国产自动垂直钻井系统的改进与优化

张奎林，夏柏如

（1.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

基金项目：中国石油化工集团公司重点科技攻关项目“捷联式自动垂直钻井系统在南方探区中的试验研究”（P09003）

国产自动垂直钻井系统的改进与优化

张奎林1，2，夏柏如1

（1.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

基金项目：中国石油化工集团公司重点科技攻关项目“捷联式自动垂直钻井系统在南方探区中的试验研究”（P09003）

高陡构造及岩性变化复杂条件下的井斜问题一直是困绕钻井工作者的一大技术难题。中国石化南方探区河坝、普光等构造的岩性变化频繁，地层倾角大，自然造斜力强，井斜控制十分困难，极易发生井斜，严重制约了钻井速度的提高。国外自动垂直钻井系统在该地区进行了多井次的应用，效果良好，在控制井斜的同时大幅度提高了钻井速度，较好地解决了钻速提高与井斜控制之间的矛盾。但国外自动垂直钻井系统服务价格昂贵，钻井成本居高不下。为了降低钻井成本，决定在该地区应用中国石化自主研发的捷联式自动垂直钻井系统。然而，该系统在之前的现场试验过程中暴露出降斜、提速效果不明显等问题；经过原因分析，对系统进行了进一步的改进与优化，之后又进行了2井次的现场试验，显示出非常好的防斜打快效果，为系统的推广应用打下了坚实的基础。

高陡构造；捷联式自动垂直钻井系统；改进；优化

井斜问题，特别是高陡构造条件下的井斜问题，不仅导致机械钻速低、钻井周期长、钻井成本高，而且往往造成井身质量很差，严重时还将导致中途填井重钻或报废，延长建井周期，甚至达不到勘探开发的目的。中国石化南方探区主要区块，例如川东北河坝构造、普光构造等，由于地质构造复杂多变，地层老，岩石致密坚硬，岩性复杂且泥岩、砂岩、白云岩、碳酸岩交互，岩性变化大，同时受多期构造运动的影响，高陡构造地层倾角大（多在30～85°），且上部地层断层较多，砂泥岩互层频繁，自然造斜力强，井斜控制十分困难，极易发生偏斜，严重制约钻井速度的提高。常规的钻井方法无法解决防斜与提速之间的矛盾，只能以牺牲钻速来实现防斜打直［1-6］。自动垂直钻井系统可以较好地解决这个问题［7-13］。据不完全统计，在川东北地区的沙溪庙、千佛崖、自流井和须家河组上部地层，应用国外自动垂直钻井系统11井次，平均机械钻速比常规钻井机械钻速提高了57%，且井身质量好。但是，自动垂直钻井系统被国外几大服务公司垄断，只提供服务，不出售产品，服务价格昂贵，造成钻井成本居高不下。为了降低钻井成本、打破国外公司的垄断，中国石化自主研发了捷联式自动垂直钻井系统。其主要特点是，在旋转钻进过程中，通过随钻测量、井下闭环控制，进行直井钻进过程中井眼轨迹的连续控制，实现自动垂直钻井功能。

1 系统简介

1.1 主要组成

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。其中，稳定平台是系统的核心，主要由基于旋转基座的测控短节、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，以实现有效的防斜、纠斜功能［14-16］。

发电机组件主要由发电机、旋转密封及叶轮3部分组成。钻井液带动叶轮旋转，进而带动发电机发电，旋转密封隔开液压油和钻井液，以减少对轴承等易损件的磨损。

系统中发电机和力矩电机在旋转密封和液压平衡系统的保证下，工作于液压油中。发电机通过接头上的高压堵头为测控短节供电，而测控短节同样通过高压堵头控制力矩电机；力矩电机的输出轴直接控制上盘阀，与下盘阀形成开关阀，控制执行机构活塞推靠井壁，提供侧向力纠斜。

测控短节上安装有采集板、定向板、电机板、加表和陀螺等硬件电路和传感器，各电路板搭载的框架软件和具体功能模块之间相互融合，通过CAN总线并行工作，完成数据采集、解算及相应的控制工作。

伺服短节由无刷力矩电机及旋转变压器组成，精确控制上盘阀相对于下盘阀的空间位置，以达到自动纠斜、防斜的目的。旋转变压器在伺服短节中作为无刷力矩电机的角度传感器，对无刷力矩电机的转子位置进行检测，完成对无刷力矩电机的换相控制和盘阀角度控制。

