吳小雄，段樹(shù)軍，王前敏，張宏橋，左永強(qiáng)，鄧榮，敬幸福

（1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002；3.四川寶石機(jī)械石油鉆頭有限責(zé)任公司，成都 610000）

0 引言

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展與深入，山前構(gòu)造區(qū)域勘探開(kāi)發(fā)力度不斷增大, 鉆遇山前高陡構(gòu)造和大傾角地層的情況越來(lái)越多，這些地層造成的井斜直接影響井深質(zhì)量和鉆井速度[1-3]。自動(dòng)垂直鉆井工具是集機(jī)、電、液一體化的自主糾斜系統(tǒng)，是解決該問(wèn)題的一大利器，因此對(duì)自動(dòng)垂直鉆井工具的研究和應(yīng)用也越來(lái)越多。雖然最近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)研究投入越來(lái)越多，也取得了一定的成果，但在垂直鉆井工具的應(yīng)用上，還普遍存在對(duì)地層認(rèn)識(shí)不足，鉆頭選型和鉆柱設(shè)計(jì)不盡合理造成的應(yīng)用效果不盡理想的問(wèn)題[4]。

國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)垂直鉆井工具大致可以分為3類：滑動(dòng)推靠式、旋轉(zhuǎn)推靠式和滑動(dòng)指向式[5]。但目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多、效果最好的是以斯倫貝謝Power-V系統(tǒng)為代表的旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司也成功研制了旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具，并成功獲得了應(yīng)用。本文對(duì)旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具進(jìn)行了應(yīng)用分析。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具主要由上端起控制作用的穩(wěn)定平臺(tái)和下端起導(dǎo)向作用的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖1所示。穩(wěn)定平臺(tái)是工具的大腦中樞，起到指揮的作用，內(nèi)部包含渦輪發(fā)電機(jī)、速度陀螺儀、加速度傳感器和磁通門(mén)傳感器以及電子控制器件等。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是執(zhí)行穩(wěn)定平臺(tái)的指令，是一個(gè)純機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由1個(gè)鉆井液導(dǎo)流閥和3個(gè)由鉆井液控制的推力板組成。導(dǎo)流閥與穩(wěn)定平臺(tái)的控制軸相連，方向由控制軸的方位決定。

圖1 旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

自動(dòng)垂直鉆井工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的3個(gè)推力板在圓周上間隔120°均勻分布，如圖2所示。該工具有兩個(gè)工作模式，即糾斜模式和穩(wěn)斜模式。當(dāng)井斜角超過(guò)一定范圍，工具進(jìn)入糾斜模式，控制軸停留在井眼高邊處，鉆井液經(jīng)導(dǎo)流閥分流后只進(jìn)入在井眼高邊的推力板處，此時(shí)其他兩個(gè)推力板處無(wú)鉆井液作用。高邊處的推力板受鉆井液的液壓力推動(dòng)伸出，推壓井壁，井壁對(duì)鉆頭產(chǎn)生1個(gè)反作用力，這就是鉆頭側(cè)向力，鉆頭側(cè)向力迫使鉆頭有力地切削井眼低邊。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)整體隨鉆柱旋轉(zhuǎn)，這一個(gè)推力板轉(zhuǎn)過(guò)高邊后，鉆井液壓力就作用于下一個(gè)轉(zhuǎn)到高邊的推力板上，繼續(xù)完成糾斜任務(wù)，如此循環(huán)反復(fù)，完成邊鉆進(jìn)邊糾斜的功能。當(dāng)井斜角沒(méi)有超出范圍時(shí)，工具的控制軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，流道交替打開(kāi)，推力板交替伸出推靠井壁，起到穩(wěn)斜的作用。

圖2 旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具采用全旋轉(zhuǎn)的工作方式，工具整體在井下是全部隨鉆柱旋轉(zhuǎn)的，能有效避免滑動(dòng)式工具造出井眼“鍵槽”的問(wèn)題，避免了工具粘卡的風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的推力板交替推出拍打井壁，造出的井眼規(guī)則，提高了井身質(zhì)量，極大地減少了井下復(fù)雜事故的發(fā)生。

工具采用井下小閉環(huán)自動(dòng)控制，當(dāng)井斜超過(guò)規(guī)定的范圍后，井下控制系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出糾斜指令，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的糾斜動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程完全由井下控制系統(tǒng)指揮完成，這一閉環(huán)控制反應(yīng)迅速，工具姿態(tài)調(diào)整及時(shí)，鉆出的井眼軌跡規(guī)則，井壁光滑。

