李立鑫 ，薛啟龍 ，劉寶林 ，李昕愉 ，王 晉

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國(guó)土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

引 言

自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)是一種利用井下鉆具進(jìn)行自動(dòng)防斜糾斜的直井作業(yè)技術(shù)，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，已在山前高陡構(gòu)造的防斜快打、高密度叢式井的防碰打直等領(lǐng)域取得了良好的使用效果，井斜可控制在3°以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的直井軌跡控制。與使用鐘擺鉆具、滿眼鉆具、偏軸鉆具等被動(dòng)式吊打防斜技術(shù)不同，自動(dòng)垂直鉆具能夠?qū)︺@井軌跡進(jìn)行主動(dòng)控制，有效降低鉆桿扭矩和摩阻，釋放鉆壓，大幅提高機(jī)械鉆速，降低鉆進(jìn)成本[1-4]。

自動(dòng)垂直鉆具最早起源于德國(guó)大陸超深鉆井計(jì)劃(KTB計(jì)劃)的VDS系統(tǒng)，由德國(guó)國(guó)家能源部委托美國(guó)Baker Huges Inteq公司研制。該系統(tǒng)采用井下閉環(huán)的電子控制系統(tǒng)，由內(nèi)置微處理器根據(jù)重力加速度計(jì)測(cè)得的信號(hào)判斷井斜，進(jìn)而控制液壓系統(tǒng)將靠近鉆頭的可伸縮導(dǎo)向塊推向井壁高邊，加劇井眼底部低邊的側(cè)向切削，使井眼軌跡逐步恢復(fù)至垂直。使用VDS系統(tǒng)后，KTB計(jì)劃主孔在鉆進(jìn)至井深6 760 m時(shí)，最大水平位移僅有20 m，井斜角可保持在1°以內(nèi)[5]。在VDS鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外公司相繼開發(fā)出Power V、Verti Trak、SL-AVDS、CGVDS等自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，均取得了良好的使用效果[6-11]。

近年來(lái)，面對(duì)低迷的油氣價(jià)格，進(jìn)一步降低鉆井成本成為了鉆井企業(yè)生存的關(guān)鍵，而上述自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)均含有復(fù)雜的井下電子控制系統(tǒng)，需配備高精度、高效率的信號(hào)采集分析系統(tǒng)，在井底惡劣的工況下密封要求極高，且不耐振動(dòng)和高溫，易發(fā)生損壞，造價(jià)及維修維護(hù)成本高昂。而機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的出現(xiàn)很好地適應(yīng)了當(dāng)下的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，具有成本低、耐高溫、適用性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，成為了高陡高斜地區(qū)防斜快打的最佳選擇之一[12-13]。

1 機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的糾斜行為

1.1 機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的重力感應(yīng)糾斜原理

現(xiàn)階段主流的機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的工作部分由重力感應(yīng)機(jī)構(gòu)、盤閥控制機(jī)構(gòu)、推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，采用偏重物體在重力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)至低邊的原理感應(yīng)井斜，其工作原理如圖1所示。鉆具的重力感應(yīng)機(jī)構(gòu)中包含有偏重塊，偏重塊使用軸承安裝，可在重力作用下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。重力感應(yīng)機(jī)構(gòu)之下是鉆具的盤閥控制機(jī)構(gòu)，主要由上、下盤閥構(gòu)成，其中上盤閥與偏重塊為剛性連接并保持同步旋轉(zhuǎn)。上盤閥僅有一個(gè)開孔，其位置與偏重塊呈對(duì)位分布，而下盤閥上有多個(gè)開孔，分別與下部鉆井液流道相連。當(dāng)井斜發(fā)生時(shí)，偏重塊自動(dòng)偏轉(zhuǎn)并保持在井眼低邊位置，同時(shí)帶動(dòng)上盤閥的開孔停留在井眼高邊，該側(cè)鉆井液流道隨即打通并在活塞的兩端形成壓力差(近似等于鉆頭壓降)，將活塞推向井壁。在推靠反作用力影響下，鉆頭在井眼底部低邊的切削加劇，井眼軌跡逐步回復(fù)至垂直方向。

