張奎林，夏柏如

（1.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

基金項目：中國石油化工集團公司重點科技攻關項目“捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)在南方探區(qū)中的試驗研究”（P09003）

國產自動垂直鉆井系統(tǒng)的改進與優(yōu)化

張奎林1，2，夏柏如1

（1.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

基金項目：中國石油化工集團公司重點科技攻關項目“捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)在南方探區(qū)中的試驗研究”（P09003）

高陡構造及巖性變化復雜條件下的井斜問題一直是困繞鉆井工作者的一大技術難題。中國石化南方探區(qū)河壩、普光等構造的巖性變化頻繁，地層傾角大，自然造斜力強，井斜控制十分困難，極易發(fā)生井斜，嚴重制約了鉆井速度的提高。國外自動垂直鉆井系統(tǒng)在該地區(qū)進行了多井次的應用，效果良好，在控制井斜的同時大幅度提高了鉆井速度，較好地解決了鉆速提高與井斜控制之間的矛盾。但國外自動垂直鉆井系統(tǒng)服務價格昂貴，鉆井成本居高不下。為了降低鉆井成本，決定在該地區(qū)應用中國石化自主研發(fā)的捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)。然而，該系統(tǒng)在之前的現(xiàn)場試驗過程中暴露出降斜、提速效果不明顯等問題；經過原因分析，對系統(tǒng)進行了進一步的改進與優(yōu)化，之后又進行了2井次的現(xiàn)場試驗，顯示出非常好的防斜打快效果，為系統(tǒng)的推廣應用打下了堅實的基礎。

高陡構造；捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)；改進；優(yōu)化

井斜問題，特別是高陡構造條件下的井斜問題，不僅導致機械鉆速低、鉆井周期長、鉆井成本高，而且往往造成井身質量很差，嚴重時還將導致中途填井重鉆或報廢，延長建井周期，甚至達不到勘探開發(fā)的目的。中國石化南方探區(qū)主要區(qū)塊，例如川東北河壩構造、普光構造等，由于地質構造復雜多變，地層老，巖石致密堅硬，巖性復雜且泥巖、砂巖、白云巖、碳酸巖交互，巖性變化大，同時受多期構造運動的影響，高陡構造地層傾角大（多在30～85°），且上部地層斷層較多，砂泥巖互層頻繁，自然造斜力強，井斜控制十分困難，極易發(fā)生偏斜，嚴重制約鉆井速度的提高。常規(guī)的鉆井方法無法解決防斜與提速之間的矛盾，只能以犧牲鉆速來實現(xiàn)防斜打直［1-6］。自動垂直鉆井系統(tǒng)可以較好地解決這個問題［7-13］。據(jù)不完全統(tǒng)計，在川東北地區(qū)的沙溪廟、千佛崖、自流井和須家河組上部地層，應用國外自動垂直鉆井系統(tǒng)11井次，平均機械鉆速比常規(guī)鉆井機械鉆速提高了57%，且井身質量好。但是，自動垂直鉆井系統(tǒng)被國外幾大服務公司壟斷，只提供服務，不出售產品，服務價格昂貴，造成鉆井成本居高不下。為了降低鉆井成本、打破國外公司的壟斷，中國石化自主研發(fā)了捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)。其主要特點是，在旋轉鉆進過程中，通過隨鉆測量、井下閉環(huán)控制，進行直井鉆進過程中井眼軌跡的連續(xù)控制，實現(xiàn)自動垂直鉆井功能。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 主要組成

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。其中，穩(wěn)定平臺是系統(tǒng)的核心，主要由基于旋轉基座的測控短節(jié)、井下發(fā)電機、無刷力矩電機、旋轉變壓器和防斜糾斜執(zhí)行機構等組成。在穩(wěn)定平臺的控制下，力矩電機驅動執(zhí)行機構中的盤閥對過流鉆井液進行控制，利用活塞驅動翼肋推靠井壁，產生具有糾斜作用的側向推靠力，以實現(xiàn)有效的防斜、糾斜功能［14-16］。

發(fā)電機組件主要由發(fā)電機、旋轉密封及葉輪3部分組成。鉆井液帶動葉輪旋轉，進而帶動發(fā)電機發(fā)電，旋轉密封隔開液壓油和鉆井液，以減少對軸承等易損件的磨損。

系統(tǒng)中發(fā)電機和力矩電機在旋轉密封和液壓平衡系統(tǒng)的保證下，工作于液壓油中。發(fā)電機通過接頭上的高壓堵頭為測控短節(jié)供電，而測控短節(jié)同樣通過高壓堵頭控制力矩電機；力矩電機的輸出軸直接控制上盤閥，與下盤閥形成開關閥，控制執(zhí)行機構活塞推靠井壁，提供側向力糾斜。

