推靠式垂直鉆井工具機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

惠坤亮， 吳小雄， 游娜， 段樹軍， 閆靜， 劉曉旭， 李博

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721000）

0 引言

我國西部石油主要在新疆的塔里木、準(zhǔn)噶爾和吐哈，青海的柴達(dá)木盆地和四川川東等地區(qū)，以上地區(qū)多數(shù)油氣儲(chǔ)量埋藏在復(fù)雜的深部地層，其中上部井段的井斜是造成勘探開發(fā)難度大的重要因素之一。這種高陡構(gòu)造地層具有傾角大、各向異性、可鉆性差及自然造斜能力強(qiáng)等特點(diǎn)。鉆井施工中易發(fā)生井斜，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，鉆井成本高，常用鐘擺鉆具組合等防斜打直措施，這些被動(dòng)防斜打直技術(shù)，并沒有釋放鉆壓[1-2]。而垂直鉆井技術(shù)作為一種主動(dòng)防斜打直技術(shù)，可有效釋放鉆壓、提高機(jī)械鉆速，且降低井斜，目前已在高陡構(gòu)造地層進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用。

1 推靠式垂直鉆井工具原理

垂直鉆井工具由懸架支撐單元、慣性測量單元、控制單元、動(dòng)力單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等4部分組成（如圖1）。動(dòng)力單元通過整流穩(wěn)壓技術(shù)將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，為慣性測量單元和控制單元提供穩(wěn)定的電能；慣性測量單元測量井斜角、方位角、工具面角等鉆井參數(shù)，并將測量參數(shù)提供給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將預(yù)設(shè)參數(shù)與測量參數(shù)進(jìn)行對比修正，通過糾斜或穩(wěn)斜指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的巴掌或偏置軸的動(dòng)作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的井眼軌跡動(dòng)作[3]。將采用偏置鉆頭控制作用力的垂直鉆井工具稱為推靠式垂直鉆井工具。在糾斜過程中，近鉆頭處的推靠巴掌伸出，推靠井壁使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削力，該側(cè)向力起主要導(dǎo)向作用（導(dǎo)致鉆頭轉(zhuǎn)角相對很小）[4]。

圖1 推靠式垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)原理圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

垂直鉆井工具在鉆進(jìn)過程中經(jīng)常遇到礫巖層等難鉆地層，導(dǎo)致井下振動(dòng)、沖擊非常劇烈，且地層壓力大、溫度高，劇烈振動(dòng)和沖擊對井斜精確測量產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾，加速了工具磨損；高溫高壓對電子元件和密封件性能提出了更高要求。典型的井下工況如表1所示，針對此工況，機(jī)械系統(tǒng)具有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

表1 典型井下參數(shù)[5]

2.1 減振技術(shù)

強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊對慣性傳感器精確測量產(chǎn)生了極大的干擾，也可能在某一頻率下發(fā)生共振，造成電路板的損壞或變形，長時(shí)間振動(dòng)易造成疲勞破壞，使不同元件之間的接觸性變差，從而造成斷路。因此必須對單個(gè)傳感器或者控制系統(tǒng)整體進(jìn)行減振（隔振）設(shè)計(jì)。

1）電子密封短節(jié)減振。在鉆井過程中，電子密封短節(jié)受到外部支撐傳遞來的橫向和縱向振動(dòng)，同時(shí)鉆柱扭振也會(huì)對測量精度產(chǎn)生影響。在井下儀器中，普遍采用O形橡膠圈或矩形截面橡膠圈進(jìn)行徑向減振，而軸向則采用彈簧、橡膠圈或阻尼器進(jìn)行減振（如圖2）。在非油介質(zhì)中，一般采用硅橡膠材料，在含油介質(zhì)中采用氟硅橡膠材料。

圖2 電子密封短節(jié)減振結(jié)構(gòu)原理圖

減震器提高了元器件壽命，降低了噪聲信號，但也引入了新的誤差量，在慣性測量單元設(shè)計(jì)時(shí)，需要有效隔離振動(dòng)和沖擊，又不能因減震器產(chǎn)生附加振動(dòng)。在振動(dòng)沖擊環(huán)境下，減振系統(tǒng)對慣性測量元器件（加速度計(jì)和陀螺儀）的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)測量性能的影響需要進(jìn)行研究[7-8]。

2）TC軸承減振。采用滾動(dòng)軸承時(shí)，需要配置潤滑和密封系統(tǒng)，井下空間狹窄，潤滑結(jié)構(gòu)不易布置，泥漿含有固相顆粒，在高溫（125～230 ℃）和高壓（105～210 MPa）工況下，密封件易老化和磨損，難以保障滾動(dòng)軸承在清潔潤滑環(huán)境下工作。

采用TC軸承時(shí)，泥漿可從軸承中間流過，對軸承進(jìn)行冷卻和潤滑，無需配置專用潤滑和密封系統(tǒng)。TC軸承一般采用高溫爐燒結(jié)工藝，將硬質(zhì)合金塊鑲在摩擦工作面上，耐磨性好，又耐含砂泥漿的長時(shí)間沖蝕[9]。因此，井下工具經(jīng)常采用TC軸承。在強(qiáng)振動(dòng)沖擊及高溫環(huán)境下，TC軸承易磨損，出現(xiàn)組織過熱及硬質(zhì)合金片破碎等問題，通過增加減振橡膠圈，可降低TC軸承受到的振動(dòng)和沖擊載荷，提高使用壽命，如圖3所示。

2.2 壓力補(bǔ)償技術(shù)

