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Verti-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.Verti-trak自动垂直钻井工具结构。Verti-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。在电子控制系统的作用下启动翼肋下部的液压系统，通过1个或2个翼肋的伸向，向井眼高边处施加一作用力（约30 kN）以对抗井眼偏斜趋势。在套筒中间穿过一个旋转轴，通过轴承使其与不旋转套筒相连接，旋转轴的上下端分别与旋转的钻杆和钻头连接，从而带动钻头旋转钻进。

2.Power-V自动垂直钻井工具结构。Power-V自动垂直钻井工具采用动态推靠式的工作原理，工具组合由控制短节、加长短节、防斜打直执行机构三部分组成，如图2所示。控制短节主要由涡轮发电机、传感器及电子控制集成块、扭矩发生器、轴承支撑及密封部件等组成。在图2中所示的加长短节实质上是Power-V工具的钻井泥浆分配系统，使得大部分钻井泥浆被分配至钻头，少部分泥浆成为防斜打直执行机构中推靠巴掌的推靠作用力。防斜打直执行机构是一个纯机械装置，主要由一个钻井液导流阀和3个带泥浆喷嘴的柱塞及推靠井壁的巴掌（同伸缩翼肋的作用一样）组成。其中钻井液导流阀是Power-V自动垂直钻井工具的核心控制部件，它主要由一开有扇形偏心圆环的上盘阀和一均布开有3个孔的下盘阀组成，通过控制短节控制上盘阀的扇形偏心孔与下盘阀孔的导通或闭合从而实现防斜纠斜的功能。相比于Verti-Trak自动垂直钻井工具有一静止的不旋转套筒，Power-V是一种随钻柱全旋转的自动垂直钻井工具。

图2 Power-V自动垂直钻井工具结构

二、自动垂直钻井工具结构特点

自动垂直钻井工具是一种机电液一体化的自动化装备，在工具的结构设计上，根据不同的工作原理，正确的设计控制短节、防斜打直执行机构及其他必要的辅助系统来保证工具防斜打直功能的实现。从图1和图2中可以看出，自动垂直钻井工具的结构具有以下特点：

1.工具结构复杂，各部分的设计制造具有模块化、集成化的特征。

2.控制短节位于执行机构的上部，在考虑钻井泥浆过流的情况下内置于钻柱内，且随钻柱一起旋转。

3.通过伸缩翼肋（或推靠巴掌）动态推靠井壁来实现防斜、纠斜目的，其动力来自工具内外钻井泥浆的压差。

三、结论

自动垂直钻井工具的研制是一项资金投入大、技术集成度高的科学研究项目，选择正确的工具工作原理及合适的工具结构设计，有利于该项研究的推进。国内在研制自动垂直钻井工具时，应充分剖析国外成熟的自动垂直钻井工具的结构特点、内部构件组成及电子测控装置的控制等复杂性问题，争取早日研制成功。