2 應(yīng)用理論研究

2.1 鉆柱設(shè)計(jì)研究

對(duì)使用自動(dòng)垂直鉆井工具的鉆柱進(jìn)行理論受力分析，如圖3所示。

圖3 鉆柱受力理論分析簡(jiǎn)圖

根據(jù)力矩平衡原理可知：

式中：F1為鉆頭對(duì)井壁側(cè)向力的反作用力；F′為推力板對(duì)井壁推靠力的反作用力；L1為鉆頭到工具推力板的距離；L2為工具推力板到扶正器的距離。

從式（1）分析可以看出：為了保證鉆頭對(duì)井壁有足夠的側(cè)向切削力，L1要盡可能?。粸榱吮ＷC更好的糾斜效果，扶正器支撐點(diǎn)也不宜離推力板位置太遠(yuǎn)，即L2長(zhǎng)短要適中，推薦長(zhǎng)度為2～4 m[6]。在鉆柱設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意這一點(diǎn)。目前斯倫貝謝的Power-V系統(tǒng)為了盡量使L2長(zhǎng)度合理，已經(jīng)把扶正器集成到工具外筒上了。此處的扶正器不但可以協(xié)助工具降斜，還可以修整井壁，使井眼更加光滑、規(guī)則[7]。

2.2 鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)研究

從上述式（1）可以看出，工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)推力板的推靠力大小直接影響鉆頭對(duì)井壁側(cè)向切削力的大小，從而影響糾斜效果。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)如圖4所示，下面對(duì)工具推力板的推靠力F大小進(jìn)行分析：

圖4 旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)工作簡(jiǎn)圖

式中：S為活塞作用面積；ΔP為作用在活塞上的內(nèi)外壓力差，這里可以近似看作鉆頭壓降；ρ為鉆井液密度；Q為鉆井液排量；C為鉆頭噴嘴流量系數(shù)，常數(shù)；d為鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑。

式（2）、式（3）表明了推力板推靠力F是與活塞作用面積S、鉆井液密度ρ、鉆井液排量Q的平方成正比，與鉆頭噴嘴當(dāng)量直徑Q的4次方成反比的。

從式（2）可以看出，在工具應(yīng)用時(shí)活塞作用面積已是定值，只能依靠鉆頭壓降ΔP來(lái)調(diào)節(jié)推力板的推力大小。理論上來(lái)講，推靠力越大，糾斜效率就越高。但推靠力太大會(huì)降低機(jī)械部分的壽命，甚至破壞機(jī)械部分；推靠力太小會(huì)降低工具的作用效果，達(dá)不到預(yù)期的糾斜效果。需要根據(jù)具體情況選擇一個(gè)合理值，推薦壓降范圍為3.5～5.0 MPa[7]。

從式（3）可以看出，鉆井液密度ρ、鉆井液排量Q 和鉆頭水眼參數(shù)（噴嘴型式、個(gè)數(shù)和直徑）直接決定了鉆頭壓降ΔP的大小。鉆井液密度ρ與地層壓力有關(guān)，鉆井設(shè)計(jì)時(shí)已確定；根據(jù)鉆進(jìn)泵情況，鉆井液排量Q只在一定范圍內(nèi)可調(diào)。因此可以看出對(duì)鉆頭水眼參數(shù)的選擇就變得尤為重要，所以在工具下井前就要匹配好水眼參數(shù)，當(dāng)然水眼的選擇還要兼顧鉆頭本身的功率。工具下井后，鉆頭壓降ΔP的調(diào)節(jié)只能通過(guò)調(diào)節(jié)鉆井液排量Q來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 國(guó)產(chǎn)自動(dòng)垂直鉆井工具的應(yīng)用

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制的自動(dòng)垂直鉆井工具在梓頁(yè)1井、酉參2井、DJY-1井等獲得了成功應(yīng)用。

1）梓頁(yè)1井。梓頁(yè)1井位于貴州省遵義市桐梓縣，屬于預(yù)探井，設(shè)計(jì)井深為2465 m。工具應(yīng)用井段為1000～1125 m，應(yīng)用地層狀況為二疊系下統(tǒng)茅口組，地層傾角15°，傾向163°。應(yīng)用后期井壁穩(wěn)定性差，短起下卡鉆頻繁，需要處理泥漿，起出鉆具，現(xiàn)場(chǎng)及返廠后檢查，工具均無(wú)損壞，仍可繼續(xù)使用。本次應(yīng)用進(jìn)尺為125 m，平均機(jī)械鉆速為4.07 m/h，純鉆時(shí)間為30.7 h。