圖1 機(jī)械式垂直鉆具重力感應(yīng)糾斜原理Fig.1 Gravity induction straightening principle of fully mechanical vertical drilling tool

1.2 機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的工作模式

機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具均采用近鉆頭推靠(Push-the-bit)的工作模式，依據(jù)推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否隨上部鉆桿同步旋轉(zhuǎn)，可分為動(dòng)態(tài)推靠式和靜態(tài)推靠式，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)推靠式與靜態(tài)推靠式垂直鉆具機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Mechanical structure of rotate and static push-the-bit vertical drilling tools

圖2動(dòng)態(tài)推靠式垂直鉆具的外部殼體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)均隨鉆桿同步旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)外部殼體將鉆壓和扭矩傳遞給鉆頭，鉆井液在基座上端面處發(fā)生分流，大部分流經(jīng)流孔沖洗孔底，小部分通過(guò)盤閥機(jī)構(gòu)推動(dòng)活塞。偏重塊與心軸及上盤閥為剛性連接，通過(guò)軸承與外部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分離，可依靠感應(yīng)重力自由發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，每當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中周向均布的活塞旋轉(zhuǎn)至井眼高邊時(shí)，活塞會(huì)在上部盤閥的控制下推向井壁，當(dāng)活塞旋轉(zhuǎn)離開井眼高邊后，活塞收縮進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如此循環(huán)往復(fù)，形成在井眼高邊位置的周期推靠力。動(dòng)態(tài)推靠式垂直鉆具多安裝有3個(gè)活塞，呈120°相位差周向均布，上盤閥多為90°開孔，僅允許一個(gè)活塞在鉆井液壓差作用下推向井壁。當(dāng)偏重塊停駐在井眼低邊位置時(shí)，上盤閥開口位于井眼高邊，如圖3藍(lán)色部分所示，當(dāng)下盤閥旋轉(zhuǎn)至上盤閥開口范圍時(shí)，鉆井液流道打開，活塞推向井壁，理想狀態(tài)下會(huì)在井眼高邊±α1/2的范圍內(nèi)接觸井壁，形成指向井眼高邊的推靠導(dǎo)向集中力，該導(dǎo)向集中力可由式

(1)

計(jì)算求得[14-15]。式中，F(xiàn)R1為理論導(dǎo)向集中力，α1為盤閥開口角，F(xiàn)P為活塞的推靠力，d為活塞受鉆井液壓差的當(dāng)量直徑，Pi為鉆具內(nèi)部鉆井液壓強(qiáng)，Po為環(huán)空鉆井液壓強(qiáng)。由于活塞未工作時(shí)的初始位置與井壁存在一定間隙，在鉆井液流道打開一定時(shí)間后活塞才會(huì)與井壁接觸，故實(shí)際導(dǎo)向集中力FT1與式(1)的理論計(jì)算FR1相比存在圖3所示θ1的角度偏差，且數(shù)值上FT1較FR1略小。

圖3 動(dòng)態(tài)推靠式鉆具糾斜過(guò)程示意圖Fig.3 Straightening schematic diagram of rotate push-the-bit vertical drilling tools

圖4 靜態(tài)推靠式鉆具糾斜過(guò)程示意圖Fig.4 Straightening schematic diagram of static push-the-bit vertical drilling tools

(2)