防斜纠斜执行机构主要由盘阀组件和推靠组件组成。盘阀组件由上盘阀（设计有1个过流孔）和下盘阀（设计有3个过流孔）组成，通过上盘阀对下盘阀相对位置的改变，实现对过流钻井液的有效分配。推靠组件主要由执行机构本体、带喷嘴的活塞及推靠井壁的翼肋组成，根据过流钻井液的流量及压力，对井壁施加不同的推靠力。

1.2 规格性能参数

捷联式自动垂直钻井系统的规格性能参数如下：外径228.6 mm，适用井眼尺寸311.2 mm，总长7.42 m，支撑翼块尺寸（未伸出/伸出）299.72 mm/322.58 mm，巴掌分流2.5 L/s，流量40～60 L/s，最大流体静压力120 MPa，转速60～200 r/min，钻头压降3.5～5.0 MPa，钻铤扣型NC70。

2 前期试验情况

2.1 分2井

试验井段3 267～3 305 m，纯钻时间28.55 h，井斜控制在2.5°以内，与下入自动垂直钻井系统之前的井段相比，机械钻速有所提高。自动垂直钻井系统井下工作正常，井斜、井斜工具面测量基本准确，工作模式选择准确，初步验证了系统的可行性、稳定性及可靠性。但是，系统在钟摆钻具组合全压钻进状态下基本保持稳斜，降斜效果不明显，这与捷联式算法的准确性、排量和钻头压降未达系统使用要求以及底部钻具组合等因素有关。

2.2 旧州1井

试验井段2 487.34～2 551.26 m，纯钻时间60 h，进尺63.92 m，机械钻速提高不明显。井底井斜的变化趋势为先降斜，再稳斜，最后是缓慢增斜状态。原因是稳定平台发电机端Kalsi密封磨损较严重，旋转密封面已磨平，而且总径向厚度减少约1/3，电机内被钻井液充满，轴承损坏严重，导致系统失效，从而井斜不降反增。

另外，由于最初的捷联式算法主要是基于垂直钻井台架试验数据设计的，在实际钻井过程中，由于井下工况复杂，为系统引入了震动及黏滑等随机干扰，降低了信号的信噪比，尤其对于加速度计的影响更为突出，有效信号淹没于噪声中。通过对现场试验数据的分析，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，从而输出井斜、井斜工具面与静态测量的数据差别较大，推靠机构不能在准确的位置进行推靠，造成系统降斜效率降低。

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，需要从系统结构、稳定平台、执行机构、配套钻井工艺等方面进行改进与优化。

3 系统改进与优化

3.1 捷联式算法改进

如何从强震动干扰信号中提取有效信号是捷联式算法改进的关键，通过对自动垂直钻井系统多次井下实测数据的分析，将其工作状态分为以下3种：静止状态、均匀旋转状态和非均匀旋转状态，分别在这3种状态下给出了改进的捷联式算法。

3.1.1 静止状态

在静止状态下，加速度计受到的随机震动干扰很小，所以可以通过对原始数据进行滑动平均，以及延长井斜及井斜工具面角计算数组的方法，来消除随机震动给系统带来的干扰。静态数据经过滑动平均后，可以有效地平滑曲线，消除掉大部分随机干扰，将平滑后的数据带入原有捷联式算法中［17-18］，即可计算出井斜角及井斜工具面角。

3.1.2 均匀旋转状态

在均匀旋转状态下，X，Y轴加速度计被钻进过程中的随机震动严重干扰，致使其输出信号严重失真，在这种情况下原有捷联式算法已不再适用。由于原始数据采样频率为100 Hz，可以对原始数据进行角域重采样，以消除高频震动信号对实际输出信号的干扰。

将重采样后的加表输出信号经过特定频率响应及相位响应的滤波器滤波之后，即可得到规则的输出信号。分别对磁通门FX，FY进行同样滤波处理，再将滤波后的信号代入到原有捷联式算法中［17-18］，即可计算出井斜角及井斜工具面角。

3.1.3 非均匀旋转状态

该状态主要是由于井下存在黏滑工况造成的，同时叠加随机震动的影响。黏滑发生的时刻是随机的，黏滑发生的同时所对应的磁工具面角MHS也是随机的，这样只要经过足够长的时间，即可以得到若干组不同的黏滑数据序列，以m（m为正整数）表示黏滑数据序列的序号，则第m段黏滑数据序列为

这样就可以得到若干组序列，再通过对MHS进行排序，可以得到随MHS由小到大变化的AXGM， AYGM，FX，FY序列，对AXGM，AYGM，FX，FY进行滑动平均后，再运用最小二乘法分别对序列进行数据拟合，即可得到AXGM，AYGM，FX，FY随MHS变化的曲线。将拟合后的曲线数据代入到原来的捷联式算法中，即可计算出井斜角及井斜工具面角［17-18］。

