西安石油大學 機械工程學院 楊 鵬

直井的“防斜打直”一直是油氣鉆井生產中一個非常重要的實際問題。隨著石油勘探開發(fā)從易開發(fā)地層轉向復雜結構地層，高陡構造、地層的鉆井工作量越來越大， 常規(guī)的防斜打直工具（鐘擺鉆具組合、滿眼鉆具組合等）不能滿足鉆井作業(yè)對提高工作效率及降低作業(yè)成本的要求。為了更好地解決復雜地層中直井的防斜打直問題，國內外一直致力于自動垂直鉆井工具的研究與開發(fā)。

一、典型自動垂直鉆井工具

自動垂直鉆井工具是鉆井技術上的一次突破，是一種不受井下地層特性和人為因素的干擾而自動跟蹤預定的井眼軌跡的自動閉環(huán)垂直鉆井工具。目前國外初步形成了以Baker Hughes公司的Verti-trak系統(tǒng)和Shlumberger公司的Power-V系統(tǒng)為商業(yè)化應用代表的成熟自動垂直鉆井工具。國內對自動垂直鉆井工具的研究目前都處于起步階段，研制的工具從工作原理上來講，都能夠實現自動控制井斜的功能，但未有商業(yè)化應用的國產工具產生，因此，研究國外成熟的自動垂直鉆井工具的結構對我國的項目研究具有一定的推動意義。

1.Verti-trak自動垂直鉆井工具結構。Verti-Trak 自動垂直鉆井工具采用靜態(tài)推靠式的工作原理，工具組合由控制短節(jié)、動力短節(jié)、執(zhí)行機構三部分組成，如圖1所示。控制短節(jié)用于檢測井下工程參數，根據井斜工況控制翼肋的伸縮，其內部的脈沖器可以以鉆井泥漿為介質實現地面與井底的雙向信息交流。動力短節(jié)部分的井下馬達采用納維鉆具（Navi-Drill）技術，通過預成形定子和鈦合金柔性傳動節(jié)等，以使工具在鉆井泥漿的驅動下獲得了更大的功率和扭矩輸出。在防斜打直執(zhí)行機構上有一不旋轉的套筒，該套筒上帶有三個可膨脹的伸縮翼肋。伸縮翼肋實質上是一套液壓控制系統(tǒng)，它包括活塞和液壓控制閥，它們也都位于不旋轉的套筒內，液壓控制系統(tǒng)的壓力來源于泥漿壓力，整個液壓系統(tǒng)為同一壓力系統(tǒng)。在電子控制系統(tǒng)的作用下啟動翼肋下部的液壓系統(tǒng)，通過1個或2個翼肋的伸向，向井眼高邊處施加一作用力（約30 kN）以對抗井眼偏斜趨勢。在套筒中間穿過一個旋轉軸，通過軸承使其與不旋轉套筒相連接，旋轉軸的上下端分別與旋轉的鉆桿和鉆頭連接，從而帶動鉆頭旋轉鉆進。

2.Power-V自動垂直鉆井工具結構。Power-V自動垂直鉆井工具采用動態(tài)推靠式的工作原理，工具組合由控制短節(jié)、加長短節(jié)、防斜打直執(zhí)行機構三部分組成，如圖2所示?？刂贫坦?jié)主要由渦輪發(fā)電機、傳感器及電子控制集成塊、扭矩發(fā)生器、軸承支撐及密封部件等組成。在圖2中所示的加長短節(jié)實質上是Power-V工具的鉆井泥漿分配系統(tǒng)，使得大部分鉆井泥漿被分配至鉆頭，少部分泥漿成為防斜打直執(zhí)行機構中推靠巴掌的推靠作用力。防斜打直執(zhí)行機構是一個純機械裝置，主要由一個鉆井液導流閥和3個帶泥漿噴嘴的柱塞及推靠井壁的巴掌（同伸縮翼肋的作用一樣）組成。其中鉆井液導流閥是Power-V自動垂直鉆井工具的核心控制部件，它主要由一開有扇形偏心圓環(huán)的上盤閥和一均布開有3個孔的下盤閥組成，通過控制短節(jié)控制上盤閥的扇形偏心孔與下盤閥孔的導通或閉合從而實現防斜糾斜的功能。相比于Verti-Trak自動垂直鉆井工具有一靜止的不旋轉套筒，Power-V是一種隨鉆柱全旋轉的自動垂直鉆井工具。

圖2 Power-V自動垂直鉆井工具結構

二、自動垂直鉆井工具結構特點

自動垂直鉆井工具是一種機電液一體化的自動化裝備，在工具的結構設計上，根據不同的工作原理，正確的設計控制短節(jié)、防斜打直執(zhí)行機構及其他必要的輔助系統(tǒng)來保證工具防斜打直功能的實現。從圖1和圖2中可以看出，自動垂直鉆井工具的結構具有以下特點：

1.工具結構復雜，各部分的設計制造具有模塊化、集成化的特征。

2.控制短節(jié)位于執(zhí)行機構的上部，在考慮鉆井泥漿過流的情況下內置于鉆柱內，且隨鉆柱一起旋轉。

3.通過伸縮翼肋（或推靠巴掌）動態(tài)推靠井壁來實現防斜、糾斜目的，其動力來自工具內外鉆井泥漿的壓差。

三、結論

自動垂直鉆井工具的研制是一項資金投入大、技術集成度高的科學研究項目，選擇正確的工具工作原理及合適的工具結構設計，有利于該項研究的推進。國內在研制自動垂直鉆井工具時，應充分剖析國外成熟的自動垂直鉆井工具的結構特點、內部構件組成及電子測控裝置的控制等復雜性問題，爭取早日研制成功。