求得。

但是，在實(shí)際工作過(guò)程中，井斜角隨時(shí)發(fā)生變化，上述最佳糾斜狀態(tài)多為瞬間狀態(tài)，井眼低邊位置絕大多數(shù)時(shí)間處于上述兩個(gè)狀態(tài)之間。當(dāng)僅有1個(gè)活塞推出時(shí)(偏重塊中心線與上方活塞推出方向的夾角小于π/2-α2/2時(shí))，推靠力為FT2，與理論最佳糾斜力FR2存在角度偏差θ2；當(dāng)偏重塊中心線與上方活塞推出方向的夾角大于π/2-α2/2時(shí)(圖4中淺藍(lán)色位置)，上方和右側(cè)的2個(gè)活塞會(huì)同時(shí)推出，推靠合力為FT3，與理論最佳糾斜力FR3存在角度偏差θ3，直至偏心塊中心線與最上方活塞推出方向的夾角達(dá)到45°時(shí)，鉆具再次達(dá)到最佳糾斜狀態(tài)。此后，若偏重塊中心線與上方活塞推出方向的夾角繼續(xù)增加，則上述糾斜行為依次倒敘發(fā)生，直至偏重塊中心線與上方活塞推出方向的夾角呈90°時(shí)，右側(cè)活塞推出方向與井眼高邊方向重合，鉆具又一次達(dá)到最佳糾斜狀態(tài)。

無(wú)論是動(dòng)態(tài)推靠還是靜態(tài)推靠的工作模式，其實(shí)際工作的推靠糾斜力與理論要求的推靠糾斜力之間均存在一定夾角，導(dǎo)致了機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具在控制精度上不如電子控制式自動(dòng)垂直鉆具。偏差角度的客觀存在導(dǎo)致機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具不能始終按照最佳的糾斜狀態(tài)工作，但偏差角度較小，鉆具的推靠糾斜力在理論糾斜方向依舊具有較大的分量，即便是考慮到實(shí)際工況中的井下振動(dòng)作用和軸承摩擦作用，只要是動(dòng)態(tài)推靠式鉆具和靜態(tài)推靠式鉆具的偏重塊分別保持在井眼低邊±α1/2(圖3中淺藍(lán)色位置)和±α2/2(圖4中淺藍(lán)色和淡藍(lán)色位置)的范圍內(nèi)擺動(dòng)，二者均能夠很好地起到糾斜降斜作用。在糾斜作用的持續(xù)過(guò)程中，井斜角會(huì)隨之不斷降低，偏重塊的位置越接近垂直，形成偏轉(zhuǎn)扭矩的重力分量(與軸向垂直方向)越小，直至該偏重扭矩小于軸承與盤閥摩擦力共同形成的阻力矩時(shí)，偏重塊隨即失去作用，鉆具到達(dá)極限糾斜狀態(tài)，獲得臨界井斜角[16]。此時(shí)，偏重塊在井下振動(dòng)的作用下將位于隨機(jī)位置，失去重力感應(yīng)糾斜的能力，鉆具姿態(tài)已接近理論垂直。

1.3 機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的優(yōu)勢(shì)

鑒于上述分析，機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具實(shí)現(xiàn)了在重力感應(yīng)控制下的連續(xù)主動(dòng)糾斜，井斜控制能力較強(qiáng)，可滿足高垂直度直井的作業(yè)要求，并具有以下優(yōu)勢(shì)：①采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)的成本有效降低；②不含井斜測(cè)量?jī)x、電子傳感器、控制電路板等電子元器件及控制電路，降低了鉆具對(duì)密封的要求，避免了電子控制式垂直鉆具因電控元件損壞導(dǎo)致的失效問(wèn)題，可靠性大大提高；③全金屬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以經(jīng)受更高的溫度，可承擔(dān)超深井、異常地溫梯度直井等高溫環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)；④能夠承受更大的振動(dòng)和沖擊，最大限度地釋放鉆壓和扭矩，進(jìn)一步提升鉆進(jìn)效率；⑤工作原理巧妙地利用重力作用進(jìn)行井斜控制，實(shí)現(xiàn)了在最小的外界干預(yù)下進(jìn)行自動(dòng)糾斜，保證井眼的軌跡垂直；⑥可在各種地質(zhì)條件下配合各類型的鉆井液使用，適用性大大提升。因此，在高垂直度直井作業(yè)時(shí)，使用機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具能夠有效降低鉆井成本，已在高陡高斜區(qū)塊的防斜糾斜作業(yè)中取得了很好的應(yīng)用效果。

