靜態推靠機械式垂鉆工具的研制及試驗

針對深層超深層油氣開發中高陡構造、大傾角等地層的防斜打快，海上油氣開發中高密度叢式井的防碰打直，干熱巖開發中的耐高溫防斜打直等工程技術難題，依據“低成本、耐高溫、高可靠”的設計原則，研制了靜態推靠機械式垂鉆工具。該工具為純機械式結構，由重力偏重穩定平臺、雙層互鎖靜態推靠機構、動力心軸和PDC復合軸承組成。對工具的關鍵結構及功能進行了介紹，并建立立式試驗臺架對工具的性能進行了驗證，同時對工具進行了現場試驗應用。研究結果表明：工具實時閉環響應井斜變化，動態響應精度控制在1°以內；地面轉盤扭矩均勻間隔變化，反映了工具推靠高邊的工作壓力變化；工具外徑、推靠翼肋及活動部件均表現正常，滿足現場使用要求。所得結論可為高陡構造等易斜地區提供低成本的防斜打快技術。

垂鉆工具；機械式；靜態推靠；井斜；防斜糾斜

TE921

A

202408074

Development and Test of a Static Pushing Mechanical Vertical Drilling Tool

Sun Feng

（State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development;Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering Co.， Ltd.）

Following the principles of low cost， high temperature resistance， and high reliability， a static pushing mechanical vertical drilling tool was developed in response to the engineering and technical challenges such as deviation control while fast drilling in high steep structures and large-dip strata for deep and ultra-deep oil and gas development， anti-collision and straightening of high-density cluster wells in offshore oil and gas development， and high-temperature anti-deviation and straightening in dry hot rock development. This tool has a purely mechanical structure， consisting of four parts： a gravity weighted platform， a double-layer interlocking static pushing mechanism， a power transmission core shaft， and a PDC composite bearing. This tool，s key structure and functions are introduced. Moreover， a vertical test bench was built to verify this tool，s performance， and field test was conducted on this tool. The results show that this tool responds to changes in wellbore inclination in a real-time manner， with the dynamic response accuracy controlled below 1°， and the uniform interval changes in torque of the rotary table reflects the working pressure variation at the high pushing side of the tool. The outer diameter， pushing rib and moving parts of the tool all perform normally. The conclusions provide a low-cost deviation control while fast drilling technique suitable for areas where well deviation may easily occur， such as high and steep structures.

vertical drilling tool; mechanical; static pushing; well deviation; deviation control and correction

0"引"言

伴隨著世界能源供需矛盾日益加深，高陡構造、大傾角等易斜地層的防斜打快問題，非常規加密井工廠、海上高密度叢式井的防碰打直問題，干熱巖地熱資源安全高效開發需求高溫高壓環境下的防斜打快問題，不斷地促使著鉆井控制技術的發展，依靠常規鉆直井的井斜控制技術已不能滿足應用要求^［1-3］。自德國大陸深鉆項目（KTB，對應井深9 101 m）成功應用自動垂直鉆井系統（VDS）以來，國內外相繼出現了Baker Hughes 公司的Verti-Trak、Schlumberger 公司的Power-V等10余種垂直鉆井系統。經濟、安全、可靠的純機械式自動垂直鉆井工具逐漸成為如今低油價形勢下“防斜打快”鉆井施工的最佳選擇^［4-5］。

蘇義腦院士較早提出井下控制工程學的概念，于20世紀90年代對自動垂直鉆井系統做了初步研究，并同李松林^［6］提出機、電、液一體化自動垂直鉆井設計方案。周琴等^［7］研究了鉆具姿態的智能控制。劉白雁等^［8］研究了井斜角和工具面角的動態測量問題。楊春旭等^［9］采用縱橫彎曲梁法對自動垂直鉆井系統BHA的力學模型進行了分析。彭勇等^［10］研究了井下渦輪發電機的磁力驅動器等。以上研究多側重于電控垂直鉆井系統，對純機械式垂直鉆井工具的工作機理研究較少，尤其是盤閥控制的推靠式垂直鉆井系統。中國石油大學（華東）倪紅堅等開發的動態調制式機械式垂鉆工具在新疆油田和塔里木油田進行了應用，取得了較好的防斜、糾斜和打快效果，可將井斜控制在3°以內，比采用螺桿鉆進平均機械鉆速提高64%。但由于其采用的是動態旋轉推靠方式，偏重平臺受到盤閥摩擦阻力、底部鉆具振動等因素的影響，存在適用轉速小，控制精度低等技術瓶頸^［11-14］。針對現場需求^［15-17］，筆者根據“低成本，耐高溫，高可靠”的設計原則，研制了靜態推靠機械式垂鉆工具，對工具的關鍵結構（重力偏重穩定平臺、雙層互鎖推靠裝置、動力心軸等）及功能進行了介紹，并搭建立式試驗臺架對工具的性能進行驗證，在國內區塊某井對工具進行了現場應用。所得結論可為垂鉆工具的進一步改進及應用提供技術支撐。