測控短節(jié)上安裝有采集板、定向板、電機板、加表和陀螺等硬件電路和傳感器，各電路板搭載的框架軟件和具體功能模塊之間相互融合，通過CAN總線并行工作，完成數(shù)據(jù)采集、解算及相應的控制工作。

伺服短節(jié)由無刷力矩電機及旋轉變壓器組成，精確控制上盤閥相對于下盤閥的空間位置，以達到自動糾斜、防斜的目的。旋轉變壓器在伺服短節(jié)中作為無刷力矩電機的角度傳感器，對無刷力矩電機的轉子位置進行檢測，完成對無刷力矩電機的換相控制和盤閥角度控制。

防斜糾斜執(zhí)行機構主要由盤閥組件和推靠組件組成。盤閥組件由上盤閥（設計有1個過流孔）和下盤閥（設計有3個過流孔）組成，通過上盤閥對下盤閥相對位置的改變，實現(xiàn)對過流鉆井液的有效分配。推靠組件主要由執(zhí)行機構本體、帶噴嘴的活塞及推靠井壁的翼肋組成，根據(jù)過流鉆井液的流量及壓力，對井壁施加不同的推靠力。

1.2 規(guī)格性能參數(shù)

捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)的規(guī)格性能參數(shù)如下：外徑228.6 mm，適用井眼尺寸311.2 mm，總長7.42 m，支撐翼塊尺寸（未伸出/伸出）299.72 mm/322.58 mm，巴掌分流2.5 L/s，流量40～60 L/s，最大流體靜壓力120 MPa，轉速60～200 r/min，鉆頭壓降3.5～5.0 MPa，鉆鋌扣型NC70。

2 前期試驗情況

2.1 分2井

試驗井段3 267～3 305 m，純鉆時間28.55 h，井斜控制在2.5°以內，與下入自動垂直鉆井系統(tǒng)之前的井段相比，機械鉆速有所提高。自動垂直鉆井系統(tǒng)井下工作正常，井斜、井斜工具面測量基本準確，工作模式選擇準確，初步驗證了系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性及可靠性。但是，系統(tǒng)在鐘擺鉆具組合全壓鉆進狀態(tài)下基本保持穩(wěn)斜，降斜效果不明顯，這與捷聯(lián)式算法的準確性、排量和鉆頭壓降未達系統(tǒng)使用要求以及底部鉆具組合等因素有關。

2.2 舊州1井

試驗井段2 487.34～2 551.26 m，純鉆時間60 h，進尺63.92 m，機械鉆速提高不明顯。井底井斜的變化趨勢為先降斜，再穩(wěn)斜，最后是緩慢增斜狀態(tài)。原因是穩(wěn)定平臺發(fā)電機端Kalsi密封磨損較嚴重，旋轉密封面已磨平，而且總徑向厚度減少約1/3，電機內被鉆井液充滿，軸承損壞嚴重，導致系統(tǒng)失效，從而井斜不降反增。

另外，由于最初的捷聯(lián)式算法主要是基于垂直鉆井臺架試驗數(shù)據(jù)設計的，在實際鉆井過程中，由于井下工況復雜，為系統(tǒng)引入了震動及黏滑等隨機干擾，降低了信號的信噪比，尤其對于加速度計的影響更為突出，有效信號淹沒于噪聲中。通過對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的分析，穩(wěn)定平臺測控短節(jié)輸出井斜角、井斜工具面角的精度不足。特別是在黏滑條件下引起的鉆鋌震動，鉆鋌轉速不均勻，從而輸出井斜、井斜工具面與靜態(tài)測量的數(shù)據(jù)差別較大，推靠機構不能在準確的位置進行推靠，造成系統(tǒng)降斜效率降低。

總之，從試驗情況看，國產捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)的糾斜效果不好，提速效果亦不明顯，需要從系統(tǒng)結構、穩(wěn)定平臺、執(zhí)行機構、配套鉆井工藝等方面進行改進與優(yōu)化。

3 系統(tǒng)改進與優(yōu)化

3.1 捷聯(lián)式算法改進

如何從強震動干擾信號中提取有效信號是捷聯(lián)式算法改進的關鍵，通過對自動垂直鉆井系統(tǒng)多次井下實測數(shù)據(jù)的分析，將其工作狀態(tài)分為以下3種：靜止狀態(tài)、均勻旋轉狀態(tài)和非均勻旋轉狀態(tài)，分別在這3種狀態(tài)下給出了改進的捷聯(lián)式算法。

3.1.1 靜止狀態(tài)

