自動垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)特點

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 楊 鵬

直井的“防斜打直”一直是油氣鉆井生產(chǎn)中一個非常重要的實際問題。隨著石油勘探開發(fā)從易開發(fā)地層轉(zhuǎn)向復(fù)雜結(jié)構(gòu)地層，高陡構(gòu)造、地層的鉆井工作量越來越大， 常規(guī)的防斜打直工具（鐘擺鉆具組合、滿眼鉆具組合等）不能滿足鉆井作業(yè)對提高工作效率及降低作業(yè)成本的要求。為了更好地解決復(fù)雜地層中直井的防斜打直問題，國內(nèi)外一直致力于自動垂直鉆井工具的研究與開發(fā)。

一、典型自動垂直鉆井工具

自動垂直鉆井工具是鉆井技術(shù)上的一次突破，是一種不受井下地層特性和人為因素的干擾而自動跟蹤預(yù)定的井眼軌跡的自動閉環(huán)垂直鉆井工具。目前國外初步形成了以Baker Hughes公司的Verti-trak系統(tǒng)和Shlumberger公司的Power-V系統(tǒng)為商業(yè)化應(yīng)用代表的成熟自動垂直鉆井工具。國內(nèi)對自動垂直鉆井工具的研究目前都處于起步階段，研制的工具從工作原理上來講，都能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制井斜的功能，但未有商業(yè)化應(yīng)用的國產(chǎn)工具產(chǎn)生，因此，研究國外成熟的自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)對我國的項目研究具有一定的推動意義。

1.Verti-trak自動垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)。Verti-Trak 自動垂直鉆井工具采用靜態(tài)推靠式的工作原理，工具組合由控制短節(jié)、動力短節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，如圖1所示。控制短節(jié)用于檢測井下工程參數(shù)，根據(jù)井斜工況控制翼肋的伸縮，其內(nèi)部的脈沖器可以以鉆井泥漿為介質(zhì)實現(xiàn)地面與井底的雙向信息交流。動力短節(jié)部分的井下馬達(dá)采用納維鉆具（Navi-Drill）技術(shù)，通過預(yù)成形定子和鈦合金柔性傳動節(jié)等，以使工具在鉆井泥漿的驅(qū)動下獲得了更大的功率和扭矩輸出。在防斜打直執(zhí)行機(jī)構(gòu)上有一不旋轉(zhuǎn)的套筒，該套筒上帶有三個可膨脹的伸縮翼肋。伸縮翼肋實質(zhì)上是一套液壓控制系統(tǒng)，它包括活塞和液壓控制閥，它們也都位于不旋轉(zhuǎn)的套筒內(nèi)，液壓控制系統(tǒng)的壓力來源于泥漿壓力，整個液壓系統(tǒng)為同一壓力系統(tǒng)。在電子控制系統(tǒng)的作用下啟動翼肋下部的液壓系統(tǒng)，通過1個或2個翼肋的伸向，向井眼高邊處施加一作用力（約30 kN）以對抗井眼偏斜趨勢。在套筒中間穿過一個旋轉(zhuǎn)軸，通過軸承使其與不旋轉(zhuǎn)套筒相連接，旋轉(zhuǎn)軸的上下端分別與旋轉(zhuǎn)的鉆桿和鉆頭連接，從而帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

2.Power-V自動垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)。Power-V自動垂直鉆井工具采用動態(tài)推靠式的工作原理，工具組合由控制短節(jié)、加長短節(jié)、防斜打直執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，如圖2所示。控制短節(jié)主要由渦輪發(fā)電機(jī)、傳感器及電子控制集成塊、扭矩發(fā)生器、軸承支撐及密封部件等組成。在圖2中所示的加長短節(jié)實質(zhì)上是Power-V工具的鉆井泥漿分配系統(tǒng)，使得大部分鉆井泥漿被分配至鉆頭，少部分泥漿成為防斜打直執(zhí)行機(jī)構(gòu)中推靠巴掌的推靠作用力。防斜打直執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個純機(jī)械裝置，主要由一個鉆井液導(dǎo)流閥和3個帶泥漿噴嘴的柱塞及推靠井壁的巴掌（同伸縮翼肋的作用一樣）組成。其中鉆井液導(dǎo)流閥是Power-V自動垂直鉆井工具的核心控制部件，它主要由一開有扇形偏心圓環(huán)的上盤閥和一均布開有3個孔的下盤閥組成，通過控制短節(jié)控制上盤閥的扇形偏心孔與下盤閥孔的導(dǎo)通或閉合從而實現(xiàn)防斜糾斜的功能。相比于Verti-Trak自動垂直鉆井工具有一靜止的不旋轉(zhuǎn)套筒，Power-V是一種隨鉆柱全旋轉(zhuǎn)的自動垂直鉆井工具。

圖2 Power-V自動垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)

二、自動垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)特點

自動垂直鉆井工具是一種機(jī)電液一體化的自動化裝備，在工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，根據(jù)不同的工作原理，正確的設(shè)計控制短節(jié)、防斜打直執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他必要的輔助系統(tǒng)來保證工具防斜打直功能的實現(xiàn)。從圖1和圖2中可以看出，自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)具有以下特點：

1.工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分的設(shè)計制造具有模塊化、集成化的特征。

2.控制短節(jié)位于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上部，在考慮鉆井泥漿過流的情況下內(nèi)置于鉆柱內(nèi)，且隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn)。

3.通過伸縮翼肋（或推靠巴掌）動態(tài)推靠井壁來實現(xiàn)防斜、糾斜目的，其動力來自工具內(nèi)外鉆井泥漿的壓差。

三、結(jié)論

自動垂直鉆井工具的研制是一項資金投入大、技術(shù)集成度高的科學(xué)研究項目，選擇正確的工具工作原理及合適的工具結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于該項研究的推進(jìn)。國內(nèi)在研制自動垂直鉆井工具時，應(yīng)充分剖析國外成熟的自動垂直鉆井工具的結(jié)構(gòu)特點、內(nèi)部構(gòu)件組成及電子測控裝置的控制等復(fù)雜性問題，爭取早日研制成功。