1"技術分析

1.1"工具結構

靜態推靠機械式垂鉆工具為純機械式結構^［18-21］，主要由重力偏重穩定平臺、雙層互鎖推靠機構、動力心軸及PDC復合軸承等組成，結構如圖1所示。工具能夠在鉆井過程中實現主動防斜糾斜，是井下閉環鉆井工具^［22-24］。

1.2"工具工作原理

靜態推靠機械式垂鉆工具采用靜態推靠的方式實現鉆井過程中的主動防斜和糾斜，是3層獨立旋轉系統。工具通過重力偏重穩定平臺動態響應井斜變化，響應精度1°。動力心軸傳遞鉆壓及扭矩，隔離鉆頭破巖產生的振動沖擊，經過濾的小排量高壓鉆井液可以給兩端PDC軸承降溫及潤滑。安裝在近鉆頭的雙層靜態推靠機構利用鉆頭水壓差，準靜態推靠井壁，推靠力可達10 kN以上。工具工作原理如圖2所示。

實際鉆進中，工具通過心軸實現高鉆壓、高轉速等鉆井參數的調整，套在心軸上的導向外筒不受其影響，基本上處于靜止或緩慢轉動狀態；在鉆頭水壓差的作用下，利用小排量鉆井液驅動推靠機構，并與井眼高邊相互作用，對鉆具實現有效的靜態推靠。當井斜超標時，位于導向外筒內的偏重塊受到重力作用旋轉，帶動下端的上環形閥轉到工具低邊方向位置，并保持在一定的動態精度范圍內；位于下環形閥上高邊方向的流道口打開，小排量的鉆井液流入導向外筒高邊位置的高壓流道，進入相應的活塞腔，推動活塞沿徑向滑動，驅動翼肋向外伸出，靜態推靠井壁，給井眼高邊位置施加靜態推靠力，推動鉆具向井眼低邊方向偏轉，從而實現鉆進過程中的糾斜。

1.3"主要技術參數

根據現場需求及相關技術要求，經理論分析及測算，設定工具的主要性能參數如下：穩定平臺響應精度1°，工具總長6～8 m，工具內徑70和76 mm，適應井眼直徑311～445 mm，伸出時推靠外徑311和445 mm，縮回時推靠外徑300和413 mm，工具排量40～80 L/s，鉆頭水壓差最大5.5 MPa，鉆頭水壓差最小2.8 MPa。

2"關鍵結構及功能介紹

2.1"重力偏重穩定平臺

重力偏重穩定平臺主要包括偏重塊、環形閥組、兩端軸承組及支撐筒等零部件，如圖3所示。其主要功能是：利用偏重塊在傾斜狀態下的重力分量驅動底部環閥轉動，實現小排量高壓鉆井液定向分配，為推靠功能提供一定大小和方向的動力源。

2.2"雙層互鎖推靠機構

雙層互鎖推靠機構主要包括推靠骨架、互鎖翼肋、活塞及機械密封環等零部件，一般放置在井下導向工具下端外側面，與鉆頭直接相連接。該裝置利用鉆頭水壓差提供的動力源，通過小排量高壓鉆井液驅動推靠機構對井壁施加作用力，實現井眼軌跡的調整。圖4為雙層互鎖推靠機構的結構示意圖。

2.3"動力心軸

動力心軸主要包括傳動心軸、研磨過濾短節及上下短節等零部件，結構如圖5所示。根據工程需要，心軸上部需要搭載螺桿，內部為鉆井液過流通道，鉆進過程中需要傳遞鉆壓和扭矩，同時承受鉆頭破巖帶來的震動沖擊，高溫、高轉速等不同載荷條件需要保證心軸的強度和剛度滿足安全性校核。研磨過濾短節主要過濾小排量高壓鉆井液，起到凈化并潤滑軸承的作用。

