與鉆頭噴嘴當量直徑Q的4次方成反比的。

從式（2）可以看出，在工具應用時活塞作用面積已是定值，只能依靠鉆頭壓降ΔP來調節推力板的推力大小。理論上來講，推靠力越大，糾斜效率就越高。但推靠力太大會降低機械部分的壽命，甚至破壞機械部分；推靠力太小會降低工具的作用效果，達不到預期的糾斜效果。需要根據具體情況選擇一個合理值，推薦壓降范圍為3.5～5.0 MPa[7]。

從式（3）可以看出，鉆井液密度ρ、鉆井液排量Q 和鉆頭水眼參數（噴嘴型式、個數和直徑）直接決定了鉆頭壓降ΔP的大小。鉆井液密度ρ與地層壓力有關，鉆井設計時已確定；根據鉆進泵情況，鉆井液排量Q只在一定范圍內可調。因此可以看出對鉆頭水眼參數的選擇就變得尤為重要，所以在工具下井前就要匹配好水眼參數，當然水眼的選擇還要兼顧鉆頭本身的功率。工具下井后，鉆頭壓降ΔP的調節只能通過調節鉆井液排量Q來實現。

3 現場應用實例分析

3.1 國產自動垂直鉆井工具的應用

寶雞石油機械有限責任公司研制的自動垂直鉆井工具在梓頁1井、酉參2井、DJY-1井等獲得了成功應用。

1）梓頁1井。梓頁1井位于貴州省遵義市桐梓縣，屬于預探井，設計井深為2465 m。工具應用井段為1000～1125 m，應用地層狀況為二疊系下統茅口組，地層傾角15°，傾向163°。應用后期井壁穩定性差，短起下卡鉆頻繁，需要處理泥漿，起出鉆具，現場及返廠后檢查，工具均無損壞，仍可繼續使用。本次應用進尺為125 m，平均機械鉆速為4.07 m/h，純鉆時間為30.7 h。

鉆具組合：φ311.2 mmPDC鉆頭+自動垂直鉆井工具+鉆鋌+扶正器+鉆桿。

鉆井參數：鉆壓為120～140 kN，排量為45 L/s，泥漿密度為1.44～1.5 g/cm3，泵壓為10～11 MPa，轉盤轉速為80 r/min。

應用效果：a.井斜由入井前的4.3°下降至2.5°，起到了很好的糾斜效果；b.鉆壓由常規70～80 kN，增加至120～140 kN，大幅釋放了鉆壓；c.機械鉆速平均為4.07 m/h，比鄰井（2.7 m/h）提高了51%，提速效果顯著。

2）酉參2井。酉參2井是部署在渝東南陷褶束黔江凹褶皺束龔灘向斜軸部端的一口頁巖氣參數井，是一口探井。設計井深為2176 m，工具應用井段為187～262 m，純鉆時間只有4.4 h。應用后期該井滲漏嚴重不適合大排量作業，使用排量降低到28 L/s，推力板推力不夠，且該井地層較酥松，不適合工具繼續作業，起出鉆具。

鉆具組合：φ311.2 mmPDC鉆頭＋垂直鉆井工具＋φ229 mm減震器＋φ228.6 mm無磁鉆鋌1根＋φ228.6 mm鉆鋌1根＋φ310 mm穩定器＋φ228.6 mm鉆鋌1根＋φ203.2 mm鉆鋌6根＋φ165.1 mm鉆鋌9根＋φ165.1 mm隨鉆震擊器+φ165.1 mm鉆鋌3根＋φ127 mm鉆桿。

鉆井參數：鉆壓為20～80 kN，排量為28 L/s及48 L/s，泵壓為8～12 MPa，轉速為60 r/min。

應用效果：a.由于地層極易鉆進，使用工具前后機械鉆速差距不大，都是15 m/h左右；b.在未使用工具的128 m、156 m和268 m所測的井斜角均超過3°。在使用工具的193 m和211 m所測的井斜角均小于2°。在使用工具的240 m所測的井斜角為3.33°，而此時由于井漏的原因鉆井液排量僅為28 L/s，鉆井液排量過小影響工具推力板的推靠力度，從而影響工具的糾斜效果。

3）DJY-1井[8]。DJY-1井是四川都江堰市厚度巨大的礫、砂巖沉積侏羅系山前構造上的1口井，設計井深為4000 m。工具應用井段為1734～1941 m，累計進尺207 m，平均機械鉆速為1.06 m/h，純鉆時間為196 h。

鉆具組合：φ311.2 mm牙輪鉆頭×0.3 m＋垂直鉆井工具×4.8 m＋轉換接頭×0.25 m＋φ203.2 mm鉆鋌×28.4 m＋φ310 mm穩定器×1.5 m＋φ203.2 mm鉆鋌×28.4 m＋轉換接頭×1.3 m＋φ177.8 mm鉆鋌×28.4 m＋轉換接頭×1.3 m＋φ158.8 mm鉆鋌×141.8 m＋轉換接頭×1.3 m＋φ127 mm鉆桿。