2 機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的研究現(xiàn)狀

機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具雖然具有較為簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制原理，但該技術(shù)卻是在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)垂直鉆井功能及電子控制式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其出現(xiàn)較晚，至今僅有十余年的時(shí)間。目前，國(guó)際上已獲得成熟商業(yè)應(yīng)用的機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具主要為Scout Downhole和Halliburton兩家公司，而國(guó)內(nèi)僅有中石化勝利鉆井院在該技術(shù)領(lǐng)域取得了成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2.1 Vertical Scout自動(dòng)垂直鉆具

Scout Downhole公司的Vertical Scout機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具采取靜態(tài)推靠式設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，現(xiàn)已研發(fā)出第八代產(chǎn)品[12]。該鉆具主要由心軸、止推軸承、偏重機(jī)構(gòu)、推靠機(jī)構(gòu)及不旋轉(zhuǎn)外套等組成，高壓鉆井液在配流接頭處發(fā)生分流進(jìn)入鉆具腔體，提供推靠動(dòng)力，在偏重塊的重力感應(yīng)及盤閥的協(xié)同控制作用下，將活塞推向井眼高邊，如圖5所示。該鉆具在常規(guī)靜態(tài)推靠式鉆具的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：①推靠機(jī)構(gòu)包含雙層呈十字交叉排布的4個(gè)推靠板，每層2個(gè)推靠板組成一個(gè)整體推出單元，可前后滑動(dòng)推出并互為限位，且推靠板與井壁接觸的部分為弧面設(shè)計(jì)，其半徑與井眼半徑一致，保證了推靠板與井壁始終保持大面積接觸，在提升鉆具工作穩(wěn)定性的同時(shí)降低了推出板的磨損；②該鉆具采用上下分體的芯軸設(shè)計(jì)，避免了單一芯軸大長(zhǎng)徑比導(dǎo)致的撓曲變形問(wèn)題，上下芯軸利用配流接頭連接，配流接頭上裝有鉆井液過(guò)濾裝置，在實(shí)現(xiàn)分流的同時(shí)對(duì)鉆井液進(jìn)行固控，保證進(jìn)入鉆具腔體的鉆井液不含有危害盤閥和軸承工作性能的固體顆粒，有效地提升了鉆具的可靠性。理論上，該鉆具在井斜超過(guò)0.03°后就會(huì)產(chǎn)生糾斜能力，當(dāng)井斜超過(guò)0.06°后，鉆具即可達(dá)到最大的糾斜能力。

圖5 Vertical Scout結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制示意圖Fig.5 Structure and work principle of Vertical Scout

目前，Vertical Scout純機(jī)械自動(dòng)垂直鉆具在北美地區(qū)已使用超80 000 h，進(jìn)尺超1 300 000 m，機(jī)械鉆速提升明顯。該鉆具在Crooked Hole Country用于直井作業(yè)，配合3.3級(jí)螺桿馬達(dá)和6翼13 mm PDC鉆頭，成功打出了井徑83/4″、井斜角小于0.5°的高質(zhì)量直井，解決了該地區(qū)山前高陡高斜地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致的大井斜、大狗腿的問(wèn)題，在超過(guò)1 700 m的進(jìn)尺中最大水平位移僅有4.3 m。而且該系統(tǒng)用于側(cè)鉆糾斜也取得了很好的效果(如圖6所示)，在USA-Lea County區(qū)塊的一口井徑為121/4″的定向井，因螺桿馬達(dá)過(guò)量地滑動(dòng)鉆進(jìn)，導(dǎo)致井斜角從1.3°增加至6°，嚴(yán)重超出了預(yù)定軌跡，在水泥灌漿后，使用Vertical Scout在2 700 m井深處進(jìn)行糾斜側(cè)鉆，鉆進(jìn)至超過(guò)5 000 m的目標(biāo)地層的過(guò)程中井斜角始終小于1°，成功實(shí)現(xiàn)了側(cè)鉆糾斜[17-18]。

圖6 Vertical Scout側(cè)鉆糾斜作業(yè)井斜測(cè)量曲線Fig.6 Well deviation curve of Vertical Scout during sidetracking well straightening