在靜止狀態(tài)下，加速度計受到的隨機震動干擾很小，所以可以通過對原始數(shù)據(jù)進行滑動平均，以及延長井斜及井斜工具面角計算數(shù)組的方法，來消除隨機震動給系統(tǒng)帶來的干擾。靜態(tài)數(shù)據(jù)經過滑動平均后，可以有效地平滑曲線，消除掉大部分隨機干擾，將平滑后的數(shù)據(jù)帶入原有捷聯(lián)式算法中［17-18］，即可計算出井斜角及井斜工具面角。

3.1.2 均勻旋轉狀態(tài)

在均勻旋轉狀態(tài)下，X，Y軸加速度計被鉆進過程中的隨機震動嚴重干擾，致使其輸出信號嚴重失真，在這種情況下原有捷聯(lián)式算法已不再適用。由于原始數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz，可以對原始數(shù)據(jù)進行角域重采樣，以消除高頻震動信號對實際輸出信號的干擾。

將重采樣后的加表輸出信號經過特定頻率響應及相位響應的濾波器濾波之后，即可得到規(guī)則的輸出信號。分別對磁通門FX，F(xiàn)Y進行同樣濾波處理，再將濾波后的信號代入到原有捷聯(lián)式算法中［17-18］，即可計算出井斜角及井斜工具面角。

3.1.3 非均勻旋轉狀態(tài)

該狀態(tài)主要是由于井下存在黏滑工況造成的，同時疊加隨機震動的影響。黏滑發(fā)生的時刻是隨機的，黏滑發(fā)生的同時所對應的磁工具面角MHS也是隨機的，這樣只要經過足夠長的時間，即可以得到若干組不同的黏滑數(shù)據(jù)序列，以m（m為正整數(shù)）表示黏滑數(shù)據(jù)序列的序號，則第m段黏滑數(shù)據(jù)序列為

這樣就可以得到若干組序列，再通過對MHS進行排序，可以得到隨MHS由小到大變化的AXGM， AYGM，F(xiàn)X，F(xiàn)Y序列，對AXGM，AYGM，F(xiàn)X，F(xiàn)Y進行滑動平均后，再運用最小二乘法分別對序列進行數(shù)據(jù)擬合，即可得到AXGM，AYGM，F(xiàn)X，F(xiàn)Y隨MHS變化的曲線。將擬合后的曲線數(shù)據(jù)代入到原來的捷聯(lián)式算法中，即可計算出井斜角及井斜工具面角［17-18］。

3.2 結構優(yōu)化

3.2.1 發(fā)電機驅動系統(tǒng)旋轉密封結構

捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺發(fā)電機通過渦輪帶動發(fā)電機驅動軸，從而帶動發(fā)電機發(fā)電，其中的一個關鍵技術就是發(fā)電機驅動軸在高速旋轉時的密封。原結構采用旋轉密封座內安裝的旋轉密封實現(xiàn)。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，液壓平衡系統(tǒng)液壓油量有限，使用過程中不能補給，且旋轉密封本身具有一定的壽命，隨著工作時間的增加，磨損量也隨之增加，導致旋轉密封泄漏速度隨工作時間的延長而增大，最終無法達到理想設計壽命。

發(fā)電機系統(tǒng)依靠Kalsi密封實現(xiàn)驅動軸在旋轉過程中的動態(tài)密封，將內部液壓油與外部鉆井液隔離，保護軸承及內部繞組。當驅動軸以2 000 r/min甚至更高的轉速旋轉時，在密封與驅動軸的接觸面會因摩擦產生較大的熱量，同時密封圈的磨損也會加劇，因此，此處的改進將大幅度地延長發(fā)電機的壽命。

針對以上問題進行了如下改進：

1）改進了軸的加工。由于軸采用硬質合金噴涂軸密封面后磨削加工，硬度較高，但表面光潔度較差，無法達到旋轉密封所要求的0.05 μm。經過對該軸進行精密加工，達到了設計要求，提高了表面硬度及表面光潔度。

2）改進了Kalsi密封。根據(jù)密封圈的使用情況，專門設計了針對實際使用工況的旋轉密封，以滿足高速、高溫的使用特點。

3）改善潤滑環(huán)境。一是提高液壓油的高溫黏度，當前液壓油在室溫下黏度可以滿足旋轉密封的潤滑要求，但系統(tǒng)的實際工作環(huán)境溫度多數(shù)在50℃以上，因此采用在高溫下仍具有較高黏度的液壓油，可以改善潤滑環(huán)境；二是調整液壓平衡裝置，降低平衡系統(tǒng)最大壓差至0.5 MPa，減少密封圈兩端壓差，降低變形，同時儲油量保持不變。

