基于提高質(zhì)量效率的垂直鉆具淺談

楊民進

【摘要】針對傳統(tǒng)的防斜打直工具不能有效解決井身質(zhì)量和鉆井速度之間的矛盾，以及地質(zhì)因素和鉆井工況對防斜打快提出的新要求，對機械式自動垂直鉆井工具、捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)、閉環(huán)自動垂直鉆具、機電液一體化自動垂直鉆井工具、西部鉆探垂直鉆井系統(tǒng)等進行了論述，以為解決鉆進過程中的井斜問題，提高鉆井速度，降低鉆井成本提供鉆具參考。

【關鍵詞】鉆具系統(tǒng)??垂直鉆具

現(xiàn)代防斜打直技術的核心是解決井身質(zhì)量和鉆井速度之間的矛盾。為解決直井特別是高陡構(gòu)造條件下的突出井斜問題，降低油氣開發(fā)成本、提高油氣采收率，有效解決防斜打快的問題，通過多種垂直鉆具系統(tǒng)的設計研制，可以有效解決井身質(zhì)量問題，切實提高鉆井效率。

一、機械式自動垂直鉆井工具

機械式自動垂直鉆井工具工作原理：工具上端和下端分別與鉆柱和鉆頭相連。若井眼發(fā)生傾斜，配重就會在其自身重力作用下，穩(wěn)定在傾斜井眼的低邊，上盤閥的扇形偏心流道則穩(wěn)定在井眼高邊。當上盤閥上的扇形偏心流道與下盤閥上的導流孔重合時，鉆柱內(nèi)、外高低壓流體間的通道被打開，高壓鉆井液進入活塞缸，推動活塞靠向高邊井壁，井壁的反作用力使得鉆頭在井眼低邊井壁上的切削量增加。同時，鉆柱內(nèi)、外高低壓流體間的通道被關閉，高壓鉆井液不能驅(qū)動活塞靠向井壁，因此鉆頭在井眼低邊井壁以外區(qū)域的切削量不會增加。鉆柱持續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中上述過程循環(huán)往復，鉆頭會增加在井眼低邊井壁上的切削量，實現(xiàn)鉆進過程中對井斜的適時修正。

機械式自動垂直鉆井工具能夠自動感應井斜并進行主動糾斜，可以有效地減少鉆柱所受的摩擦力和阻力，使所形成的井眼更光滑，有利于降低卡鉆風險。更重要的是能夠釋放鉆壓、正常鉆進及提高鉆速。其結(jié)構(gòu)特點為：采用機械結(jié)構(gòu)控制，無電子控制裝置，適應范圍廣，可靠性高;工具失效后，不對鉆井施工產(chǎn)生負面影響;整套工具強度不低于鉆具的設計強度。

二、捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)

捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)采用動態(tài)推靠方式實現(xiàn)鉆進過程中的主動防斜、糾斜，捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺是系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)主要由基于旋轉(zhuǎn)基座的測量短節(jié)、井下發(fā)電機、無刷力矩電機、旋轉(zhuǎn)變壓器和防斜糾斜執(zhí)行機構(gòu)等組成。在穩(wěn)定平臺的控制下，力矩電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)中的盤閥對過流鉆井液進行控制，利用活塞驅(qū)動翼肋推靠井壁，產(chǎn)生具有糾斜作用的側(cè)向推靠力，以實現(xiàn)防斜、糾斜功能。捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)具有以下特點：穩(wěn)定平臺與鉆鋌固聯(lián)在一起，具有相同的運動狀態(tài)，機械結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn);穩(wěn)定平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部鉆井液過流通道之間采用液壓油進行平衡密封隔離，增加了工作的可靠性及使用壽命;采用全新的捷聯(lián)算法及高性能的傳感器件，計算更加準確，精度更高。

三、閉環(huán)自動垂直鉆具

閉環(huán)自動垂直鉆具結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。它由發(fā)電機、孔斜測量單元、電子控制單元及液壓執(zhí)行單元組成，所有部件均安裝在不轉(zhuǎn)動的環(huán)狀空間內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。