2.2 V-Pilot自動(dòng)垂直鉆具

Halliburton公司的V-Pilot自動(dòng)垂直鉆具是采用靜態(tài)推靠式設(shè)計(jì)(其結(jié)構(gòu)如圖7所示)，可配合各種類型的鉆頭使用，適用于大傾斜地層、塊狀巖鹽地層、堅(jiān)硬地層及高溫環(huán)境。V-Pilot鉆具包含動(dòng)力短節(jié)和糾斜短節(jié)兩部分，可靈活拆裝以便于運(yùn)輸，其糾斜短節(jié)主要包含鐘擺總成、閥門總成及推靠總成3個(gè)核心部分。與圖2所示靜態(tài)推靠式鉆具有所不同，該鉆具的閥門總成有4個(gè)相互獨(dú)立的閥門，在鐘擺總成的重力感應(yīng)作用下，閥門總成上部位于井眼低邊一側(cè)的鉆井液流道打開，涌進(jìn)的高壓鉆井液經(jīng)過(guò)閥門總成內(nèi)部的螺旋形流道被引流至井眼高邊一側(cè)的活塞腔將活塞推出。此外，V-Pilot鉆具還具有創(chuàng)新的推靠總成設(shè)計(jì)，包含4組周向均布的活塞，每組4個(gè)活塞沿軸向等距排列，同時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向塊推向井壁并獲得4倍于單一活塞的推靠力，進(jìn)一步增強(qiáng)了鉆具的糾斜能力。V-Pilot垂直鉆具的糾斜靈敏度極高，當(dāng)井斜角超過(guò)0.2°后，偏重總成和閥門總成即可被激活，控制導(dǎo)向塊獨(dú)立或協(xié)同推向井壁進(jìn)行糾斜作業(yè)[19]。

圖7 V-Pilot外觀及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Appearance and structure schematic diagram of V-Pilot

V-pilot鉆具已在直井的糾斜降斜作業(yè)取得了成功的應(yīng)用。在加拿大落基山脈丘陵地帶的Alberta地區(qū)的一口直井作業(yè)過(guò)程中，由于地層傾角大，自然造斜率達(dá)3°/30m，井斜難以控制，而且?guī)r層壓縮強(qiáng)度大，井下振動(dòng)極高，平均機(jī)械鉆速僅為2～5 m/h。該井在井深95 m處開始使用V-pilot垂直鉆具加95/8″螺桿馬達(dá)的鉆具組合，僅通過(guò)鉆進(jìn)27 m便將井斜從0.79°降低至0.4°，在繼續(xù)鉆進(jìn)至621 m的過(guò)程中，井斜基本保持在0.5°以內(nèi)(如圖8所示)，只在約400 m井深的位置井斜角接近0.7°)，鉆壓提升至24 t，機(jī)械鉆速提升至25 m/h，極大地提升了鉆井效率。在加拿大不列顛哥倫比亞?wèn)|北部的Komie地區(qū)進(jìn)行的水平井直井段作業(yè)，為滿足后續(xù)水平作業(yè)要求，設(shè)計(jì)表層孔直井段井徑121/4″，井深700 m，水平位移要求在7 m以內(nèi)。使用V-Pilot系統(tǒng)， 全程井斜控制在0.2°～0.5°， 平均機(jī)械鉆速接近65 m/h，平均水平位移低于2 m，效果十分理想[20-21]。

圖8 V-Pilot直井作業(yè)測(cè)量曲線Fig.8 Well deviation curve of V-Pilot during vertical drilling

