陀螺穩態鉆井工具研制及應用

孟祥波

摘要：由于地層的不均質、泵排量的不均勻、鉆壓大以及轉速高等因素，鉆柱普遍存在多種類型的振動，嚴重的振動加速了鉆頭的損壞，增加了起下鉆次數，進而影響鉆井效率。為此，基于高速旋轉的陀螺具有自穩定性的特點，研制了陀螺穩態鉆井工具。該工具能夠主動抑制或消除鉆頭切削地層時產生的振動，有效延長鉆頭的使用壽命，提高單只鉆頭進尺。介紹了工具的結構組成與工作原理，優化了磁力耦合傳動機構和陀螺機構的結構，對優化后的工具進行了動力學仿真分析。仿真分析結果表明：隨著徑向載荷的增加，工具減振幅度逐漸降低；隨著轉速的提高，工具減振幅度逐漸增加。現場試驗驗證了工具原理的正確性，使用該工具后鉆頭徑向振動平均值減小了42.2%，平均機械鉆速提高了40.5%，能夠有效保護鉆頭和提高機械鉆速。所得結論可為陀螺穩態鉆井工具的進一步優化及現場應用提供參考。

關鍵詞：鉆井工具；陀螺機構；渦輪；磁力耦合；減振性能；結構優化

0 引 言

由于地層不均質、泵排量的不均勻、鉆壓大以及轉速高等因素，鉆柱普遍存在多種模式的振動。嚴重的振動會加速鉆頭損壞，加劇鉆柱磨損及疲勞破壞，增加起下鉆次數，進而影響鉆井效率［1-5］。例如，川西地區下沙溪廟組～須家河組的陸相地層，地質構造復雜，巖性致密、抗壓強度高、可鉆性差、研磨性強，加上與泥巖軟硬交替鉆進期間易誘發鉆具振動，鉆頭工作不穩定、失效快［6-7］。此外，各種振動會導致鉆頭受力不平衡。在不均衡動態力作用下鉆頭容易失穩，引起鉆頭瞬時旋轉中心在切削面上不斷變化，導致鉆頭姿態偏斜于井底，實際的鉆進區域偏離靶點。

目前，鉆井提速工具的提速方式可分為2類：一是提高鉆頭轉速［8-9］，如螺桿鉆具和渦輪鉆具等；二是提高鉆頭沖擊力［10-11］，如扭力沖擊器、水力振蕩器、沖擊馬達及復合沖擊工具等。從實際應用效果來看，這2類工具對高抗壓強度和高塑性的地層提速效果并不明顯。中石化勝利石油工程有限公司從增強鉆頭工作穩定性的角度來提高機械鉆速，利用陀螺的自穩定性原理，研制出陀螺穩態鉆井工具。本文介紹了陀螺穩態鉆井工具的結構與原理及關鍵機構的優化設計，對工具減振性能進行了仿真分析與評價。所得結論可為陀螺穩態鉆井工具的進一步優化及現場應用提供參考。

孟祥波：陀螺穩態鉆井工具研制及應用

1 工具結構與工作原理

陀螺穩態鉆井工具結構如圖1所示。陀螺穩態鉆井工具主要由上接頭、高速渦輪、磁力耦合傳動機構、陀螺機構、殼體、導流體及下接頭等組成。該工具適用于215.9 mm井眼，外徑為172.0 mm，工作排量為25～35 L/s，壓耗為0.4～0.8 MPa，耐溫150 ℃。

在直井段使用時，陀螺穩態鉆井工具直接接在鉆頭之上；在定向段使用時，工具接在彎螺桿鉆具之上。工作原理：鉆井液由上接頭進入工具內，驅動高速渦輪旋轉，渦輪帶動磁力耦合外筒旋轉，磁力耦合外筒在磁感應作用下驅動耦合內軸轉動，由于耦合內軸與陀螺固連在一起，進而帶動陀螺高速旋轉。高速旋轉的陀螺具有自穩定性［12-13］，將抑制偏離自身中心軸線做運動狀態的改變，從而抑制鉆頭運動狀態改變，能夠減輕鉆頭橫向振動、穩定鉆頭。經過高速渦輪的鉆井液依次經過外殼和陀螺機構之間的環空間隙、導流體及下接頭進入下部鉆具。