鉆井參數：鉆壓為220～220 kN，排量為31 L/s，泵壓為8.4 MPa，轉速為45 r/min。

應用效果：a.井斜由入井前的0.9°下降至0.7°，起出工具后，井隊繼續采用常規鉆具組合鉆進，井深1998 m處的井斜角達到2.0°，井深2315 m處的井斜角達到2.4°；b.鉆壓得到了釋放，由80～100 kN釋放到200～220 kN；c.平均機械鉆速由0.62 m/h提高1.06 m/h，提速明顯；d.工具返廠后檢修，所有功能正常，推力板伸出靈活，但活塞、推力板等零件磨損嚴重。

3.2 國外公司自動垂直鉆井工具的應用

目前，國內應用最多的旋轉推靠式自動垂直鉆井工具就是斯倫貝謝的Power-V系統，下面就以Power-V系統為例進行分析。應用過Power-V系統的主要有普光7井、黑池1井、克拉2-3井、砂新2井、川西X01井、迪那2-1井、游6井等[9-13]，下面以砂新2井為例進行介紹。

砂新2井設計井深為5200 m，工具下井前井斜達到了6.46°。工具應用井段為2405.80～2798.04 m，進尺392.24 m。

鉆具組合1：φ311.2 mmPDC鉆頭＋垂直鉆井工具＋φ311.2 mm扶正器＋隨鉆測斜儀（MWD）+φ228.6 mm減震器＋φ311.2 mm扶正器＋φ203.2 mm鉆鋌6根＋φ177.8 mm鉆鋌5根＋φ203.2 mm震擊器＋φ177.8 mm鉆鋌2根＋φ127 mm加重鉆桿15根+φ127 mm鉆桿。

鉆井參數1：鉆壓為40～100 kN，排量為45～50 L/s，泥漿密度為1.22～1.26 g/cm3，泵壓為19～24 MPa，轉速為80～110 r/min。

鉆具組合2：φ311.2 mmHJ 517G牙輪鉆頭＋垂直鉆井工具＋φ311.2 mm扶正器＋隨鉆測斜儀（MWD）+φ228.6 mm減震器＋φ311.2 mm扶正器＋φ203.2 mm鉆鋌7根＋φ177.8 mm鉆鋌11根＋φ203.2 mm震擊器＋φ127 mm加重鉆桿15根+φ127 mm鉆桿。

鉆井參數2：鉆壓為160～220 kN，排量為42～45 L/s，泥漿密度為1.22～1.26 g/cm3，泵壓為19～22 MPa，轉速為70～85 r/min。

應用效果分析：砂新2井在Power-V使用后，井斜由6.46°降至1°以內。平均機械鉆速為1.81 m/h，比相鄰的、較淺的2125.0～2405.8 m井段提高了55.7%；比鄰井砂新1井相同井段提高了229.1%。

3.3 應用結果對比分析

從國產自動垂直鉆井工具的應用來看，實現了糾斜和穩斜功能，釋放了鉆壓，提高了機械鉆速，解決了防斜與打快的矛盾問題。但與斯倫貝謝Power-V系統的應用對比分析可以發現，國產自動垂直鉆井工具還存在以下幾點不足：

1）和國外優勢產品相比，糾斜效率不高。除了工具本身的糾斜能力不足外，還有就是在鉆頭參數選型和鉆柱設計上不盡合理造成的。如自動垂直鉆井工具上端沒有直接接扶正器，造成扶正器支撐點離工具推力板太遠，影響了糾斜效率。

2）機械鉆速提高率不穩定。主要是對地層認識不足，沒有合理匹配好鉆進參數造成的。

3）導向機構處的活塞、推力板等零件磨損嚴重，使用后期影響了推力板的推力輸出。

4）工具適用的排量范圍寬度窄，適用性不強。排量過低時，推力板推力小，起不到糾斜作用；排量過高時，對控制系統的電子元器件損耗大，降低了工具使用壽命。

4 結語

1）國產自動垂直鉆井工具雖然得到了成功應用，但應用效果和國外優勢產品相比，差距還很大。2）國產垂直鉆井工具的穩定性還有待提高，比如部分零件的耐磨性不夠，電子元器件對排量的適應范圍不夠等。3）自動垂直鉆井工具建議和MWD配套使用，做到實時檢測，根據井身情況實時調節鉆井參數。4）建議國產自動垂直鉆井工具多進行應用，特別是在地層傾角大的井位，需對工具進一步驗證。在應用中不斷改進、升級，縮小與國外優勢產品的差距。5）近幾年國內對自動垂直鉆井技術研究取得了不小的成果，但國內研發的工具還無法達到大量生產應用的水平。我們不但要重視工具本身的研究，更要重視工具應用的研究，才能在現有國產工具的情況下取得更好的應用成果。