2.3 VertiSteer自動(dòng)垂直鉆具

近年來(lái)，Halliburton公司又新推出了一套全新的機(jī)械式垂直鉆具VertiSteer，如圖9所示。該鉆具采用全旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)推靠的工作模式，工作原理與圖2所示動(dòng)態(tài)推靠式鉆具基本相同，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)資料尚未公布。VertiSteer鉆具的推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)也采用類似Vertical Scout的雙層弧面推靠板方案，以提高鉆具工作的可靠性和穩(wěn)定性，最高可在232 ℃的高溫環(huán)境下使用。在Papua New Guinea的超高壓頁(yè)巖構(gòu)造帶上，使用VertiSteer鉆具先后進(jìn)行了171/2″井徑的糾斜作業(yè)和121/4″井徑的直井作業(yè)，在獲得高垂直度的同時(shí)，極大地釋放了鉆壓和扭矩并提高了機(jī)械鉆速。其中，在井徑171/2″的井中從井深515 m開始使用VertiSteer鉆具進(jìn)行糾斜，鉆至1 300 m時(shí)井斜從4°降至1°，狗腿度僅為1.76°/30 m；在使用VertiSteer鉆具進(jìn)行121/4″的直井作業(yè)時(shí)，從地表鉆至井深966 m處井斜角始終控制在1.76°以內(nèi)(如圖9所示)，狗腿度在1.3°/30 m以內(nèi)，與鄰井15.8°的井斜角對(duì)比效果明顯，成功克服了地層高自然造斜率的不利影響[22-23]。

圖9 VertiSteer結(jié)構(gòu)及作業(yè)井斜測(cè)量曲線Fig.9 Structure and well deviation curve of VertiSteer

2.4 中石化勝利鉆井院機(jī)械式垂直鉆具

國(guó)內(nèi)方面，韓來(lái)聚等[12]采用動(dòng)態(tài)推靠的糾斜方式，設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。該鉆具主體外徑280 mm，最大外徑305 mm，活塞行程13 mm，最大張開外徑331 mm，適用于配合121/4″鉆頭進(jìn)行直井作業(yè)。該鉆具的心軸、上盤閥與配重保持同步運(yùn)動(dòng)，與下盤閥、殼體通過(guò)軸承連接，保證配重與上盤閥可在自身重力作用下穩(wěn)定在井眼低邊，推動(dòng)位于高邊的活塞推向井壁進(jìn)行糾斜。該鉆具在5 MPa的鉆頭壓降下可獲得20 kN 的推靠力，在川東斷褶帶黃金口構(gòu)造帶雷音鋪構(gòu)造北段軸部須家河組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并取得了很好的使用效果。須家河組巖性為灰黑色泥巖夾灰色細(xì)砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，可鉆性差，地層傾角為30°～40°，極易發(fā)生井斜。使用垂直鉆具后，機(jī)械鉆速提高97.34%，井斜角為2.5°～3°，井斜控制精度≤3°，實(shí)現(xiàn)了釋放鉆壓、提高鉆速的技術(shù)目標(biāo)，鉆具在試驗(yàn)后未見損傷，滿足了現(xiàn)場(chǎng)鉆井的使用要求[12,24]。

圖10 中石化勝利鉆井院機(jī)械式垂直鉆具結(jié)構(gòu)Fig.10 Mechanical structure of fully mechanical vertical drilling tool designed by Sinopec Shengli Drilling Institute

3 關(guān)鍵技術(shù)及攻關(guān)方向

由上述應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，我國(guó)在機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具領(lǐng)域的研究方面相對(duì)滯后，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，主要體現(xiàn)為鉆具在重力感應(yīng)靈敏度和井斜控制精度等方面尚存在較大差距。面臨著國(guó)外公司只租不售、技術(shù)封鎖的現(xiàn)狀，發(fā)展我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具是十分迫切和重要的。通過(guò)我國(guó)學(xué)者近十年的不斷努力，我國(guó)機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的研究也取得了一些成果，主要集中在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和減少盤閥的摩擦阻力兩方面。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，宋執(zhí)武[25-26]等利用不倒翁原理提出了一種動(dòng)態(tài)推靠式自動(dòng)防斜鉆具，僅利用一邊壁厚、一邊壁薄的偏心套筒感應(yīng)重力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化。艾才云[27-28]等將液壓系統(tǒng)引入機(jī)械式垂直鉆具，當(dāng)鉆具垂直時(shí)，液壓閥桿位于中心，不推動(dòng)閥芯向外運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推靠力，在理論上避免了機(jī)械式垂直鉆具在垂直姿態(tài)時(shí)的造斜行為，從而提高了鉆具的糾斜精度。劉寶林等[29]對(duì)鉆具的推靠機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種靜態(tài)推靠式機(jī)械式垂直鉆具，該鉆具擁有獨(dú)特的雙層分布的推靠機(jī)構(gòu)(如圖11所示)，每層4個(gè)，同層的推靠活塞呈90°相位差沿周向均勻分布，不同層推靠活塞間存在45°的相位角，工作時(shí)不同層但相鄰的3個(gè)推靠活塞同時(shí)推向井壁，3個(gè)推靠作用點(diǎn)形成了穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，增加了糾斜工作的穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)了在較小的鉆頭壓降下形成更大的推靠力和糾斜力矩，鉆具的糾斜能力、可靠性及適用性明顯提升。

