旋转推靠式自动垂直钻井工具应用分析

吴小雄，段树军，王前敏，张宏桥，左永强，邓荣，敬幸福

（1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司,陕西 宝鸡 721002；3.四川宝石机械石油钻头有限责任公司，成都 610000）

0 引言

随着石油勘探开发领域的不断扩展与深入，山前构造区域勘探开发力度不断增大, 钻遇山前高陡构造和大倾角地层的情况越来越多，这些地层造成的井斜直接影响井深质量和钻井速度[1-3]。自动垂直钻井工具是集机、电、液一体化的自主纠斜系统，是解决该问题的一大利器，因此对自动垂直钻井工具的研究和应用也越来越多。虽然最近几年国内对自动垂直钻井技术研究投入越来越多，也取得了一定的成果，但在垂直钻井工具的应用上，还普遍存在对地层认识不足，钻头选型和钻柱设计不尽合理造成的应用效果不尽理想的问题[4]。

国内外的自动垂直钻井工具大致可以分为3类：滑动推靠式、旋转推靠式和滑动指向式[5]。但目前国内应用最多、效果最好的是以斯伦贝谢Power-V系统为代表的旋转推靠式自动垂直钻井工具。宝鸡石油机械有限责任公司也成功研制了旋转推靠式自动垂直钻井工具，并成功获得了应用。本文对旋转推靠式自动垂直钻井工具进行了应用分析。

1 技术分析

1.1 结构组成

旋转推靠式自动垂直钻井工具主要由上端起控制作用的稳定平台和下端起导向作用的导向机构两部分组成，如图1所示。稳定平台是工具的大脑中枢，起到指挥的作用，内部包含涡轮发电机、速度陀螺仪、加速度传感器和磁通门传感器以及电子控制器件等。导向机构的作用是执行稳定平台的指令，是一个纯机械执行机构，主要由1个钻井液导流阀和3个由钻井液控制的推力板组成。导流阀与稳定平台的控制轴相连，方向由控制轴的方位决定。

图1 旋转推靠式自动垂直钻井工具结构简图

1.2 工作原理

自动垂直钻井工具导向机构的3个推力板在圆周上间隔120°均匀分布，如图2所示。该工具有两个工作模式，即纠斜模式和稳斜模式。当井斜角超过一定范围，工具进入纠斜模式，控制轴停留在井眼高边处，钻井液经导流阀分流后只进入在井眼高边的推力板处，此时其他两个推力板处无钻井液作用。高边处的推力板受钻井液的液压力推动伸出，推压井壁，井壁对钻头产生1个反作用力，这就是钻头侧向力，钻头侧向力迫使钻头有力地切削井眼低边。导向机构整体随钻柱旋转，这一个推力板转过高边后，钻井液压力就作用于下一个转到高边的推力板上，继续完成纠斜任务，如此循环反复，完成边钻进边纠斜的功能。当井斜角没有超出范围时，工具的控制轴匀速转动，流道交替打开，推力板交替伸出推靠井壁，起到稳斜的作用。

图2 旋转推靠式自动垂直钻井工具导向机构结构简图

1.3 技术特点

旋转推靠式自动垂直钻井工具采用全旋转的工作方式，工具整体在井下是全部随钻柱旋转的，能有效避免滑动式工具造出井眼“键槽”的问题，避免了工具粘卡的风险。导向机构的推力板交替推出拍打井壁，造出的井眼规则，提高了井身质量，极大地减少了井下复杂事故的发生。

工具采用井下小闭环自动控制，当井斜超过规定的范围后，井下控制系统自动发出纠斜指令，导向机构产生相应的纠斜动作。整个过程完全由井下控制系统指挥完成，这一闭环控制反应迅速，工具姿态调整及时，钻出的井眼轨迹规则，井壁光滑。

2 应用理论研究

2.1 钻柱设计研究

对使用自动垂直钻井工具的钻柱进行理论受力分析，如图3所示。

图3 钻柱受力理论分析简图

根据力矩平衡原理可知：

式中：F1为钻头对井壁侧向力的反作用力；F′为推力板对井壁推靠力的反作用力；L1为钻头到工具推力板的距离；L2为工具推力板到扶正器的距离。

从式（1）分析可以看出：为了保证钻头对井壁有足够的侧向切削力，L1要尽可能小；为了保证更好的纠斜效果，扶正器支撑点也不宜离推力板位置太远，即L2长短要适中，推荐长度为2～4 m[6]。在钻柱设计时要特别注意这一点。目前斯伦贝谢的Power-V系统为了尽量使L2长度合理，已经把扶正器集成到工具外筒上了。此处的扶正器不但可以协助工具降斜，还可以修整井壁，使井眼更加光滑、规则[7]。

2.2 钻井参数设计研究

从上述式（1）可以看出，工具导向机构推力板的推靠力大小直接影响钻头对井壁侧向切削力的大小，从而影响纠斜效果。导向机构工作状态如图4所示，下面对工具推力板的推靠力F大小进行分析：