鉆具組合：φ311.2 mmPDC鉆頭+自動(dòng)垂直鉆井工具+鉆鋌+扶正器+鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓為120～140 kN，排量為45 L/s，泥漿密度為1.44～1.5 g/cm3，泵壓為10～11 MPa，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為80 r/min。

應(yīng)用效果：a.井斜由入井前的4.3°下降至2.5°，起到了很好的糾斜效果；b.鉆壓由常規(guī)70～80 kN，增加至120～140 kN，大幅釋放了鉆壓；c.機(jī)械鉆速平均為4.07 m/h，比鄰井（2.7 m/h）提高了51%，提速效果顯著。

2）酉參2井。酉參2井是部署在渝東南陷褶束黔江凹褶皺束龔灘向斜軸部端的一口頁(yè)巖氣參數(shù)井，是一口探井。設(shè)計(jì)井深為2176 m，工具應(yīng)用井段為187～262 m，純鉆時(shí)間只有4.4 h。應(yīng)用后期該井滲漏嚴(yán)重不適合大排量作業(yè)，使用排量降低到28 L/s，推力板推力不夠，且該井地層較酥松，不適合工具繼續(xù)作業(yè)，起出鉆具。

鉆具組合：φ311.2 mmPDC鉆頭＋垂直鉆井工具＋φ229 mm減震器＋φ228.6 mm無(wú)磁鉆鋌1根＋φ228.6 mm鉆鋌1根＋φ310 mm穩(wěn)定器＋φ228.6 mm鉆鋌1根＋φ203.2 mm鉆鋌6根＋φ165.1 mm鉆鋌9根＋φ165.1 mm隨鉆震擊器+φ165.1 mm鉆鋌3根＋φ127 mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓為20～80 kN，排量為28 L/s及48 L/s，泵壓為8～12 MPa，轉(zhuǎn)速為60 r/min。

應(yīng)用效果：a.由于地層極易鉆進(jìn)，使用工具前后機(jī)械鉆速差距不大，都是15 m/h左右；b.在未使用工具的128 m、156 m和268 m所測(cè)的井斜角均超過(guò)3°。在使用工具的193 m和211 m所測(cè)的井斜角均小于2°。在使用工具的240 m所測(cè)的井斜角為3.33°，而此時(shí)由于井漏的原因鉆井液排量?jī)H為28 L/s，鉆井液排量過(guò)小影響工具推力板的推靠力度，從而影響工具的糾斜效果。

3）DJY-1井[8]。DJY-1井是四川都江堰市厚度巨大的礫、砂巖沉積侏羅系山前構(gòu)造上的1口井，設(shè)計(jì)井深為4000 m。工具應(yīng)用井段為1734～1941 m，累計(jì)進(jìn)尺207 m，平均機(jī)械鉆速為1.06 m/h，純鉆時(shí)間為196 h。

鉆具組合：φ311.2 mm牙輪鉆頭×0.3 m＋垂直鉆井工具×4.8 m＋轉(zhuǎn)換接頭×0.25 m＋φ203.2 mm鉆鋌×28.4 m＋φ310 mm穩(wěn)定器×1.5 m＋φ203.2 mm鉆鋌×28.4 m＋轉(zhuǎn)換接頭×1.3 m＋φ177.8 mm鉆鋌×28.4 m＋轉(zhuǎn)換接頭×1.3 m＋φ158.8 mm鉆鋌×141.8 m＋轉(zhuǎn)換接頭×1.3 m＋φ127 mm鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓為220～220 kN，排量為31 L/s，泵壓為8.4 MPa，轉(zhuǎn)速為45 r/min。

應(yīng)用效果：a.井斜由入井前的0.9°下降至0.7°，起出工具后，井隊(duì)繼續(xù)采用常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)，井深1998 m處的井斜角達(dá)到2.0°，井深2315 m處的井斜角達(dá)到2.4°；b.鉆壓得到了釋放，由80～100 kN釋放到200～220 kN；c.平均機(jī)械鉆速由0.62 m/h提高1.06 m/h，提速明顯；d.工具返廠后檢修，所有功能正常，推力板伸出靈活，但活塞、推力板等零件磨損嚴(yán)重。

3.2 國(guó)外公司自動(dòng)垂直鉆井工具的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的旋轉(zhuǎn)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具就是斯倫貝謝的Power-V系統(tǒng)，下面就以Power-V系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。應(yīng)用過(guò)Power-V系統(tǒng)的主要有普光7井、黑池1井、克拉2-3井、砂新2井、川西X01井、迪那2-1井、游6井等[9-13]，下面以砂新2井為例進(jìn)行介紹。