3.2.2 防斜糾斜執(zhí)行機構

針對現(xiàn)場試驗過程中下盤閥受鉆井液沖蝕比較嚴重的情況，將下盤閥之前的鋼-硬質合金焊接結構改為整體硬質合金結構，以提高下盤閥的使用壽命?；钊Y構由之前的合金鋼本體+橡膠密封結構改為整體硬質合金+金屬密封，避免了活塞在長期高頻率往復運動中的過度磨損及密封失效問題，提高了活塞的壽命。

改進之前上盤閥、下盤閥摩擦副材料均為硬質合金YG8，下井試驗后發(fā)現(xiàn)上、下盤閥均有磨損。一旦下盤閥磨損過多，現(xiàn)場更換困難，而上盤閥在現(xiàn)場更換比較容易，因此將下盤閥材料改為硬質合金YG20，避免下盤閥過度磨損。

除以上改進外，還對發(fā)電機渦輪組件可靠性、系統(tǒng)減震技術以及配套的鉆井工藝技術等進行了研究。改進渦輪結構，減少了對渦輪組件的沖蝕和軸向沖擊，增加了渦輪組件的可靠性和使用壽命。通過改變減震部件結構和材料，設定多級減震模式，設計上下接頭減震扶正器等結構，增加了系統(tǒng)的抗震性能。完善自動垂直鉆井系統(tǒng)底部鉆具組合的力學性能研究，為工具的進一步現(xiàn)場試驗做了充足的準備。

4 改進后的應用

改進后的捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)于2012年1月在中國石化勘探南方分公司安順1井進行了現(xiàn)場試驗，目的是進一步評估該系統(tǒng)井下渦輪發(fā)電機的使用壽命，驗證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及各項改進措施的正確性。系統(tǒng)共入井2次，各項指標良好，取得了預期效果。

1）第1次入井：純鉆時間81 h，井段2 436.00～2 518.37 m，進尺82.37 m，平均機械鉆速1.02 m/h，井斜變化由測深2 436 m井斜6.25°降到2 492.58 m的2.62°，降斜率約6（°）/100 m。

2）第2次入井：純鉆時間91 h，井段2 518.37～2 610.79 m，進尺92.42 m，平均機械鉆速1.03 m/h，井斜變化由測深2 508.55 m的2.50°降到2 595.59 m的0.24°，降斜率約4（°）/100 m。

5 結論

1）經過4井次的現(xiàn)場試驗，國產捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性進一步提高，初步形成了配套的捷聯(lián)式垂直鉆井工藝技術，井斜控制精度達0.5°，工具壽命超過80 h，為下一步的工具改進和現(xiàn)場推廣應用打下了基礎。

2）繼續(xù)現(xiàn)場試驗，不斷改進和優(yōu)化系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可重復利用性，形成產業(yè)化工程。開展自動垂直鉆井系統(tǒng)系列化的研制工作，以適應各種尺寸的井下鉆具組合。

3）開展自動垂直鉆井系統(tǒng)配裝鉆井液壓力波的數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)的研制工作，以實現(xiàn)自動垂直鉆井系統(tǒng)的實時監(jiān)測和井眼軌跡的實時監(jiān)測。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Improvement and optimization on home-made automatic vertical drilling system

Zhang Kuilin1，2,Xia Boru1
(1.School of Engineering and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

Borehole deviation problem under the complex conditions of high-steep structure and lithological change has been a major technical problem that troubles drilling engineers.In the southern exploration areas of Sinopec,such as Heba and Puguang structure,lithology changes frequently,and stratigraphic dip is large,with a strong natural deviation force.So well deviation controlling is extremely difficult,which leads to a very low drilling speed.Foreign automatic vertical drilling systems have been used for many times in the area,with a good effect.Drilling speed has been greatly improved when well deviation is controlled,which resolves the contradiction between drilling speed improvement and well deviation controlling.However,due to the expensive service fee of foreign automatic vertical drilling systems,the cost of drilling stayed high.In order to reduce the drilling cost,Sinopec has independently developed the strap-down automatic vertical drilling system.Before that,the system was tested in northeastern Sichuan Area and some problems were revealed.Then the system is improved and is optimized further in view of the problems presented in field test.After that,field test of two well times is conducted and a good effect is gotten,laying a solid foundation for the mature application of tool.

high-steep structure;strap-down automatic vertical drilling system;improvement;optimization

TE921+.2

A

10.6056/dkyqt201204030

2012-02-01；改回日期：2012-05-17。

張奎林，男，1976年生，高級工程師，1998年畢業(yè)于長春地質學院勘察工程專業(yè)，主要從事鉆井工藝方面的研究和管理工作。電話：（010）59968810，E-mail：zhangkl@sinopec.com。

張奎林，夏柏如.國產自動垂直鉆井系統(tǒng)的改進與優(yōu)化［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：529-532.

Zhang Kuilin，Xia Boru.Improvement and optimization on home-made automatic vertical drilling system［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：529-532.