2 關鍵機構設計

2.1 磁力耦合傳動機構優化設計

磁力耦合傳動機構主要由耦合外筒、銅環、永磁體及耦合內軸構成，如圖2所示。銅環固定在耦合外筒內，永磁體固定在耦合內軸上，并沿其周向均布，其橫截面為扇形。

永磁體材料為N42SH，耐溫150 ℃。采用磁力耦合機構作為高速渦輪和陀螺機構之間的動力傳輸扭帶，與高速渦輪直接驅動陀螺機構相比，可以避免采用動密封設計，大大延長工具的使用壽命。

當高速渦輪帶動耦合外筒開始旋轉時，由于銅環與永磁體盤之間存在相對轉動的速度差，銅環切割永磁體磁力線，其表面磁通密度發生周期性變化，產生感應電動勢，進而產生感應渦電流［14］。而旋轉的感應電流又會產生感應磁場，與永磁體的磁場相互作用，完成扭矩傳遞［15］。影響磁力耦合傳動機構扭矩傳遞的3個關鍵參數為：銅環厚度、氣隙厚度（銅環內徑與永磁體外徑之差）和永磁體內徑［16］。

本文采用三維電磁場仿真軟件分析由永磁體在非線性旋轉速度下引起的瞬態感應場。取渦輪轉速為2 000 r/min（對應排量29 L/s），對影響磁力耦合傳動機構扭矩傳遞的3個關鍵參數進行優化，得到不同參數下磁力耦合傳動機構的扭矩輸出特性曲線，如圖3所示。經過分析，銅環厚度t=2.5 mm、氣隙厚度n=8 mm、永磁體內徑d=26 mm時，磁力耦合傳動機構能夠傳遞的扭矩最大。優化后的磁力耦合傳動機構的磁場分布和渦電流分布圖如圖4所示。

2.2 陀螺機構優化設計

陀螺機構主要由陀螺轉子、陀螺外殼及扶正軸承構成。當陀螺轉子高速旋轉時，其在不受外力矩作用時，陀螺轉子的自轉軸在慣性空間的指向維持不變，同時具有一定的抵抗其他試圖改變轉子軸向的能力。陀螺轉子的轉動慣量越大、轉速越高，陀螺穩定性越好。在轉速一定的條件下，陀螺轉子的轉動慣量與其形狀、質量分布和轉軸有關。假設陀螺轉子質量分布均勻，且繞其質心做定軸轉動。這樣，在一定的轉速條件下，只需要通過優化陀螺形狀和優選材質，就可以使陀螺轉子最大限度地抑制鉆頭運動產生的振動載荷，也就是使工具的減振性能最佳。

本文采用動力學分析軟件對陀螺轉子進行動力學仿真分析［17］，設定陀螺轉子的轉速為2 000 r/min，其上端設置為柔性軸承約束。在陀螺轉子的底部施加15g（g為重力加速度）加速度。在相同材質、高度和最大外徑條件下，對柱狀陀螺轉子和錐狀陀螺轉子（見圖5）

圖6為仿真分析得到的陀螺穩態鉆井工具底部位移變化曲線。由圖6可見：采用錐狀陀螺轉子工具的底部位移波動幅度整體上大于采用柱狀陀螺轉子工具的底部位移波動幅度；帶有錐狀陀螺轉子的工具2.5 s時底部仍然存在波動，而帶有柱狀陀螺轉子的工具在1.5 s時底部波動已接近于0。因而，柱狀陀螺轉子工具有更優的穩定性。

在采用柱狀陀螺轉子的條件下（約束和載荷同上），對35 CrMo（密度7 850 kg/m3）、鉛（密度11 340 kg/m3）、硬質合金（密度14 720 kg/m3）3種材質的陀螺轉子的減振性能進行仿真分析，并得到相應的工具底部位移變化曲線，如圖7所示。由圖7可見，隨著陀螺轉子密度的增大，工具底部波動幅度減小，且趨于穩定所用時間越短，即抑制振動的效果越好。

陀螺機構結構如圖8所示。綜合考慮加工制造、裝配以及動平衡調節的難易程度，將陀螺轉子設計為心軸+配重筒的結構形式。心軸材料采用35CrMo，配重筒材質為鉛。配重筒套在心軸上，并通過螺栓固定。在有限的井眼空間內，通過增加陀螺轉子的長度以增加其轉動慣量，工具減振性能也會增強。但考慮到隨著陀螺轉子長徑比的增大，高速旋轉情況下穩定性會降低，對加工精度要求較高，裝配難度也相應的增加。為此，推薦陀螺轉子的長徑比為10∶1～15∶1。