在減小摩擦阻力方面，劉寶林[30]等還使用環(huán)閥控制取代了常規(guī)的盤閥控制，避免了鉆井液軸向流動(dòng)施加給閥體工作面的正壓力，摩擦阻力隨之大大減小，有效提升了鉆具的控制靈敏度。胡遠(yuǎn)彪等基于盤閥摩擦扭矩與盤閥半徑的三次方成正比的理論分析，提出一種新的含有導(dǎo)流槽的小直徑盤閥機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案(如圖12所示)，該盤閥機(jī)構(gòu)的控制盤片上開有與活塞腔流道孔一一對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流槽，鉆井液在盤閥的控制下可通過(guò)導(dǎo)流槽流入活塞腔，將活塞推出實(shí)現(xiàn)糾斜。該盤閥機(jī)構(gòu)僅需通過(guò)一個(gè)面積很小的上盤閥控制即可，其半徑顯著縮小，進(jìn)而有效降低了摩擦扭矩，鉆具的糾斜精度隨之大大提升。

圖11 雙層分布推靠機(jī)構(gòu)及環(huán)閥控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of double-layer distributed push-actuator and annular valve

圖12 小直徑盤閥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.12 Design of plate valve with minor diameter

現(xiàn)階段我國(guó)機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具多處于樣機(jī)的試制研發(fā)階段，鉆具性能的提升主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，而對(duì)鉆具基礎(chǔ)理論的研究十分不足，需對(duì)鉆具防斜糾斜行為進(jìn)行深入的理論剖析，以指導(dǎo)鉆具的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。在井下實(shí)際工況中，機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的性能主要受糾斜響應(yīng)機(jī)制所控制，包括偏重機(jī)構(gòu)在重力作用下的偏轉(zhuǎn)響應(yīng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在井壁高邊的推靠響應(yīng)兩方面，主要受偏重塊的偏心扭矩、盤閥及軸承的摩擦阻力、流動(dòng)鉆井液的粘滯阻力、鉆井液流量及鉆頭壓降、井下橫向和縱向的振動(dòng)、底部鉆具組合的粘滑及渦動(dòng)等因素的綜合影響，而且機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具推靠井壁的糾斜行為所帶來(lái)的非線性摩擦，會(huì)與上述因素相互作用，使井下工況變得更加復(fù)雜，進(jìn)而影響鉆具的糾斜響應(yīng)。因此，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探索的同時(shí)，需注重鉆具糾斜響應(yīng)機(jī)制的理論研究，探索各影響因素的作用機(jī)制，以指導(dǎo)機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆具的成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外石油公司及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開始逐漸關(guān)注其研發(fā)及應(yīng)用，以順應(yīng)當(dāng)前國(guó)際油氣經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，滿足降本增效的迫切需求。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域存在巨大發(fā)展空間，應(yīng)注重機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和糾斜行為理論研究并行，輔以計(jì)算機(jī)模擬仿真等現(xiàn)代化研究手段，進(jìn)一步提升鉆具的井斜控制精度和糾斜靈敏度，開發(fā)可以商業(yè)化的產(chǎn)品，在石油鉆探、科學(xué)鉆探、地質(zhì)采礦、地?zé)衢_發(fā)等鉆井工程領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

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