3.2 结构优化

3.2.1 发电机驱动系统旋转密封结构

捷联式稳定平台发电机通过涡轮带动发电机驱动轴，从而带动发电机发电，其中的一个关键技术就是发电机驱动轴在高速旋转时的密封。原结构采用旋转密封座内安装的旋转密封实现。试验过程中发现，液压平衡系统液压油量有限，使用过程中不能补给，且旋转密封本身具有一定的寿命，随着工作时间的增加，磨损量也随之增加，导致旋转密封泄漏速度随工作时间的延长而增大，最终无法达到理想设计寿命。

发电机系统依靠Kalsi密封实现驱动轴在旋转过程中的动态密封，将内部液压油与外部钻井液隔离，保护轴承及内部绕组。当驱动轴以2 000 r/min甚至更高的转速旋转时，在密封与驱动轴的接触面会因摩擦产生较大的热量，同时密封圈的磨损也会加剧，因此，此处的改进将大幅度地延长发电机的寿命。

针对以上问题进行了如下改进：

1）改进了轴的加工。由于轴采用硬质合金喷涂轴密封面后磨削加工，硬度较高，但表面光洁度较差，无法达到旋转密封所要求的0.05 μm。经过对该轴进行精密加工，达到了设计要求，提高了表面硬度及表面光洁度。

2）改进了Kalsi密封。根据密封圈的使用情况，专门设计了针对实际使用工况的旋转密封，以满足高速、高温的使用特点。

3）改善润滑环境。一是提高液压油的高温黏度，当前液压油在室温下黏度可以满足旋转密封的润滑要求，但系统的实际工作环境温度多数在50℃以上，因此采用在高温下仍具有较高黏度的液压油，可以改善润滑环境；二是调整液压平衡装置，降低平衡系统最大压差至0.5 MPa，减少密封圈两端压差，降低变形，同时储油量保持不变。

3.2.2 防斜纠斜执行机构

针对现场试验过程中下盘阀受钻井液冲蚀比较严重的情况，将下盘阀之前的钢-硬质合金焊接结构改为整体硬质合金结构，以提高下盘阀的使用寿命。活塞结构由之前的合金钢本体+橡胶密封结构改为整体硬质合金+金属密封，避免了活塞在长期高频率往复运动中的过度磨损及密封失效问题，提高了活塞的寿命。

改进之前上盘阀、下盘阀摩擦副材料均为硬质合金YG8，下井试验后发现上、下盘阀均有磨损。一旦下盘阀磨损过多，现场更换困难，而上盘阀在现场更换比较容易，因此将下盘阀材料改为硬质合金YG20，避免下盘阀过度磨损。

除以上改进外，还对发电机涡轮组件可靠性、系统减震技术以及配套的钻井工艺技术等进行了研究。改进涡轮结构，减少了对涡轮组件的冲蚀和轴向冲击，增加了涡轮组件的可靠性和使用寿命。通过改变减震部件结构和材料，设定多级减震模式，设计上下接头减震扶正器等结构，增加了系统的抗震性能。完善自动垂直钻井系统底部钻具组合的力学性能研究，为工具的进一步现场试验做了充足的准备。

4 改进后的应用

改进后的捷联式自动垂直钻井系统于2012年1月在中国石化勘探南方分公司安顺1井进行了现场试验，目的是进一步评估该系统井下涡轮发电机的使用寿命，验证系统的可靠性、稳定性以及各项改进措施的正确性。系统共入井2次，各项指标良好，取得了预期效果。

1）第1次入井：纯钻时间81 h，井段2 436.00～2 518.37 m，进尺82.37 m，平均机械钻速1.02 m/h，井斜变化由测深2 436 m井斜6.25°降到2 492.58 m的2.62°，降斜率约6（°）/100 m。

2）第2次入井：纯钻时间91 h，井段2 518.37～2 610.79 m，进尺92.42 m，平均机械钻速1.03 m/h，井斜变化由测深2 508.55 m的2.50°降到2 595.59 m的0.24°，降斜率约4（°）/100 m。

5 结论

1）经过4井次的现场试验，国产捷联式自动垂直钻井系统的稳定性及可靠性进一步提高，初步形成了配套的捷联式垂直钻井工艺技术，井斜控制精度达0.5°，工具寿命超过80 h，为下一步的工具改进和现场推广应用打下了基础。

2）继续现场试验，不断改进和优化系统，增加系统的可靠性、稳定性和可重复利用性，形成产业化工程。开展自动垂直钻井系统系列化的研制工作，以适应各种尺寸的井下钻具组合。

3）开展自动垂直钻井系统配装钻井液压力波的数据上传系统的研制工作，以实现自动垂直钻井系统的实时监测和井眼轨迹的实时监测。

［1］ 王兴武.塔里木超深井深部井斜控制技术［J］.断块油气田，2011，18（1）：100-102.