3 工具減振性能仿真分析

為了驗證優化后工具的減振性能，采用仿真分析的方法研究不同振動載荷（徑向加速度）條件下工具的減振效果。在不改變模型基本結構及主要構件運動狀態的前提下，對工具三維模型進行了簡化，具體是：去掉高速渦輪機構；外殼等部件定義為剛性體；螺紋連接處定義為剛性連接；用環狀凸起結構代替軸承與陀螺轉子進行接觸。簡化后的動力學仿真模型如圖9所示。

渦輪轉速2 000 r/min的條件下，分別對工具底部施加10g、15g、20g、25g和30g的徑向載荷進行仿真分析。這里以減振幅度來表征工具的減振性能，減振幅度=（徑向載荷-可抑制的載荷/徑向載荷）×100%。如圖10所示，隨著載荷的增大，工具減振幅度逐漸下降。這說明工具的減振能力有限，只在一定的載荷范圍內表現出良好的減振效果。在15g載荷條件下，對1 000～3 000 r/min不同轉速進行仿真分析，結果如圖11所示。由圖11可知，在一定的載荷條件下，隨著轉速的提高，工具減振幅度逐漸增大。

4 現場試驗

2021年11月26日—12月3日，陀螺穩態鉆井工具在勝利油田營2-更斜42井進行了應用。營2-更斜42井是一口注水井（定向井），構造位置為渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷中央斷裂背斜帶營2斷塊。該井設計垂深2 835.00 m，A靶垂深2 775.00 m，鉆探目的為井網完善。陀螺穩態工具應用層位為東營組～沙三中，試驗井段位置352～2 677 m，井斜0°～15.9°，鉆具組合為215.9 mm鉆頭+172.0 mm 1.25°單彎動力鉆具+172.0 mm陀螺穩態鉆井工具（帶井下測量短節）+158.8 mm無磁鉆鋌1根+MWD+158.8 mm鉆鋌2根+127.0 mm加重鉆桿30根+127.0 mm鉆桿。

工具連續入井2次，循環鉆進共計148.5 h，進尺共計2 325 m。其中，2 577～2 677 m井段平均機械鉆速17.15 m/h。該井在下一趟鉆（井段2 677～2 767 m）不使用陀螺穩態鉆井工具，僅帶172.0 mm井下測量短節，平均機械鉆速12.2 m/h。圖12為工具使用前、后減振效果對比圖。由圖12可知：使用該工具后徑向振動平均值減小了42.2%；通過對比機械鉆速，使用工具后平均機械鉆速提高了40.5%。

5 結論與建議

（1）研制的陀螺穩態鉆井工具適用于215.9 mm井眼，適用工作排量25～38 L/s，壓耗0.4～0.8 MPa，耐溫150 ℃。

（2）動力學仿真分析結果表明，隨著載荷的增加，陀螺穩態鉆井工具減振幅度逐漸下降，說明工具只在一定的載荷范圍內表現出良好的減振效果；在一定的載荷條件下，隨著轉速的提高，工具減振幅度逐漸增大。

（3）現場試驗結果表明，使用陀螺穩態鉆井工具后，鉆頭徑向振動平均值減小了42.2%，平均機械鉆速提高了40.5%，該工具能夠有效保護鉆頭和提高機械鉆速。

（4）建議下一步在西部深井研磨性高、可鉆性差的地層中開展應用，進一步評估陀螺穩態鉆井工具的減振和提速性能。

參考文獻：

［1］ 李子豐，張超越，任文明，等．徑向振動對旋轉鉆柱摩阻扭矩的影響［J］．天然氣工業，2020，40（9）：80-86．

LI Z F，ZHANG C Y，REN W M，et al.Influence of radial vibration on the torque and drag of rotary drill string［J］.Natural Gas Industry，2020，40（9）：80-86.

［2］ 劉靜，王川，郝晨，等．井下段鉆柱耦合振動及鉆井液壓力分析［J］．石油機械，2021，49（7）：16-22，30．

LIU J，WANG C，HAO C，et al.Analysis of drill string coupled vibration and drilling fluid pressure in downhole section［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（7）：16-22，30.

［3］ 王沖．基于振動的鉆柱力學性能分析及安全評價［D］．北京：中國地質大學（北京），2021．

WANG C.Vibration-based drillstring mechanical performance analysis and safety assessment［D］.Beijing：China University of Geosciences （Beijing），2021.

