自动垂直钻井工具系统整体性能试验台架设计
自动垂直钻井工具结构特点_杨鹏
46工业技术INDUSTRY TECHNOLOGY河南科技2012.08 下自动垂直钻井工具结构特点西安石油大学 机械工程学院 杨 鹏直井的“防斜打直”一直是油气钻井生产中一个非常重要的实际问题。
随着石油勘探开发从易开发地层转向复杂结构地层，高陡构造、地层的钻井工作量越来越大， 常规的防斜打直工具（钟摆钻具组合、满眼钻具组合等）不能满足钻井作业对提高工作效率及降低作业成本的要求。
为了更好地解决复杂地层中直井的防斜打直问题，国内外一直致力于自动垂直钻井工具的研究与开发。
一、典型自动垂直钻井工具自动垂直钻井工具是钻井技术上的一次突破，是一种不受井下地层特性和人为因素的干扰而自动跟踪预定的井眼轨迹的自动闭环垂直钻井工具。
目前国外初步形成了以Baker Hughes 公司的V erti-trak 系统和Shlumberger 公司的Power-V 系统为商业化应用代表的成熟自动垂直钻井工具。
国内对自动垂直钻井工具的研究目前都处于起步阶段，研制的工具从工作原理上来讲，都能够实现自动控制井斜的功能，但未有商业化应用的国产工具产生，因此，研究国外成熟的自动垂直钻井工具的结构对我国的项目研究具有一定的推动意义。
1.V erti-trak 自动垂直钻井工具结构。
V erti–Trak 自动垂直钻井工具采用静态推靠式的工作原理，工具组合由控制短节、动力短节、执行机构三部分组成，如图1所示。
控制短节用于检测井下工程参数，根据井斜工况控制翼肋的伸缩，其内部的脉冲器可以以钻井泥浆为介质实现地面与井底的双向信息交流。
动力短节部分的井下马达采用纳维钻具（Navi–Drill ）技术，通过预成形定子和钛合金柔性传动节等，以使工具在钻井泥浆的驱动下获得了更大的功率和扭矩输出。
在防斜打直执行机构上有一不旋转的套筒，该套筒上带有三个可膨胀的伸缩翼肋。
伸缩翼肋实质上是一套液压控制系统，它包括活塞和液压控制阀，它们也都位于不旋转的套筒内，液压控制系统的压力来源于泥浆压力，整个液压系统为同一压力系统。
国产自动垂直钻井系统的改进与优化
服 务价 格 昂贵 ， 造成 钻井 成本居 高不 下 。 了降低 钻井 为
成 本 、 破 国外公 司的垄 断 ， 国石 化 自主研 发 了捷 联 打 中
外 径 ２ ８ ｍ， 用 井 眼尺 寸 ３ １ ｑ 总 长 ７４ ２ ．ｍ 适 ６ １ ． ｍｎ， ２ ．２ｍ，
支 撑 翼块 尺寸 （ 伸 出／ 出 ）９ ． ／２ ．８ 未 伸 ２ ９７ ｍｍ ３ ２ ２ ５ ｍｍ。 巴
稳 定平 台测 控短节 输 出井斜 角 、井斜 工具 面 角 的精度 不足。 特别 是在 黏滑 条件 下引起 的钻 铤震 动 ， 钻铤转 速 不 均匀 ， 而输 出井斜 、 从 井斜 工具 面与 静态 测量 的数据
差别较 大 靠机 构不 能在 准确 的位 置进行 推 靠 ， 成 推 造
纠斜 、 防斜 的 目的。 转变压 器在伺 服 短节 中作为 无刷 旋 力矩 电机 的角 度传 感器 ，对无 刷力矩 电机 的转 子位 置
［ Ｏ 徐 泓 ． １］ Ｖｒ Ｋ垂 直 钻 井 系 统 在 大 湾 １井 的应 用 ｌ］ 采 工 艺 ，０ ０ ３ Ｊ． 钻 ２ １ ，３
进行 检测 ．完 成对 无刷 力矩 电机 的换 相 控制 和盘 阀角
度 控 制
系统 降斜效 率 降低 。
总之 ． 从试 验情 况看 ， 国产捷 联 式 自动 垂 直钻 井 系 统 的纠斜效 果不 好 ， 提速 效果亦 不 明显 ， 要 从 系统结 需
防斜 纠斜 执行 机构 主要 由盘 阀组件 和推 靠组 件组
测 控 短 节上 安装 有 采 集板 、 向板 、 定 电机 板 、 表 加
势为 先降斜 ， 稳斜 ， 再 最后 是缓慢 增斜 状态 。原 因是稳
定平 台发 电机 端 Ｋ ｌ 密封磨 损较 严重 ． 转密 封面 已 ａｓ ｉ 旋
捷联式自动垂直钻井系统稳定平台测试台架静、动态特性的数值模拟