圖3 TC軸承減振原理圖

井下高溫高壓情況下，采用常規(guī)動(dòng)密封很難達(dá)到使用壽命要求。影響動(dòng)密封性能的關(guān)鍵指標(biāo)是PV值（指壓力和密封面速度的乘積），PV值越小，密封件壽命越長[10]。而密封面速度一般由產(chǎn)品功能決定，無法改變，只能通過降低壓力來提高密封件壽命，此時(shí)可采用壓力補(bǔ)償降低密封件兩側(cè)壓差。如圖4所示，采用活塞壓力補(bǔ)償，外部壓力推動(dòng)活塞移動(dòng)，將外部壓力傳遞給腔體內(nèi)液壓油，液壓油將壓力傳遞至動(dòng)密封內(nèi)側(cè)，使得動(dòng)密封件內(nèi)外側(cè)壓差幾乎相等，在外部壓力發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)部壓力也同時(shí)變化，從而實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)部壓力的補(bǔ)償。

在采用液壓模塊推動(dòng)巴掌伸縮的垂直鉆井工具中，其推靠力大小由內(nèi)外壓差（液壓模塊的壓力減去井筒壓力）決定。鉆井過程中，泥漿壓力隨著井深而增高，液壓模塊提供的推靠力也需隨著井深越來越高，僅依靠液壓模塊提供推靠力，在深井、超深井情況下，則會(huì)大幅提高液壓模塊的技術(shù)難度。因此，需要采用壓力補(bǔ)償膠囊來對液壓模塊進(jìn)行壓力補(bǔ)償，泥漿壓力沿著泥漿通道進(jìn)入膠囊后，對液壓油腔的壓力進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的液壓油再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，從而降低巴掌伸縮所需要的液壓模塊壓力，如圖5所示。

圖4 活塞補(bǔ)償原理圖

圖5 膠囊補(bǔ)償原理圖[11]

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬面技術(shù)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是垂直鉆井工具提供支撐力的機(jī)構(gòu)，在鉆井過程中，巴掌直接與井壁接觸，容易磨損，從而影響整個(gè)工具的使用壽命。為延長巴掌壽命，一般在巴掌外表面采用硬面技術(shù)（Hardfacing Technology）處理，即在耐磨零部件的表面增加高硬度材料。硬面材料一般有硬質(zhì)合金塊、碳化鎢耐磨焊條及硬質(zhì)合金粉等，在一定厚度范圍內(nèi)，硬面層越厚，耐磨性越好，且可承受一定沖擊。常用的硬質(zhì)合金條耐磨帶，采用噴焊工藝將整齊擺放的硬質(zhì)合金條與合金粉末焊接在巴掌基體上；也可采用等離子焊接工藝將鎳基合金粉和碳化鎢粉的混合物焊接在巴掌基體上。噴焊耐磨帶的硬度大于等離子焊接耐磨帶，但熱變形大，因此要求巴掌較厚（如圖1所示的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部與巴掌接觸的活塞、流體分配的上盤閥和下盤閥，在鉆井過程中受到流體沖蝕、振動(dòng)、沖擊及摩擦作用，亦屬于易磨損部件，需采用硬面技術(shù)進(jìn)行處理，或采用耐磨材料（如硬質(zhì)合金）制造，如圖6所示。

圖6 上下盤閥硬面圖[4]

2.4 泥漿渦輪發(fā)電機(jī)

泥漿渦輪發(fā)電機(jī)通過渦輪將泥漿的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，從結(jié)構(gòu)上可分為渦輪與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的直接連接，和采用磁耦合原理的非接觸式連接。直接連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子之間的相對轉(zhuǎn)速較大，如果采用滾動(dòng)軸承，在承受高壓情況下，發(fā)電機(jī)外殼尺寸大，軸承密封壽命較短；若采用TC軸承，泥漿可從TC軸承、泥漿渦輪發(fā)電機(jī)外殼與定子之間流過，帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)部熱量，無需高壓動(dòng)密封，從而提高了發(fā)電機(jī)壽命，降低了維護(hù)保養(yǎng)難度，如圖7所示。

圖7 直接連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖[12]

非接觸式連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間沒有直接接觸的旋轉(zhuǎn)密封，從而很好地避開了高壓旋轉(zhuǎn)密封這個(gè)難點(diǎn)，因無泥漿流過，不能及時(shí)帶走發(fā)電機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的熱量，散熱性能相對較差，如圖8所示。

直接連接和非接觸連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)的渦輪最終均是由軸承提供支撐，在泥漿流過渦輪葉片時(shí)，渦輪葉片的受力不均，從而導(dǎo)致滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈滾道、外圈滾道和滾動(dòng)體因疲勞而損壞。在高溫下，因軸承的內(nèi)圈、外圈的配合精度發(fā)生變化，配合零件之間發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致零件磨損加快而造成失效。

圖8 非接觸連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖[13]

3 結(jié)論

1）減振技術(shù)、壓力補(bǔ)償技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬面技術(shù)、泥漿渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)是推靠式垂直鉆井工具機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；2）電子密封短節(jié)和TC軸承的減振技術(shù)可以提高測量模塊精度和控制系統(tǒng)壽命；3）壓力補(bǔ)償技術(shù)可以有效解決高壓環(huán)境下密封及推靠力不足的問題；4）采用硬面技術(shù)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的耐磨表面進(jìn)行處理，可以有效提高其壽命；5）通過對直接連接和非接觸連接等兩種泥漿渦輪發(fā)電機(jī)的分析，采用TC軸承的硬連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)散熱性好。