垂鉆提速工具的設計與試驗分析

李相勇

（大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163000）

1 技術研發背景

隨著勘探開發領域的不斷拓展與深入,海拉爾、方正地區普遍存在地層傾角大、井斜嚴重等問題，井斜問題嚴重制約了勘探開發的步伐。為了進一步解決易斜區塊防斜打快問題,國內外很多科研機構都相繼開展了垂鉆提速工具的研究工作。

垂直鉆井技術一直是當前鉆井前沿技術之一，它能夠實現主動防斜、糾斜，有效地解放了鉆壓，極大地提高了鉆井效率，保證了井下安全，作為一種戰略性和革命性的高新技術受到了各個國家的高度重視。通過對國外垂鉆儀器的深入調研，目前已形成了推靠式、指向式等多種糾斜方式的垂直鉆井系統，均采用機電液相結合的方式，國外公司的垂鉆產品商業化程度也相當成熟，其中最具代表的儀器有Power V和VTK全自動化旋轉導向垂直鉆井系統。這兩種技術在我國使用也最為廣泛。在國內方面，易斜區塊的防斜打快仍是一個尚未解決的技術難題，現場使用較多的是滿眼鉆具組合防斜，鐘擺鉆具組合糾斜，用滿眼鉆具加壓快鉆是常規的防斜技術，但效果往往并不理想，然后再用鐘擺鉆具吊打糾斜，這是一種以犧牲機械鉆速來換取井身質量的被動防斜技術，只有專門的井眼軌道井下閉環控制工具可以大大改善井眼軌道的控制精度和提高工作效率，才能做到防斜、糾斜的目的。

目前，國外垂直鉆井系統租金較貴，且處于技術壟斷狀態，我國垂鉆儀器研究還不太成熟，雖然做了大量的研究工作，但仍有一些技術難點有待攻克，還沒有實現產品化、規模化應用。為此，我們設計了兩套純機械式結構的垂鉆提速工具。

2 外體旋轉式垂鉆提速工具的設計

外體旋轉式垂鉆提速工具設計思路：當井斜超標時（如圖1所示），偏心筒在自身重力作用下，其重心穩定在井眼低邊方向，控制上旋轉閥扇形口在井眼高邊方向，上旋轉閥因下心軸桿處彈簧預緊，使得上下旋轉閥靠緊，下旋轉閥隨鉆柱轉動，當下旋轉閥流道與上旋轉閥流道連通時，利用壓差使活塞推動推力巴掌推靠井眼高邊井壁，井壁的反作用力將鉆頭推向井眼低邊，當下旋轉閥和上旋轉閥之間流道關閉時，沒有液體流進活塞缸。因此，推力巴掌不再推靠井壁，推力巴掌受井壁推力允許活塞收回，也就是說除井眼低邊以外的方向，推力巴掌不推靠井壁，上述過程循環往復，這樣在鉆井的過程中該工具就不斷測斜，不斷糾斜，最終將井斜控制在一定范圍內。

3 外體不轉式垂鉆提速工具的設計

外體不轉式垂鉆提速工具是由一個旋轉心軸和不旋轉外體兩部分構成。旋轉心軸下端與鉆頭相連，上端與鉆柱連接。不旋轉外體結構如圖2所示，自上而下的連接順序為防轉機構、液壓動力機構、測量機構和執行機構四部分構成。

該工具不再依靠鉆井液作為動力輸出，設計思路為:當工具發生傾斜時，工具心軸旋轉，液壓動力機構產生高壓油，為測量和執行機構提供高壓油，此時執行機構六個巴掌全部伸出，防止轉動，當測量機構測出井斜和方位時，觸發泄壓閥，使得低邊執行機構巴掌收回，高邊巴掌一直處于伸出狀態，停轉后，伸出巴掌全部收回。

防轉機構設計的目的是保證不旋轉外體相對于旋轉心軸不旋轉，由三個扶正塊在殼體上周向均布，內部有多個彈簧將其伸出支撐井壁，當井徑小時，扶正塊壓縮彈簧，保證不發生卡鉆事故。液壓動力機構其目的是為測量機構和執行機構提供高壓油，它采用徑向柱塞泵的工作原理，其柱塞在旋轉心軸的偏心輪內往復運動，輸出兩路高壓油，一路高壓油直接連通執行機構，一路高壓油連通測量機構。執行機構由6個支撐巴掌構成，巴掌的伸縮則由內部液壓活塞控制。測量機構采用重錘指向地心的原理，6 個重錘周向均布，重錘下端安裝有階梯環，階梯環有高低邊，當發生井斜時，井斜高邊重錘不能下壓階梯環高邊，因此，該方向油路的閥門一直導通，其高邊的執行機構巴掌一直處于伸出狀態，而低邊重錘則下壓階梯環的高邊，則執行機構的巴掌油路泄壓，巴掌收回，達到了工具傾斜時高邊伸出、低邊收回的效果。

4 室內試驗對比分析

這兩套工具均在室內進行了大量的性能測試，均實現了井斜方位、井斜角度判斷和糾斜的效果，這兩種工具采用純機械式結構，如圖3所示，由于沒有任何電子元器件，因此工具受井溫影響小。實現防斜糾斜的同時，實現了降本增效的目的，對油田開發具有深遠的意義。但通過試驗也暴露出一些問題。外體旋轉式垂鉆提速工具結構簡單、成本較低、實現了在鉆進的過程中自動測得井斜方位、自動糾斜的效果，該結構井斜測量為2°，通過室內試驗發現，該工具受轉速和循環排量等影響較大。轉速過快時，其內偏心塊受摩擦力和鉆井液的驅動發生小幅度擺動，不能準確指向井斜高邊，此外，伸出的巴掌存在一定的滯后問題。因此，該工具受到外在因素影響較大。

外體不轉式垂鉆提速工具不受轉速和鉆井液的影響，井斜測量能達到1.25°，測量時的穩定性較高，能夠測得能夠實現伸出防轉、井斜方位判斷、高邊巴掌伸出糾斜、低邊巴掌收回的動作。但此結構較為復雜，對工具零件的加工精度、油路排空和清潔度要求極高。

5 結論

（1）創新設計的兩種垂鉆提速工具均能實現主動防斜、糾斜的效果；采用純機械和液壓的結構，沒有任何電子元器件，更具抗高溫、更適合于深井鉆井；

（2）外體旋轉式垂鉆提速工具受外在因素影響較大，外體不轉式垂鉆工具結構較為復雜；

（3）防斜工具能夠起到提高鉆井速度、降低鉆井成本的目的。