砂新2井設(shè)計(jì)井深為5200 m，工具下井前井斜達(dá)到了6.46°。工具應(yīng)用井段為2405.80～2798.04 m，進(jìn)尺392.24 m。

鉆具組合1：φ311.2 mmPDC鉆頭＋垂直鉆井工具＋φ311.2 mm扶正器＋隨鉆測(cè)斜儀（MWD）+φ228.6 mm減震器＋φ311.2 mm扶正器＋φ203.2 mm鉆鋌6根＋φ177.8 mm鉆鋌5根＋φ203.2 mm震擊器＋φ177.8 mm鉆鋌2根＋φ127 mm加重鉆桿15根+φ127 mm鉆桿。

鉆井參數(shù)1：鉆壓為40～100 kN，排量為45～50 L/s，泥漿密度為1.22～1.26 g/cm3，泵壓為19～24 MPa，轉(zhuǎn)速為80～110 r/min。

鉆具組合2：φ311.2 mmHJ 517G牙輪鉆頭＋垂直鉆井工具＋φ311.2 mm扶正器＋隨鉆測(cè)斜儀（MWD）+φ228.6 mm減震器＋φ311.2 mm扶正器＋φ203.2 mm鉆鋌7根＋φ177.8 mm鉆鋌11根＋φ203.2 mm震擊器＋φ127 mm加重鉆桿15根+φ127 mm鉆桿。

鉆井參數(shù)2：鉆壓為160～220 kN，排量為42～45 L/s，泥漿密度為1.22～1.26 g/cm3，泵壓為19～22 MPa，轉(zhuǎn)速為70～85 r/min。

應(yīng)用效果分析：砂新2井在Power-V使用后，井斜由6.46°降至1°以內(nèi)。平均機(jī)械鉆速為1.81 m/h，比相鄰的、較淺的2125.0～2405.8 m井段提高了55.7%；比鄰井砂新1井相同井段提高了229.1%。

3.3 應(yīng)用結(jié)果對(duì)比分析

從國(guó)產(chǎn)自動(dòng)垂直鉆井工具的應(yīng)用來(lái)看，實(shí)現(xiàn)了糾斜和穩(wěn)斜功能，釋放了鉆壓，提高了機(jī)械鉆速，解決了防斜與打快的矛盾問(wèn)題。但與斯倫貝謝Power-V系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)垂直鉆井工具還存在以下幾點(diǎn)不足：

1）和國(guó)外優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品相比，糾斜效率不高。除了工具本身的糾斜能力不足外，還有就是在鉆頭參數(shù)選型和鉆柱設(shè)計(jì)上不盡合理造成的。如自動(dòng)垂直鉆井工具上端沒(méi)有直接接扶正器，造成扶正器支撐點(diǎn)離工具推力板太遠(yuǎn)，影響了糾斜效率。

2）機(jī)械鉆速提高率不穩(wěn)定。主要是對(duì)地層認(rèn)識(shí)不足，沒(méi)有合理匹配好鉆進(jìn)參數(shù)造成的。

3）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)處的活塞、推力板等零件磨損嚴(yán)重，使用后期影響了推力板的推力輸出。

4）工具適用的排量范圍寬度窄，適用性不強(qiáng)。排量過(guò)低時(shí)，推力板推力小，起不到糾斜作用；排量過(guò)高時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)的電子元器件損耗大，降低了工具使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

1）國(guó)產(chǎn)自動(dòng)垂直鉆井工具雖然得到了成功應(yīng)用，但應(yīng)用效果和國(guó)外優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品相比，差距還很大。2）國(guó)產(chǎn)垂直鉆井工具的穩(wěn)定性還有待提高，比如部分零件的耐磨性不夠，電子元器件對(duì)排量的適應(yīng)范圍不夠等。3）自動(dòng)垂直鉆井工具建議和MWD配套使用，做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)井身情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鉆井參數(shù)。4）建議國(guó)產(chǎn)自動(dòng)垂直鉆井工具多進(jìn)行應(yīng)用，特別是在地層傾角大的井位，需對(duì)工具進(jìn)一步驗(yàn)證。在應(yīng)用中不斷改進(jìn)、升級(jí)，縮小與國(guó)外優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品的差距。5）近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)研究取得了不小的成果，但國(guó)內(nèi)研發(fā)的工具還無(wú)法達(dá)到大量生產(chǎn)應(yīng)用的水平。我們不但要重視工具本身的研究，更要重視工具應(yīng)用的研究，才能在現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)工具的情況下取得更好的應(yīng)用成果。