图4 旋转推靠式自动垂直钻井工具导向机构工作简图

式中：S为活塞作用面积；ΔP为作用在活塞上的内外压力差，这里可以近似看作钻头压降；ρ为钻井液密度；Q为钻井液排量；C为钻头喷嘴流量系数，常数；d为钻头喷嘴当量直径。

式（2）、式（3）表明了推力板推靠力F是与活塞作用面积S、钻井液密度ρ、钻井液排量Q的平方成正比，与钻头喷嘴当量直径Q的4次方成反比的。

从式（2）可以看出，在工具应用时活塞作用面积已是定值，只能依靠钻头压降ΔP来调节推力板的推力大小。理论上来讲，推靠力越大，纠斜效率就越高。但推靠力太大会降低机械部分的寿命，甚至破坏机械部分；推靠力太小会降低工具的作用效果，达不到预期的纠斜效果。需要根据具体情况选择一个合理值，推荐压降范围为3.5～5.0 MPa[7]。

从式（3）可以看出，钻井液密度ρ、钻井液排量Q 和钻头水眼参数（喷嘴型式、个数和直径）直接决定了钻头压降ΔP的大小。钻井液密度ρ与地层压力有关，钻井设计时已确定；根据钻进泵情况，钻井液排量Q只在一定范围内可调。因此可以看出对钻头水眼参数的选择就变得尤为重要，所以在工具下井前就要匹配好水眼参数，当然水眼的选择还要兼顾钻头本身的功率。工具下井后，钻头压降ΔP的调节只能通过调节钻井液排量Q来实现。

3 现场应用实例分析

3.1 国产自动垂直钻井工具的应用

宝鸡石油机械有限责任公司研制的自动垂直钻井工具在梓页1井、酉参2井、DJY-1井等获得了成功应用。

1）梓页1井。梓页1井位于贵州省遵义市桐梓县，属于预探井，设计井深为2465 m。工具应用井段为1000～1125 m，应用地层状况为二叠系下统茅口组，地层倾角15°，倾向163°。应用后期井壁稳定性差，短起下卡钻频繁，需要处理泥浆，起出钻具，现场及返厂后检查，工具均无损坏，仍可继续使用。本次应用进尺为125 m，平均机械钻速为4.07 m/h，纯钻时间为30.7 h。

钻具组合：φ311.2 mmPDC钻头+自动垂直钻井工具+钻铤+扶正器+钻杆。

钻井参数：钻压为120～140 kN，排量为45 L/s，泥浆密度为1.44～1.5 g/cm3，泵压为10～11 MPa，转盘转速为80 r/min。

应用效果：a.井斜由入井前的4.3°下降至2.5°，起到了很好的纠斜效果；b.钻压由常规70～80 kN，增加至120～140 kN，大幅释放了钻压；c.机械钻速平均为4.07 m/h，比邻井（2.7 m/h）提高了51%，提速效果显著。

2）酉参2井。酉参2井是部署在渝东南陷褶束黔江凹褶皱束龚滩向斜轴部端的一口页岩气参数井，是一口探井。设计井深为2176 m，工具应用井段为187～262 m，纯钻时间只有4.4 h。应用后期该井渗漏严重不适合大排量作业，使用排量降低到28 L/s，推力板推力不够，且该井地层较酥松，不适合工具继续作业，起出钻具。

钻具组合：φ311.2 mmPDC钻头＋垂直钻井工具＋φ229 mm减震器＋φ228.6 mm无磁钻铤1根＋φ228.6 mm钻铤1根＋φ310 mm稳定器＋φ228.6 mm钻铤1根＋φ203.2 mm钻铤6根＋φ165.1 mm钻铤9根＋φ165.1 mm随钻震击器+φ165.1 mm钻铤3根＋φ127 mm钻杆。

钻井参数：钻压为20～80 kN，排量为28 L/s及48 L/s，泵压为8～12 MPa，转速为60 r/min。

应用效果：a.由于地层极易钻进，使用工具前后机械钻速差距不大，都是15 m/h左右；b.在未使用工具的128 m、156 m和268 m所测的井斜角均超过3°。在使用工具的193 m和211 m所测的井斜角均小于2°。在使用工具的240 m所测的井斜角为3.33°，而此时由于井漏的原因钻井液排量仅为28 L/s，钻井液排量过小影响工具推力板的推靠力度，从而影响工具的纠斜效果。

3）DJY-1井[8]。DJY-1井是四川都江堰市厚度巨大的砾、砂岩沉积侏罗系山前构造上的1口井，设计井深为4000 m。工具应用井段为1734～1941 m，累计进尺207 m，平均机械钻速为1.06 m/h，纯钻时间为196 h。