捷联式自动垂直钻井系统稳定平台测试台架静、动态特性的数值模拟【摘要】根据捷联式自动垂直钻井系统稳定平台的需要，设计了铝制桁架结构的测试台架，并建立了桁架模型，分析其静强度、稳定性、固有频率和频率响应分析。
【关键词】铝制桁架屈曲分析模态分析频响分析要完成复杂井眼轨迹，尤其是真正实现井下闭环控制，传统的钻井工具已不能满足要求，必须研制更加灵活的全方位可调的旋转导向井下工具，其核心是能在旋转状态下按控制指令动作改变作用在钻头上的合力或改变钻具偏心程度的稳定平台装置。
稳定平台装置实际上是一个测控单元，含有磁通门、重力加速度计、速率陀螺、微处理器以及相关的各种电路。
它可以检测接收各种信号，通过一定的算法计算得出正确的数据，并发出指令操纵执行机构完成各种动作。
作为捷联式自动垂直钻井系统的重要组成部分，稳定平台内含磁通门等磁性敏感元件，为了模拟自动垂直钻井系统在井下的工作状态，其地面试验设备不仅要能够模拟钻铤的工作状态等条件，还必须满足磁场隔离，即捷联式稳定平台磁通门安装位置1m范围内无磁性材料。
1 测试台架设计及静强度分析稳定平台测试试验台架由台架、起竖摇摆机构、驱动装置、模拟负载装置、测量检测装置等部分组成，如图1。
由于磁敏感元件磁通门位于稳定平台中心位置，所以台架为无磁材质即可满足要求，设计中采用2A12铝制角铁焊接台架。
台架通过起竖摇摆机构实现空间姿态的变化，同时承受稳定平台、驱动装置和模拟及检测装置的重量，以及稳定平台旋转过程中的振动载荷。
当台架在水平状态时，起竖摇摆机构为台架的固定点，不考虑起竖摇摆机构受理情况，则台架各个方向的自由度为全约束。
桁架的受力主要是安装在其上的设备重力，同时桁架的自重也需要考虑进去，桁架在水平状态时，其最大应力为24.6MPa，最大位移为11.6mm；查表得到2A12的许用应力为240MPa，可见该结构足以满足强度要求，其最大位移也在工程使用的允许范围内。
2 台架稳定性分析结构的稳定性分析，也称为屈曲分析，是结构分析的一个重要部分。
φ311mm垂直钻井系统现场试验分析
Ｏ３ ｍ 直 钻 井 系统 现 场试 验 分 析 ｍ垂 １ １
陈 铭 刘 伟 嘉 张 龙 若 陈 陵 宝 李 伟 成 林 检
（ 西部钻探工程有限公 司克拉玛依钻 井工艺研 究院 ， 新疆克拉玛依 ８４０ ３ ０ ０）
摘要 ：油气井防斜 、 纠斜 问题是钻 井过程 中普遍存在但 一直未能彻底解决的经典性难题之 一。经过数年攻关 ， 开发 出具有 自主知识产权的 ０ １ 主动 式垂直钻井 系统， ３１ ｍｍ 并分别于 ２ ０ ０ ９年 ９月及 ｌ 月相继在 Ｔ ２ ６ １ ８０ ６井、 ８０ ５井进行 了首次试验 ， Ｔ ２６ 获得 成功 。从 ０３ １ １ ｍｍ 垂直钻井 系统 自身结构特 点 出发 ， 结合现场 实际， 对现场试验 方案 、 试验难点及对策、 现场试验步骤进
行 了分 析探 讨 ， 对现 场试 验 过 程 、 验 效 果 进行 了阐述 、 并 试 分析 。试验 证 明 ， １ ｍｍ 垂 直 钻 井 系统在 陡构 造 地 层 、 倾 角地 层 、 Ｏ３ １ 大 断层 、 应 力异 常 地 层 的钻 探 中 ， 地 纠斜 、 防斜 效果 显 著 ， 速 钻 进 能 力 强 ， 快 可进 一 步推 广 应 用 。
（ ｉｉ ｅｈ ｏｏｙＲ ｓａｃ ｓｔｔ Ｗ ｓｅｎＤｒ ｌｇＥｎｉｅｒｎ ｏ ｐ ｎ ， ａａ ｙ８ ４ ０ ， ｈｎ Ｄｒｌ ｇＴｃｎ ｌ ｅｅｒｈＩ ｔｕｅ ｅｔ ｉｉ ｇｎｅｉ Ｃ ｍ ａｙ Ｋ ｒｍ ３ ０ ０ Ｃ ｉａ） ｌｎ ｇ ｎｉ ， ｒ ｌｎ ｇ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｐ ｃ ｅ ｏ ｅａ ｄ ｗｅ ｌ ｔａｇ ｔｎ ｎ ｓ ｅ ｒ ｏ ｓｒ ｃ ： ａ ｋ ｄ ｈ ｌ ｎ ｌ ｓｒ ｉ ｈ ｅ ｉ ｇｉ ｕ ｓ ｅｃ ｍｍｏ ｌ ｓ ｉａ ｒ ｘ ｗｈ ｃ ｏ ｌ ｏ ｅｓ ｌ ｅ ｏ ｌｔ ｌ． ｈ ｒ ｍｙ ｓ ａ ｎｃａ ｓｃ ｌ ｕ ｉｈ ｃ ｕ ｄｎ ｔ ｏ ｖ ｄｃ ｍｐ ｅ ｅｙ Ｔ ｅＫａ ａ ｃ ｂ Ｄｒｌ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｒｅ ｅ ｒｈ Ｉ ｓ ｔ ｔ ｆｔ ｅ Ｗｅ ｔｒ ｉ ｉ ｇ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｃｏ ａ ｙ ｆ ａｌ ｅ ｅｏ ｓｔ ｅ ０３ ｍｍ ｃｉ ｅ ｖ ｒ ｃ ｌ ｉ ｉ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｓ ａｃ ｎ ｔ ｕ ｅ ｏ ｓｅ Ｄｒｌ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｍｐ ｎ ｎ ｌ ｄ ｖ ｌｐ ｈ １ ｌ ｉ ｈ ｎ ｌ ｎ ｉ ｙ １ ａ ｔ ｅｔ ａ ｖ ｉ ｄ ｌ ｎ ｙ ｔ ｍ ｔ ｄ ｐ ｎ ｅ ｔｉｔ ｌ ｃｕ ｌ ｒ ｐ ｒ ｉ ｈ ｓａ ｅ ａ ｙ ｙ ａ ｓｏ ｓ ａ ｃ ． ｈ ｒｌ ｎ ｙ ｔｍ ｓｓ ｐ ｒ ｔ ｌ ｅ ｔｄ ａ ｉ ｉ ｒ ｌ ｇ ｓ ｓｅ ｗｉ ｉ ｅ ｅ ｄ ｎ ｅｌ ｔ ａ ｏ ｅｔ ｒｇ ｔ ｆ ｒ ｎ ｅ ｒ ｆ ｅ ｅ ｒ ｈ Ｔ ｅｄ ｉ ｉｇ ｓ ｓｅ ｗａ ｅ ａａ ｅｙ ｔ ｓ ｔ ｈｎ ｎ ｅ ｐ ｙ ｔ ｍ ｒ ｌ ｅ
捷联式自动垂直钻井系统的研制及现场试验
微 处理 器 ， 经过分 析判 断 ， 果工作 状态 与设定 值存 如
在 偏 差 ， 发 出 控 制 指 令 给 伺 服 短 节 ， 过 连 续 改 变 就 通
收 稿 日期 ： ０ ０ ０ ｌ ； 回 日期 ： ０ （ ０ １ ２ ｌ－ ｌ 】 改 ２ １ 一 ５ ０ ）
号并 进行 相应 的处 理 ， 出相 应 的控 制 指 令 。伺 服 发 短节 由旋 转变压 器和 电动 机组成 。位 于测控 短节 中 的磁通 门等传感 器 件 可探 测 动 态条 件 下 的 井斜 角 、 方位角 以及 装置 的状 态 参 数 ， 将 这些 信 息 传送 至 并
自动垂直钻 井 系统等 国外 工 具
防 斜 纠 斜 执 行 机 构 等 组 成 ， 图 １所 示 。 在 稳 定 平 如 台 的 控 制 下 ， 矩 电 机 驱 动 执 行 机 构 中 的 盘 阀 对 力 过 流 钻 井 液 进 行 控 制 ， 用 活 塞 驱 动 翼 肋 推 靠 井 利 壁 ， 生 具 有 纠 斜 作 用 的 侧 向 推 靠 力 ， 实 现 防 产 以 斜 、 斜功能。 纠
中 图分 类 号 ： ９ １ ２ ＴＥ ２ ．
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ １０ ９ （０ ０ ０— ０ ３０ １０ — ８ ０２ １ ）３ ０ １— ４
随着石 油勘探 开 发 形 势 的发 展 ， 寻 油气 领 域 探
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 、 刷 力矩 电机 、 转 变压 器 和 无 旋
解决 以上 问题 。 而 目前 国 内在现 场 应 用 的 防斜 、 纠 斜 工 具 主 要 是 Ｂ ｋ ｒＨｕ ｈ ｓ 司 的 Ｖｅｔ ｒｋ 垂 直 ａｅ ｇｅ公 ｒＴ ａ ｉ 钻 井 系 统 ，ｃ ｌｍｂｒｅ（ 伦 贝 谢 ） 司 的 Ｐ ｗ ｒ Ｓｈｕ ｅ ｒ斯 ｇ 公 ｏ ｅ Ｖ
机械式自动垂直钻井工具的研制
机械 式 自动 垂 直钻 井 工具 的研 制
韩 来聚 倪 红 坚 赵 金 海 刘 志 和 吴仲 华
（．中 国 石化 胜利 石 油 管 理 局 钻 井 工 艺研 究 院 山东 东 营 １ ２ ７ １ ； ２ 中国 石 油 大 学 石 油工 程 学 院 山东 东 营 ５ ０７ ２７６ ） ５ ０ １
（ ． ｉｌｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｒｅｅ ｒｈ Ｉ ｓｉｕｅ，Ｓ ｎ ｐ ｃＳ ｅ ｇ ｉＯｉｆｉｌ ｍｉ ｉｔａ ｉｎＢｕ ｅ ｕ，Ｄｏ ｇ ｉ ｇ ２ ７ １ １ Ｄｒｌｉｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｓａ ｃ ｎ ｔｔｔ ｉ ｏ ｅ ｈ ｎ ｌ ｌ ｅｄ Ａｄ ｎ ｓｒ ｔｏ ｒａ ｎ ｙ ｎ ５ ０ ７，Ｃｈ ｎ ｉａ； ２ ｏｌｇ ｆ Ｐｅｒ ｌｕ Ｅｎ ｉ ｅｒｎ ．Ｃ ｌｅ ｅｏ ｔｏｅ ｍ ｇ ｎ ｅ ｉｇ，Ｃ ｉ ａＵｎ ｖ ｒｉ ｆ ｔｏｅ ｍ ，Ｄｏ ｇ ｉ ｇ ２ ７ ６ ｈ ｎ ｉｅｓｔ ｏ Ｐｅｒ ｌｕ ｙ ｎ ｙ ｎ ５ ０ １，Ｃ ｉａ ｈｎ ）
正确 ， 构可靠 ， 结 能够 在 主 动 、 时 防斜 的 同 时 ， 效 地 释 放 钻 压 ， 高 钻 速 。该 工 具 的研 制 成 功 为 直 井 的 防 斜 打 快 工 艺提 供 了一 种 适 有 提
新 的 技 术 手 段 ， 有 广 阔的 应 用 前 景 。 具
关 键 词 ：机 械 式 垂 直 钻 井 工具 ； 斜 感 应 信 号 ； 压 ； 井 钻 机械 钻速 ； 验 研 究 试
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第２ ９卷
第 ５期
石
油
学
报 Biblioteka Ｖｏ Ｉ ９ ＮＯ ５ ｌ２ ．
Ｓｅ ｔ ｐ． ２ ８ ００
２０ ０ ８年 ９月
浅谈钻井机械设备综合试车台研制方法
引言
钻井机械设备运行过程中会出现一些故障，与之相关的故障分析以及维护保养工作具有重要的现实意义，应深入分析故障原因，采取有针对性的措施，提升维修工作的质量，避免后续更大问题的发生。
1石油钻井设备构成
石油有工业血液之称，石油的出现为人们的生活提供了极大的便利。人类社会的不断进步促进了石油的开发利用，目前石油勘探开发越来越受到人们的重视。石油作为一种能源埋藏在地层深处，为了开采石油，就必须利用石油钻井设备钻穿坚硬的地层。随着我国能源需求的持续快速增长，对油田钻井设备提出了更高的要求。因此，采用技术、性能优良的钻井设备，才能实现高效的钻井效率。根据钻井工艺以及工序的不同，钻井设备的组成略有不同，但一般来说必须包括以下系统和设备：起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传递系统、控制系统、动力驱动系统、钻机底座以及其他辅助设备，如图1所示。其中起升系统主要功能在于起下钻具、控制钻压、下套管、处理井下复杂情况以及辅助起升重物等等。旋转系统主要包括转盘、井内钻具等，旋转系统的主要作用在于连接起升、钻井液循环系统，并带动井内钻具旋转，达到破碎岩石的目的。钻井液循环系统主要包括钻井泵、地面管汇、立管以及钻井液配置净化处理设备等，其主要功能在于冲洗井底、传递动力。其他系统此处不进行详细介绍，需要强调的是，钻井设备主要指的是钻机，由于目前石油业多采用旋转钻井法作业，因此相应的钻井设备也称为转盘旋转钻机。
3.2合理润滑，科学运用维修方法
机械设备在运行过程中必然会伴随磨损现象，而这也是导致设备故障的重要诱发因素，考虑到这一问题，应高度重视日常润滑保养工作，同时需要制定出合适的维修方法，由此提升设备的稳定性。（1）合理润滑。不同的机械设备所对应的润滑剂存在差异，因此在进行润滑剂的选择时需要考虑设备的特性。此外，随着季节的变化，对应的润滑剂型号也会存在一定差异。使用的润滑剂必须具有良好的质量，因此日常质检工作必不可少。（2）在对钻井机械设备进行维修作业时，可以采取如下两种方法进行。一是零件修理。由于零件的耐久性较差，加之设备运行摩擦所带来的影响，其必然会出现不同程度的问题，此时可以采取研磨、焊接等方式进行处理。以传动轴为例，当其出现异常而无法正常工作时，则需要将传动轴拆卸下来，借助于车床加工的方法对其进行处理。二是零件换用维修。必须给机械设备适配一定量的备用零件，当其中的某一部分出现异常后可以即进行换新处理，如果不具备此条件时，可以对易于获得的材料进行加工得到。此外，当零件无法正常工作时，可以将其进行报废处理。（3）除了维护工作外，对机械设备的操作规范性也至关重要，整个操作过程应遵循指定的流程进行，不允许出现超负荷或带病工作的状况。注重油门的使用方法，确保设备负荷处于平稳变动状态，由此降低设备的故障率。