［2］ 艾贵成，田宏岭，李国兴，等.青西油田巨厚推覆体防斜打快技术［J］.断块油气田，2008，15（6）：97-98.

［3］ 朱慧，蔡云平，靳德，等.普光3井防斜打直技术［J］.断块油气田，2006，13（2）：68-70.

［4］ 李晗，林元华，万民庆，等.液力推力器防斜打快应用研究［J］.断块油气田，2009，16（6）：91-93.

［5］ 夏宏南，杨明合，谭家虎，等.偏轴防斜钻具的研究及试验［J］.断块油气田，2004，11（5）：66-68.

［6］ 栗广科，胡吉本，王俊芳.山前高陡构造综合钻井技术［J］.断块油气田，2006，13（4）：46-48.

［7］ 张建平，肖华，石丽娟，等.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，2011，33（10）：158-160.

［8］ 罗发强.VTK垂直钻井系统在阿北1井钻井中的应用［J］.石油机械，2011，39（9）：13-15.

［9］ 卓云，张杰，王天华，等.VTK垂直钻井技术在川东地区的应用［J］.天然气工业，2011，31（5）：80-83.

［10］徐泓.VTK垂直钻井系统在大湾1井的应用［J］.钻采工艺，2010，33（6）：134-136.

［11］刘文忠，炳刚，范宇，等.VertiTrak垂直钻井技术在高陡构造天东004-X3井的应用［J］.钻采工艺，2010，33（6）：36-39.

［12］孙峰，陈威，王义峰.φ311mm自动垂直钻井系统在宣页1井的应用［J］.石油机械，2011，39（4）：31-32，52.

［13］艾才云，许树谦，穆总结，等.φ311自动垂直钻井系统技术探讨［J］.新疆石油天然气，2011，7（1）：27-30.

［14］王锡洲.捷联式自动垂直钻井系统的研制及现场试验［J］.石油钻探技术，2010，38（3）：13-16.

［15］聂云飞，吴仲华，孙浩玉，等.自动垂直钻井执行系统试验研究［J］.石油矿场机械，2011，40（5）：27-30.

［16］孙峰，吕官云，马清明.捷联式自动垂直钻井系统［J］.石油学报，2011，32（2）：360-363.

［17］吕官云，孙峰.捷联式自动垂直钻井系统井斜方位动态测量算法研究与应用［J］.测井技术，2011，35（1）：93-97.

［18］孙峰，吕官云，陈威，等.捷联式自动垂直钻井稳定平台控制系统仿真研究［J］.石油钻探技术，2011，39（5）：91-95.

（编辑 赵卫红）

Improvement and optimization on home-made automatic vertical drilling system

Zhang Kuilin1，2,Xia Boru1
(1.School of Engineering and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

Borehole deviation problem under the complex conditions of high-steep structure and lithological change has been a major technical problem that troubles drilling engineers.In the southern exploration areas of Sinopec,such as Heba and Puguang structure,lithology changes frequently,and stratigraphic dip is large,with a strong natural deviation force.So well deviation controlling is extremely difficult,which leads to a very low drilling speed.Foreign automatic vertical drilling systems have been used for many times in the area,with a good effect.Drilling speed has been greatly improved when well deviation is controlled,which resolves the contradiction between drilling speed improvement and well deviation controlling.However,due to the expensive service fee of foreign automatic vertical drilling systems,the cost of drilling stayed high.In order to reduce the drilling cost,Sinopec has independently developed the strap-down automatic vertical drilling system.Before that,the system was tested in northeastern Sichuan Area and some problems were revealed.Then the system is improved and is optimized further in view of the problems presented in field test.After that,field test of two well times is conducted and a good effect is gotten,laying a solid foundation for the mature application of tool.

high-steep structure;strap-down automatic vertical drilling system;improvement;optimization

TE921+.2

A

10.6056/dkyqt201204030

2012-02-01；改回日期：2012-05-17。

张奎林，男，1976年生，高级工程师，1998年毕业于长春地质学院勘察工程专业，主要从事钻井工艺方面的研究和管理工作。电话：（010）59968810，E-mail：zhangkl@sinopec.com。

张奎林，夏柏如.国产自动垂直钻井系统的改进与优化［J］.断块油气田，2012，19（4）：529-532.

Zhang Kuilin，Xia Boru.Improvement and optimization on home-made automatic vertical drilling system［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：529-532.