2.4"PDC復合軸承

復合軸承包括PDC推力軸承、TC徑向軸承及其連接件。PDC推力軸承包括推力軸承定子和轉子，摩擦副為PDC復合片。TC徑向軸承包括徑向外軸承和內軸承，摩擦副為TC硬質合金。其中徑向外軸承和推力軸承轉子為一體結構，固定安裝在動力心軸上。徑向內軸承和推力軸承定子為一體結構，固定安裝在垂鉆工具推靠外筒上。本文主要考慮鉆井液過流、振動沖擊等不同載荷條件對軸承短節工作穩定性及使用壽命的影響。圖6為心軸兩端復合軸承示意圖。

3"試驗研究

3.1"立式臺架試驗

為了驗證垂鉆工具在模擬工程排量及壓差下的整機性能指標，研制了全尺寸垂鉆立式試驗臺架。借動臺架開展了以下試驗：①不同井斜角度下，穩定平臺的導通情況及環閥密封狀態；②推靠翼肋啟動壓差及能否正常動作；③不同排量下工具兩端軸承處及推靠翼肋處壓差損耗以及其他性能。垂鉆立式試驗臺架為框架結構，主要組成部分包括試驗平臺、液壓推拉機構、循環系統、憋壓裝置、液壓泵站、角度測量裝置、鉆壓加載系統及沖擊器扶正裝置。臺架規定的主要技術指標及完成的技術指標如表1所示。

根據記錄數據可以得到推靠力隨壓差變化曲線以及工具內部無效壓耗隨排量的變化曲線，如圖7和圖8所示。

試驗條件下，工具的動態響應精度1°，翼肋啟動壓耗大約是0.3 MPa，在20 L/s排量、水壓差1.5 MPa情況下，測得推靠力為7 650 N，推靠力隨著壓差的增加基本呈線性增加，有效壓耗（推靠力）占比最大94.46%，平均在80%左右。工具兩端PDC軸承的泄漏，使得工具內部存在無效壓耗，在試驗壓差范圍內，無效壓耗平均在0.27 MPa。

3.2"現場某26-斜7井試驗

2020年7月在國內區塊某26-斜7井下入靜態推靠機械式垂鉆工具，開展了現場試驗。該趟鉆純鉆時間36.3 h，井下循環時間46.5 h，進尺403.5 m。采用的鉆具組合為：311.0 mm三牙輪鉆頭（水眼14+14+14）+VDM垂直導向工具（2019228SY01）×5.97 m+308.0 mm扶正器×1.65 m+轉換接頭（雙內）×0.45 m+178.0 mm無磁鉆鋌×9.07 m+178.0 mm鉆鋌9根+加重鉆桿12根+127.0 mm鉆桿。鉆壓基本保持在60 kN，后期有憋跳現象，有時增加到120 kN左右，排量保持在32 L/s；立管壓力由6.5 MPa增加到7.5 MPa；轉盤轉速110～120 r/min，扭矩在4～8 kN·m交替變化。

起鉆后多點測斜，全井段井斜基本控制在1°以內，最大為井深275.51 m處的1.21°。試驗井段井深、井斜及方位數據如表2所示。從表2可以看出，工具從100 m以后一直處于糾斜狀態，糾斜高邊方位維持在200°左右。地面轉盤扭矩一直存在2～8 kN·m均勻間隔變化，反映了工具推靠高邊的作用力間隔變化。井斜基本控制在1°以內，達到了控制井斜的目的。在工具使用過程中，扭矩、泵壓及鉆井液密度等各項參數平穩，未見異常。起鉆后觀察工具外觀、推靠翼肋以及活塞密封等部件，均表現正常，表明工具工作正常，結構可靠，滿足現場使用要求。

4"結論與認識

（1）研制的靜態推靠機械式垂鉆工具為3層獨立旋轉結構，實現了井下閉環動態響應井斜變化，并利用鉆頭水壓差作為動力源，采用靜態推靠方式有效推靠井壁，實現了鉆進過程中的主動防斜和糾斜。

（2）立式臺架試驗結果表明，靜態推靠機械式垂鉆工具動態響應精度1°，翼肋啟動壓耗0.3 MPa，在排量20 L/s、水壓差1.5 MPa情況下，測得推靠力7 650 N，工具自身壓耗0.27 MPa。

（3）在現場試驗中，工具將井斜基本控制在1°以內，地面轉盤扭矩均勻間隔變化，反映了工具推靠高邊的作用力變化，工具外徑、推靠翼肋及活動部件均表現正常，說明工具結構可靠，滿足現場使用要求，為高陡構造等易斜地區提供了低成本的防斜打快技術。

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