垂直钻井工具
垂直钻井系统简单的说是导向钻井的简化版，像Power-V工具只要把参数设定成相关的就可以成为一个垂直钻井系统。
目前世界上广泛使用的垂直钻井系统主要有：德国的ZBE，斯伦贝谢的Power-V和VertiTrack三种。
ZBE是德国smart drilling公司产品，是世界上最早研究旋转导向钻井系统的公司。
ZBE系统主要有连接钻头和钻柱的轴、发电机、电子控制系统、斜向仪，MWD脉冲发生器、导向滑块、液压泵、外壳组成。
测斜仪检测到井斜后，将信号传输到电子控制系统，电子控制系统将激发导向液缸产生动作，将导向滑块推出并支撑在井壁，并防止外壳旋转，给钻头一个侧向力，使钻头导向。
Power-V系统是一套全自动化的旋转导向垂直钻井系统。
在钻进时会自动追踪地心引力，当井斜超过规定值后，自动设定和调整工具侧向力，在工具全旋转状态下伸缩块沿井斜高边方向频繁推出，给钻具一个侧向力，纠正井斜。
主要由两大部件组成：控制单元（CU）和偏置单元(BU)。
VertiTrack是一个模块化钻井系统，包括导向系统、MWD测量短节和一个高性能动力短节X-Treme。
V ertiTrack是一种滑动式的垂直钻井系统，有3个导向块，成120度夹角，通过不同导向块的组合实现导向力的改变。
预应力弹簧作用下的伸缩块在液压驱动下实现连续的过程控制，不受钻井参数影响同时不受地层性质影响。
目前国内很多研究机构都研制过相关产品，胜利研究院、克拉玛依研究院、张绍槐教授等都进行过或者正在进行相关研究，但是限于国内材料水平和制造工艺的瓶颈，这些产品总的来说跟国外还是有的一定的差距，主要表现井下服役时间，纠斜能力、抗高温性能等方面。
垂直钻井技术
5. 由于PowerV钻具组合一直在旋转，特别有利于水平井、大斜度 井和3000米以下深井中钻压的传递，可以使用更高的钻压和转 盘转速，有利于提高机械钻速。而使用泥浆马达在大井斜的长 裸眼段滑动钻进时送钻特别困难，经常是上部的钻杆已经被压 弯了，而钻压还没有传递到钻头上，还常常引发随钻震击器下 击，损害钻头寿命。
二、典型的垂直钻井工具 系统工作原理：
VertiTrak垂直钻井系统在钻进过程中,当MWD重力传感器(距离钻头10m)检 测到有井斜趋势时,既可启动液压控制系统部件,一至两个肋板在液压力的作用下 伸出向井壁施加作用力，作用力大小可以调节，通过井壁对肋板的反作用力强迫 钻头向垂直方向移动,同时MWD传送实时井斜数据到地面系统以方便跟踪和监测。 当井眼完全垂直时,三个肋板全部伸出,并对井壁施加相同的力,将钻头居中,保持 井眼按垂直方向钻进。这一过程自动完成,不需要任何人为干涉。 VertiTrak最大降斜能力可以达到1.5°/30m,通过选择欠尺寸扶正器在钻具组 合中的位置及扶正器外径的大小,可以对预期降斜率的大小进行设定,范围在 1.5°/30m~0.8°/30m之间。在钻进时通过调整钻压、排量等技术参数也可以对 降斜率做适当的微调。
二、典型的垂直钻井工具 VertiTrak 的优势：
降低了扭转振动 减低了脱扣掉钻具的风险 降低了扭矩和磨阻 避免憋钻 钻具与套管的磨损最小 减少了总的机械损耗 释放钻压，提高机械钻速，缩 短钻井周期 降低成本 较少的钻井时间 减少了井场面积 较小的站地面积 最小的环境影响 ”瘦”井眼比大井眼 降低了破岩量 较低的泥浆费用和环保费 用 较低的钻头费用 固井效率提高 可减少套管层数
垂直钻井工具的研究
汇 报 人：张策
目录
垂直钻井技术概述
全旋转推靠式自动垂直钻井工具现场试验分析
ｔｈｅ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｉｔ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｏ ｆｕｒｔｈｅｒ ｃｈｅｃｋ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎｇｌｅ ｈｏｌｄｉｎｇ ｃａ⁃
ｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｕｓｅ ｉｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｉｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆｕｌｌ⁃ｒｏｔａｔｉｏｎ； ｐｕｓｈ⁃ｔｙｐｅ； ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｏｏｌ； ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ； ａｎｇｌｅ ｈｏｌｄｉｎｇ；
和反钟摆柔性钻具等技术使防斜效果有了大幅提
直接影响井身质量和钻井速度， 钻井过程中的防斜
高， 但由于地层条件以及应用时钻具组合方式不同
打直一直是钻井工程中的主要难题之一。 国内学者
及工程技术人员先后提出了一些防斜打快技术与方
等原因， 防斜效果仍不理想 ［３－４］ ， 亟待有一种能够
主动纠斜、 稳斜， 又能够解决防斜与打快这一矛盾
— ２４ —
石 油 机 械
ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
２０１５ 年 第 ４３ 卷 第 ９ 期
◀钻井技术与装备▶
全旋转推靠式自动垂直钻井工具现场试验分析
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石油机械2017 年第45 卷第 2 期CHINA PETROLELM M ACHINERY — 13 —◄钻井技术与装备►自动垂直钻井工具系统整体性能试验台架设计王小通u王闻涛u孟瑞斌2杨晓勇2闫文辉3周亚辉u卞志楠2(1.国家油气钻井装备工程技术研究中心2.宝鸡石油机械有限责任公司3.西安石油大学）摘要：为了验证自动垂直钻井工具系统的整体性能是否满足设计要求，研制了自动垂直钻井 工具系统整体性能多功能试验台架。
试验台架采用多级耐腐蚀离心泵为主的清水循环系统，通过 变频来模拟实际钻井中钻井液流量的变化，确定工具对排量的适应范围；采用模拟转盘旋转装置 有效模拟实际钻井中工具旋转的工况。
地面试验结果表明：该台架设计合理，功能齐全，满足了 自动垂直钻井工具系统的功能试验要求，缩短了工具研发周期。
所得结论可为自动直钻井工具系 统的现场应用提供参考。
关键词：自动垂直钻井工具；性能试验；变频控制；清水循环；纠斜；井斜角中图分类号：T E921文献标识码：入如：10.16082/】.（:吐[^吼.100卜4578.2017.02.004Design of Integrative Performance Test Rack for AutomaticVertical Drilling Tool SystemW ang X iaotong1,2 W ang W entao1,2Meng R uibin2Yang Xiaoyong2Yan W enhui3Zhou Y ahui1,2Bian Zhinan2(1.National Engineering Research Center for OH and Gas Drilling Equipment；PC Baoji Oilfield Machinery Co. ,Ltd.