［4］ 許帥．鉆柱黏滑振動的機理分析及其抑制的研究［D］．西安：西安石油大學，2020．

XU S.Research on mechanism analysis and suppression of stick-slip vibration of drill string［D］.Xi'an：Xi'an Shiyou University，2020.

［5］ 伍喆．鉆柱扭轉振動特性研究及鉆井參數優化［D］．北京：中國石油大學（北京），2020．

WU Z.Research on torsional vibration characteristics of drill string and optimization of drilling parameters［D］.Beijing：China University of Petroleum （Beijing），2020.

［6］ 林良彪，余瑜，南紅麗，等．四川盆地川西坳陷上三疊統須家河組四段儲層致密化過程及其與油氣成藏的耦合關系［J］．石油與天然氣地質，2021，42（4）：816-828．

LIN L B，YU Y，NAN H L，et al.Reservoir tightening process and its coupling relationship with hydrocarbon accumulation in the fourth member of upper triassic Xujiahe formation in the Western Sichuan depression，Sichuan Basin［J］.Oil & Gas Geology，2021，42（4）：816-828.

［7］ 劉偉．川西氣田須家河組致密堅硬地層鉆井提速關鍵技術［J］．天然氣技術與經濟，2020，14（5）：44-51．

LIU W.Key technologies to increase ROP for tight and hard Xujiahe formation，Western Sichuan Basin［J］.Natural Gas Technology and Economy，2020，14（5）：44-51.

［8］ 曹建．復合鉆進方式在井斜控制中的理論研究和應用［D］．西安：西安石油大學，2011．

CAO J.The theory analyses and application of the positive displacement mortor in well straightening［D］.Xi'an：Xi'an Shiyou University，2011.

［9］ 管鋒，萬鋒，吳永勝，等．渦輪鉆具研究現狀［J］．石油機械，2021，49（10）：1-7．

GUAN F，WAN F，WU Y S，et al.Research status of turbodrill［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（10）：1-7.

［10］ 李相勇，王春華，楊決算，等．深部難鉆地層提速工具現狀及發展趨勢［J］．西部探礦工程，2018，30（11）：74，77．

LI X Y，WANG C H，YANG J S，et al.Present situation and development trend of drilling acceleration tools in deep difficult to drill formation［J］.West-China Exploration Engineering，2018，30（11）：74，77.

［11］ 陳杰，牟小軍，李漢興，等．旋沖振蕩鉆井提速工具的研制與應用［J］．斷塊油氣田，2020，27（3）：386-389．

CHEN J，MOU X J，LI H X，et al.Development and application of rotary-percussive and oscillatory drilling tool［J］.Fault-Block Oil and Gas Field，2020，27（3）：386-389.

［12］ 錢安娜，劉嘉懿，周錦昊，等．陀螺進動特性的研究［J］．大學物理，2019，38（12）：48-51．

QIAN A N，LIU J Y，ZHOU J H，et al.Research on characteristics of gyroscopic precession［J］.College Physics，2019，38（12）：48-51.

［13］ 姬曼，邵偉平，郝永平．基于一種利用慣性轉子陀螺的彈丸姿態控制的研究［J］．光電技術應用，2019，34（5）：67-71．

JI M，SHAO W P，HAO Y P.Research on attitude control of projectile based on inertial rotor gyroscope［J］.Electro-Optic Technology Application，2019，34（5）：67-71.

［14］ 王文善，王亮，李仁杰，等．雙盤式磁力耦合器轉矩特性的研究［J］．煤礦機械，2020，41（3）：44-47．

WANG W S，WANG L，LI R J，et al.Research on torque characteristics of double disk magnetic coupler［J］.Coal Mine Machinery，2020，41（3）：44-47.

［15］ LUBIN T，REZZOUG A.Steady-state and transient performance of axial-field eddy-current coupling［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（4）：2287-2296.

［16］ 張小鋒，袁愛仁，吳盈志．筒式磁力耦合器的結構參數對傳動性能的影響［J］．機械設計與制造，2019（10）：189-192，196．

ZHANG X F，YUAN A R，WU Y Z.Influence of structural parameters of drum-type magnetic couplers on transmission performance［J］.Machinery Design & Manufacture，2019（10）：189-192，196.

［17］ 趙春紅．基于ADAMS的液壓鉆機機械手動作特征分析［J］．煤礦機械，2021，42（2）：87-89．

ZHAO C H.Analysis of action characteristics of hydraulic drilling rig manipulator based on ADAMS［J］.Coal Mine Machinery，2021，42（2）：87-89.