基于提高质量效率的垂直钻具浅谈
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【摘要】针对传统的防斜打直工具不能有效解决井身质量和钻井速度之间的矛盾，以及地质因素和钻井工况对防斜打快提出的新要求，对机械式自动垂直钻井工具、捷联式自动垂直钻井系统、闭环自动垂直钻具、机电液一体化自动垂直钻井工具、西部钻探垂直钻井系统等进行了论述，以为解决钻进过程中的井斜问题，提高钻井速度，降低钻井成本提供钻具参考。
【关键词】钻具系统 垂直钻具
现代防斜打直技术的核心是解决井身质量和钻井速度之间的矛盾。为解决直井特别是高陡构造条件下的突出井斜问题，降低油气开发成本、提高油气采收率，有效解决防斜打快的问题，通过多种垂直钻具系统的设计研制，可以有效解决井身质量问题，切实提高钻井效率。
一、机械式自动垂直钻井工具
机械式自动垂直钻井工具工作原理：工具上端和下端分别与钻柱和钻头相连。若井眼发生倾斜，配重就会在其自身重力作用下，稳定在倾斜井眼的低边，上盘阀的扇形偏心流道则稳定在井眼高边。当上盘阀上的扇形偏心流道与下盘阀上的导流孔重合时，钻柱内、外高低压流体间的通道被打开，高压钻井液进入活塞缸，推动活塞靠向高边井壁，井壁的反作用力使得钻头在井眼低边井壁上的切削量增加。同时，钻柱内、外高低压流体间的通道被关闭，高压钻井液不能驱动活塞靠向井壁，因此钻头在井眼低边井壁以外区域的切削量不会增加。钻柱持续旋转过程中上述过程循环往复，钻头会增加在井眼低边井壁上的切削量，实现钻进过程中对井斜的适时修正。
机械式自动垂直钻井工具能够自动感应井斜并进行主动纠斜，可以有效地减少钻柱所受的摩擦力和阻力，使所形成的井眼更光滑，有利于降低卡钻风险。更重要的是能够释放钻压、正常钻进及提高钻速。其结构特点为：采用机械结构控制，无电子控制装置，适应范围广，可靠性高;工具失效后，不对钻井施工产生负面影响;整套工具强度不低于钻具的设计强度。
二、捷联式自动垂直钻井系统
捷联式自动垂直钻井系统采用动态推靠方式实现钻进过程中的主动防斜、纠斜，捷联式稳定平台是系统的核心。该系统主要由基于旋转基座的测量短节、井下发电机、无刷力矩电机、旋转变压器和防斜纠斜执行机构等组成。在稳定平台的控制下，力矩电机驱动执行机构中的盘阀对过流钻井液进行控制，利用活塞驱动翼肋推靠井壁，产生具有纠斜作用的侧向推靠力，以实现防斜、纠斜功能。捷联式自动垂直钻井系统具有以下特点：稳定平台与钻铤固联在一起，具有相同的运动状态，机械结构简单，易实现;稳定平台内部结构与外部钻井液过流通道之间采用液压油进行平衡密封隔离，增加了工作的可靠性及使用寿命;采用全新的捷联算法及高性能的传感器件，计算更加准确，精度更高。
三、闭环自动垂直钻具
闭环自动垂直钻具结构原理图如图2所示。它由发电机、孔斜测量单元、电子控制单元及液压执行单元组成，所有部件均安装在不转动的环状空间内，结构简单，造价低。
该系统的发电机和液压泵都是通过钻杆驱动，因而，在密封较好的情况下，该钻具的工作不受泥浆的影响，即在欠平衡钻进或进行干钻时，垂钻系统可正常工作。
图2 孔底闭环自动垂钻结构原理图
经过室内试验与野外试验，初步证明该钻具基本到达了设计的要求。在钻进时能自动测斜、自动判断、自动输出合乎要求的纠斜力。由于结构简单，制作成本较低，比较适合我国的现实情况，系统还可进一步发展，与MWD连接，适应较高级用户的要求。
四、机电液一体化自动垂直钻井工具
机电液一体化自动垂直钻井工具，能够自动探测倾斜情况，并在钻头上自动产生一个附加的降斜力。该钻井装置设有固定导向套，固定導向套内设有探测控制装置，探测控制装置与电磁换向阀控制连接，电磁换向阀的控制口与导向液压缸连通，导向液压缸嵌设于固定导向套内靠近钻头的部位，导向液压缸的导向活塞伸于固定导向套的外壁。探测控制装置为微处理器，连接有双向重力加速度计。电磁换向阀的入口与钻柱内的泥浆流道连通，电磁换向阀的出口与环空连通。固定导向套与钻柱之间的间隙与钻柱内的泥浆连通，固定导向套与钻柱之间的间隙与电磁换向阀连通。
五、西部钻探垂直钻井系统
该垂直钻井系统在井眼发生井斜时，能够自动在钻头上产生一个指向低边的侧斜力，使钻头保持向垂直方向钻进，达到降斜的目的。西部钻探垂直钻井系统主要分为三大部分：数据测量传输系统、井斜控制系统、动力系统。动力系统主要包括液压泵，本体和中心管，在工具工作时提供动力;数据测量传输系统主要进行井斜数据的传输，测控仪器测得的井斜数据经信号耦合器转换后传递到脉冲发生器，然后传至地面;井斜控制系统是通过控制电磁阀和液压泵，推动柱塞在井眼高边产生钻头侧向力，起到降斜的作用。在钻进过程中，该钻具下入井内，动力系统向测控仪器供电，测控仪器开始测量井斜数据，井斜数据通过传输系统传递到地面。同时，井斜高边的测控仪器发送指令，利用井斜控制系统在钻头上产生一个从井眼高边指向井眼低边的侧斜力，起到降斜的作用。
工具的主要优点在于：具备数据采集传输和井斜控制的双重功能，有利于现场井斜控制和分析。采用整体液压泵，具有排量大，结构简单，安装方便的优点。发电机也采用整体式，便于拆卸和更换。信号耦合器采用线圈耦合，原线圈与次线圈互不接触，磨耗腐蚀较小，信号稳定可靠。
总之，垂直钻具系统可以有效解决高陡构造钻进过程中井身质量与钻井速度的矛盾，提高机械钻速，降低钻井成本。
参考文献：
[1]孙浩玉，聂云飞，吴仲华. 自动垂直钻井系统执行机构性能模拟试验[J]. 石油机械，2016，32（9）：28-31.
[2]张建平，肖华，石丽娟. 垂直钻井系统在吐哈盆地山前高陡构造的应用[J]. 石油天然气学报，2011，9（5）：72-76.
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