該系統(tǒng)的發(fā)電機和液壓泵都是通過鉆桿驅(qū)動，因而，在密封較好的情況下，該鉆具的工作不受泥漿的影響，即在欠平衡鉆進或進行干鉆時，垂鉆系統(tǒng)可正常工作。

圖2??孔底閉環(huán)自動垂鉆結(jié)構(gòu)原理圖

經(jīng)過室內(nèi)試驗與野外試驗，初步證明該鉆具基本到達了設計的要求。在鉆進時能自動測斜、自動判斷、自動輸出合乎要求的糾斜力。由于結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低，比較適合我國的現(xiàn)實情況，系統(tǒng)還可進一步發(fā)展，與MWD連接，適應較高級用戶的要求。

四、機電液一體化自動垂直鉆井工具

機電液一體化自動垂直鉆井工具，能夠自動探測傾斜情況，并在鉆頭上自動產(chǎn)生一個附加的降斜力。該鉆井裝置設有固定導向套，固定導向套內(nèi)設有探測控制裝置，探測控制裝置與電磁換向閥控制連接，電磁換向閥的控制口與導向液壓缸連通，導向液壓缸嵌設于固定導向套內(nèi)靠近鉆頭的部位，導向液壓缸的導向活塞伸于固定導向套的外壁。探測控制裝置為微處理器，連接有雙向重力加速度計。電磁換向閥的入口與鉆柱內(nèi)的泥漿流道連通，電磁換向閥的出口與環(huán)空連通。固定導向套與鉆柱之間的間隙與鉆柱內(nèi)的泥漿連通，固定導向套與鉆柱之間的間隙與電磁換向閥連通。

五、西部鉆探垂直鉆井系統(tǒng)

該垂直鉆井系統(tǒng)在井眼發(fā)生井斜時，能夠自動在鉆頭上產(chǎn)生一個指向低邊的側(cè)斜力，使鉆頭保持向垂直方向鉆進，達到降斜的目的。西部鉆探垂直鉆井系統(tǒng)主要分為三大部分：數(shù)據(jù)測量傳輸系統(tǒng)、井斜控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)。動力系統(tǒng)主要包括液壓泵，本體和中心管，在工具工作時提供動力;數(shù)據(jù)測量傳輸系統(tǒng)主要進行井斜數(shù)據(jù)的傳輸，測控儀器測得的井斜數(shù)據(jù)經(jīng)信號耦合器轉(zhuǎn)換后傳遞到脈沖發(fā)生器，然后傳至地面;井斜控制系統(tǒng)是通過控制電磁閥和液壓泵，推動柱塞在井眼高邊產(chǎn)生鉆頭側(cè)向力，起到降斜的作用。在鉆進過程中，該鉆具下入井內(nèi)，動力系統(tǒng)向測控儀器供電，測控儀器開始測量井斜數(shù)據(jù)，井斜數(shù)據(jù)通過傳輸系統(tǒng)傳遞到地面。同時，井斜高邊的測控儀器發(fā)送指令，利用井斜控制系統(tǒng)在鉆頭上產(chǎn)生一個從井眼高邊指向井眼低邊的側(cè)斜力，起到降斜的作用。

工具的主要優(yōu)點在于：具備數(shù)據(jù)采集傳輸和井斜控制的雙重功能，有利于現(xiàn)場井斜控制和分析。采用整體液壓泵，具有排量大，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便的優(yōu)點。發(fā)電機也采用整體式，便于拆卸和更換。信號耦合器采用線圈耦合，原線圈與次線圈互不接觸，磨耗腐蝕較小，信號穩(wěn)定可靠。

總之，垂直鉆具系統(tǒng)可以有效解決高陡構(gòu)造鉆進過程中井身質(zhì)量與鉆井速度的矛盾，提高機械鉆速，降低鉆井成本。

參考文獻：

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