；3. X i’an Shiyou University)Abstract ：An automatic m ulti-function test rack lor vertical drilling tool system has been developed to verily w hether the overall perform ance oi the automatic vertical drilling tool system meets the design requirem ents. The test rack has the water circulation system with m ulti-stage corrosion-resistance centrifugal pum p, which can sim ulate the change ol the drilling fluid flow in the actual drilling through the frequency conversion to determ ine the applicable range ol the tool to the displacem ent. The rotary table sim ulation device could sim ulate the rotating conditions ol tools during drilling. The ground test results show that the rack could m eet the functional testing requirem ents of automatic vertical drilling tool system with rational design and com plete fu n ctio n, which could shorten the tool developm ent cycle. The conclusions could provide references for the field application of automatic drilling tool system.Key words：automatic vertical drilling tool; perform ance test; frequency conversion control；water circulation ；hole straightening；hole inclination0引百随着石油勘探开发领域的不断拓展与深人，山前高陡构造和大倾角地层钻井过程中发生的井斜将 直接影响井身质量和钻井速度，钻井过程中的防斜 打快一直是钻井工程中的主要难题之一，国内学者 *就此提出了一些防斜打快的方法[|_3]，但应用效果 不佳。
自动垂直钻井工具是集机、电、液一体化的 自主纠斜和稳斜的钻井工具系统，它能够有效解决 防斜打快这一困扰钻井工程界的难题。
宝鸡石油机械有限责任公司将“全旋转推靠 式自动垂直钻井工具系统”作为一项高端油气钻 井装备项目进行了攻关，制造了工具样机。
该样机*基金项目：陕西省企业技术中心创新四大工程建设专项资金资助项目“自动垂直钻井系统研制”（陕工信发（2010) 396号）；国家 油气钻井装备技术研究中心项目“自动垂直钻井工具的研制”（新2015-16)。
一 14 一石油机械2017年第45卷第2期由外筒、全密封悬架支撑单元、涡轮发电机单元、测控存单元及执行机构单元等组成。
该工具在保障 垂直钻井要求的同时，在降低钻井轴向摩阻、提高 井眼清洁度、提高机械钻速及释放钻压方面效果明 显。
但工具样机整体性能的实现及其定型研究开发 不可避免地要遵循一个从地面试验到现场试验的过 程[4]。
为了保证工具系统研究成功，有必要通过 模拟现场工况来验证工具系统的整体性能是否满足 设计要求。
研制自动垂直钻井工具系统整体式多功 能试验台架就是为了模拟现场工况。
台架模拟转盘 旋转部分在变频电机的带动下使工具旋转，模拟井 斜角调整部分使工具倾斜一定角度，模拟清水循环 部分用清水模拟钻井液进人工具内执行机构推力 板，可在井斜高边打开、在底边缩回，实现工具纠 斜和稳斜的功能，数据监测及采集部分能采集系统 进水流量、回水流量、压力及纠斜推靠力等参数。
1总体结构设计及特点垂直钻井工具系统是基于自动控制原理和自主 式导向的防斜打直钻井工具，在保证不降低正常钻 压的情况下，完成近钻头井斜、方位及工具面角的 测量，井身轨迹自主防斜与纠斜，确保钻成的直井 段最大井斜角不超过1.0。