钻具组合：φ311.2 mm牙轮钻头×0.3 m＋垂直钻井工具×4.8 m＋转换接头×0.25 m＋φ203.2 mm钻铤×28.4 m＋φ310 mm稳定器×1.5 m＋φ203.2 mm钻铤×28.4 m＋转换接头×1.3 m＋φ177.8 mm钻铤×28.4 m＋转换接头×1.3 m＋φ158.8 mm钻铤×141.8 m＋转换接头×1.3 m＋φ127 mm钻杆。

钻井参数：钻压为220～220 kN，排量为31 L/s，泵压为8.4 MPa，转速为45 r/min。

应用效果：a.井斜由入井前的0.9°下降至0.7°，起出工具后，井队继续采用常规钻具组合钻进，井深1998 m处的井斜角达到2.0°，井深2315 m处的井斜角达到2.4°；b.钻压得到了释放，由80～100 kN释放到200～220 kN；c.平均机械钻速由0.62 m/h提高1.06 m/h，提速明显；d.工具返厂后检修，所有功能正常，推力板伸出灵活，但活塞、推力板等零件磨损严重。

3.2 国外公司自动垂直钻井工具的应用

目前，国内应用最多的旋转推靠式自动垂直钻井工具就是斯伦贝谢的Power-V系统，下面就以Power-V系统为例进行分析。应用过Power-V系统的主要有普光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井为例进行介绍。

砂新2井设计井深为5200 m，工具下井前井斜达到了6.46°。工具应用井段为2405.80～2798.04 m，进尺392.24 m。

钻具组合1：φ311.2 mmPDC钻头＋垂直钻井工具＋φ311.2 mm扶正器＋随钻测斜仪（MWD）+φ228.6 mm减震器＋φ311.2 mm扶正器＋φ203.2 mm钻铤6根＋φ177.8 mm钻铤5根＋φ203.2 mm震击器＋φ177.8 mm钻铤2根＋φ127 mm加重钻杆15根+φ127 mm钻杆。

钻井参数1：钻压为40～100 kN，排量为45～50 L/s，泥浆密度为1.22～1.26 g/cm3，泵压为19～24 MPa，转速为80～110 r/min。

钻具组合2：φ311.2 mmHJ 517G牙轮钻头＋垂直钻井工具＋φ311.2 mm扶正器＋随钻测斜仪（MWD）+φ228.6 mm减震器＋φ311.2 mm扶正器＋φ203.2 mm钻铤7根＋φ177.8 mm钻铤11根＋φ203.2 mm震击器＋φ127 mm加重钻杆15根+φ127 mm钻杆。

钻井参数2：钻压为160～220 kN，排量为42～45 L/s，泥浆密度为1.22～1.26 g/cm3，泵压为19～22 MPa，转速为70～85 r/min。

应用效果分析：砂新2井在Power-V使用后，井斜由6.46°降至1°以内。平均机械钻速为1.81 m/h，比相邻的、较浅的2125.0～2405.8 m井段提高了55.7%；比邻井砂新1井相同井段提高了229.1%。

3.3 应用结果对比分析

从国产自动垂直钻井工具的应用来看，实现了纠斜和稳斜功能，释放了钻压，提高了机械钻速，解决了防斜与打快的矛盾问题。但与斯伦贝谢Power-V系统的应用对比分析可以发现，国产自动垂直钻井工具还存在以下几点不足：

1）和国外优势产品相比，纠斜效率不高。除了工具本身的纠斜能力不足外，还有就是在钻头参数选型和钻柱设计上不尽合理造成的。如自动垂直钻井工具上端没有直接接扶正器，造成扶正器支撑点离工具推力板太远，影响了纠斜效率。

2）机械钻速提高率不稳定。主要是对地层认识不足，没有合理匹配好钻进参数造成的。

3）导向机构处的活塞、推力板等零件磨损严重，使用后期影响了推力板的推力输出。

4）工具适用的排量范围宽度窄，适用性不强。排量过低时，推力板推力小，起不到纠斜作用；排量过高时，对控制系统的电子元器件损耗大，降低了工具使用寿命。

4 结语

1）国产自动垂直钻井工具虽然得到了成功应用，但应用效果和国外优势产品相比，差距还很大。2）国产垂直钻井工具的稳定性还有待提高，比如部分零件的耐磨性不够，电子元器件对排量的适应范围不够等。3）自动垂直钻井工具建议和MWD配套使用，做到实时检测，根据井身情况实时调节钻井参数。4）建议国产自动垂直钻井工具多进行应用，特别是在地层倾角大的井位，需对工具进一步验证。在应用中不断改进、升级，缩小与国外优势产品的差距。5）近几年国内对自动垂直钻井技术研究取得了不小的成果，但国内研发的工具还无法达到大量生产应用的水平。我们不但要重视工具本身的研究，更要重视工具应用的研究，才能在现有国产工具的情况下取得更好的应用成果。