工具整体性能试验台架结构如图1所示。
其 中，清水循环部分模拟钻井液排量循环变化；模拟 转盘旋转部分模拟钻井工具旋转工况；模拟井斜角 调整部分模拟钻井工具空间姿态工况；数据监测及 采集部分实时测量钻井工具重要参数并输人计算机1一变频控制清水循环部分；2 —变频控制部分；3—模拟转盘旋转部分；4一推靠力测量部分；5 —数据监测及采集部分；6—模拟井斜角调整部分。
图1整体性能试验台架结构图Fig. 1Structure of the overall performance test rack 显示给操作者。
2功能的实现及人机交互软件设计2.1变频控制清水循环在钻井工程中，钻井液流量必须满足不同地质 条件和钻井工艺要求，故流量呈现出宽范围变化的 本质特征。
流量的变化必然导致涡轮转速的变化，涡轮力矩发电机的电磁转矩也随之变化，容易导致 稳定平台的控制失稳。
故而在一定泵排量范围模拟 涡轮发电机对稳定平台的稳定控制，对实现工具系 统的纠斜和稳斜功能显得尤为重要[5_7]。
变频控制清水循环部分主要给自动垂直钻井工 具提供水循环动力并控制其压力和流量，使自动垂 直钻井工具实现模拟钻井工具循环工况功能，实现 模拟涡轮发电机工况的功能，检验工具在水力驱动 下试验时对排量范围的适应能力，研判工具系统控 制方法和控制参数对不同排量范围的适应性，为工 具性能满足钻井工程要求提供保障。
台架模拟清水循环试验系统如图2所示。
选用 额定功率400 kW、额定转速2 988 r/m in的离心泵 变频电机驱动离心泵旋转，通过变频改变多级耐腐 蚀离心泵的转数来模拟实际钻井中钻井液流量的变 化。
多级耐腐蚀离心泵用于自动垂直钻井工具试验 台清水的循环，为试验台提供水循环动力。
系统额 定工作压力为5 MPa，最大输出排量45 L/s，泵为 卧式安装，运行平稳，水压和排量持续稳定。
采用 高压型涡流流量计，量程为30〜300 m3/h，可显示 瞬时流量和累积流量，输出标准信号4〜20 mA；同时采用精小型压力变送器，可直接安装在需测量 的管道上，流量和压力数据经采集器后输人计算机。
1一水箱；2—变频电机及离心泵；3—三通；4、5—截止阀；6、12—流量计；7、11一压力表；8—垂直钻井工具；9一上涡轮发电 机；10—下涡轮发电机；13、15—流量传感器；14一数据采集器。
图2台架模拟清水循环试验系统图Fig. 2 Water cycle test simulation system of the testrack2017年第45卷第2期王小通等：自动垂直钻井工具系统整体性能试验台架设计—15 —2.2台架模拟转盘旋转如图3所示，为实现模拟钻井工具旋转工况的 功能，提供模拟转盘旋转动力并控制工具旋转速 度，在台架上设计了模拟转盘旋转装置。
该装置具 有模拟转盘使工具旋转的功能，且能够实时测量和 控制工具的转速，可在相对“真实”的钻井工况 下进行工具纠斜和稳斜功能的调试，为工具现场试 验奠定基础。
考虑到工具组装到试验台架上的轴承 等形成的综合阻力矩较大，要实现工具的旋转比较 困难，设计时齿轮传动比达到5 :1，采用额定功 率4kW、转速2 500 r/m in的转盘变频电机，以克 服综合阻力矩使模拟转盘装置能驱动工具旋转。
采 用非接触式光电霍耳传感器测量转盘转速（工具 转速），4个磁钢固定于转动轴外侧，正对传感头。
转轴转1周，则传感头输出4个脉冲，送人配套的 SMGV4-350R-P1-O1型转速变送器，输出4〜20 m A标准信号，米集信息录人计算机。
图3模拟转盘旋转装置Fig. 3 Rotation structure of rotary table drive simulation tool 2.3推靠力的测量自动垂直钻井技术是解决防斜打快最为有效的 一种技术，其中纠斜推靠力是实现纠斜的关键。
纠斜推靠力的作用是克服地层造斜力对井眼垂直度的 影响，若井斜超出容许范围，则系统必须施加准确 的推力及时地纠斜，否则系统将以相等推力支撑井 壁保持其垂直状态[8-9]。