垂直钻井工具机械系统关键技术探讨

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摘要：介绍了推靠式垂直钻井工具的工作原理；在高温、高压、强振动和冲击环境下，形成了减振技术、压力补偿技术、执行机构硬面技术、泥浆涡轮发电机等关键技术；通过分析，明确了电子密封短节和TC轴承的减振可以提高测量模块精度和控制系统寿命；压力补偿可有效解决高压环境下密封寿命短及执行机构推靠力不足的问题；采用硬面技术可提高执行机构寿命；采用TC轴承的泥浆涡轮发电机散热性好。

关键词：垂直钻井工具；推靠式；减振

引言

我国西部石油主要在新疆的塔里木、准噶尔和吐哈，青海的柴达木盆地和四川川东等地区，以上地区多数油气储量埋藏在复杂的深部地层，其中上部井段的井斜是造成勘探开发难度大的重要因素之一。这种高陡构造地层具有倾角大、各向异性、可钻性差及自然造斜能力强等特点。钻井施工中易发生井斜，机械钻速低，钻井周期长，钻井成本高，常用钟摆钻具组合等防斜打直措施，这些被动防斜打直技术，并没有释放钻压[1-2]。而垂直钻井技术作为一种主动防斜打直技术，可有效释放钻压、提高机械钻速，且降低井斜，目前已在高陡构造地层进行了大规模应用。

1推靠式垂直钻井工具原理

垂直钻井工具由悬架支撑单元、惯性测量单元、控制单元、动力单元及执行机构等4部分组成（如图1）。动力单元通过整流稳压技术将流体动能转化为电能，为惯性测量单元和控制单元提供稳定的电能；惯性测量单元测量井斜角、方位角、工具面角等钻井参数，并将测量参数提供给控制系统，控制系统将预设参数与测量参数进行对比修正，通过纠斜或稳斜指令控制执行机构的巴掌或偏置轴的动作，使执行机构按照设定的井眼轨迹动作[3]。将采用偏置钻头控制作用力的垂直钻井工具称为推靠式垂直钻井工具。在纠斜过程中，近钻头处的推靠巴掌伸出，推靠井壁使钻头产生侧向切削力，该侧向力起主要导向作用（导致钻头转角相对很小）[4]。

2关键技术分析

垂直钻井工具在钻进过程中经常遇到砾岩层等难钻地层，导致井下振动、冲击非常剧烈，且地层压力大、温度高，剧烈振动和冲击对井斜精确测量产生了严重干扰，加速了工具磨损；高温高压对电子元件和密封件性能提出了更高要求。典型的井下工况如表1所示，针对此工况，机械系统具有以下几个关键技术。

2.1减振技术

强烈振动和冲击对惯性传感器精确测量产生了极大的干扰，也可能在某一频率下发生共振，造成电路板的损坏或变形，长时间振动易造成疲劳破坏，使不同元件之间的接触性变差，从而造成断路。因此必须对单个传感器或者控制系统整体进行减振（隔振）设计。当激励频率ω与系统固有频率ωn的频率比：1）电子密封短节减振。在钻井过程中，电子密封短节受到外部支撑传递来的横向和纵向振动，同时钻柱扭振也会对测量精度产生影响。在井下仪器中，普遍采用O形橡胶圈或矩形截面橡胶圈进行径向减振，而轴向则采用弹簧、橡胶圈或阻尼器进行减振（如图2）。在非油介质中，一般采用硅橡胶材料，在含油介质中采用氟硅橡胶材料。减震器提高了元器件寿命，降低了噪声信号，但也引入了新的误差量，在惯性测量单元设计时，需要有效隔离振动和冲击，又不能因减震器产生附加振动。在振动冲击环境下，减振系统对惯性测量元器件（加速度计和陀螺仪）的动态旋转测量性能的影响需要进行研究[7-8]。2）TC轴承减振。采用滚动轴承时，需要配置润滑和密封系统，井下空间狭窄，润滑结构不易布置，泥浆含有固相颗粒，在高温（125～230℃）和高压（105～210MPa）工况下，密封件易老化和磨损，难以保障滚动轴承在清洁润滑环境下工作。采用TC轴承时，泥浆可从轴承中间流过，对轴承进行冷却和润滑，无需配置专用润滑和密封系统。TC轴承一般采用高温炉烧结工艺，将硬质合金块镶在摩擦工作面上，耐磨性好，又耐含砂泥浆的长时间冲蚀[9]。因此，井下工具经常采用TC轴承。在强振动冲击及高温环境下，TC轴承易磨损，出现组织过热及硬质合金片破碎等问题，通过增加减振橡胶圈，可降低TC轴承受到的振动和冲击载荷，提高使用寿命，如图3所示。

2.2压力补偿技术

井下高温高压情况下，采用常规动密封很难达到使用寿命要求。影响动密封性能的关键指标是PV值（指压力和密封面速度的乘积），PV值越小，密封件寿命越长[10]。而密封面速度一般由产品功能决定，无法改变，只能通过降低压力来提高密封件寿命，此时可采用压力补偿降低密封件两侧压差。如图4所示，采用活塞压力补偿，外部压力推动活塞移动，将外部压力传递给腔体内液压油，液压油将压力传递至动密封内侧，使得动密封件内外侧压差几乎相等，在外部压力发生变化时，内部压力也同时变化，从而实现了对内部压力的补偿。在采用液压模块推动巴掌伸缩的垂直钻井工具中，其推靠力大小由内外压差（液压模块的压力减去井筒压力）决定。钻井过程中，泥浆压力随着井深而增高，液压模块提供的推靠力也需随着井深越来越高，仅依靠液压模块提供推靠力，在深井、超深井情况下，则会大幅提高液压模块的技术难度。因此，需要采用压力补偿胶囊来对液压模块进行压力补偿，泥浆压力沿着泥浆通道进入胶囊后，对液压油腔的压力进行补偿，补偿后的液压油再驱动执行元件，从而降低巴掌伸缩所需要的液压模块压力，如图5所示。

2.3执行机构硬面技术

执行机构是垂直钻井工具提供支撑力的机构，在钻井过程中，巴掌直接与井壁接触，容易磨损，从而影响整个工具的使用寿命。为延长巴掌寿命，一般在巴掌外表面采用硬面技术（HardfacingTechnology）处理，即在耐磨零部件的表面增加高硬度材料。硬面材料一般有硬质合金块、碳化钨耐磨焊条及硬质合金粉等，在一定厚度范围内，硬面层越厚，耐磨性越好，且可承受一定冲击。常用的硬质合金条耐磨带，采用喷焊工艺将整齐摆放的硬质合金条与合金粉末焊接在巴掌基体上；也可采用等离子焊接工艺将镍基合金粉和碳化钨粉的混合物焊接在巴掌基体上。喷焊耐磨带的硬度大于等离子焊接耐磨带，但热变形大，因此要求巴掌较厚（如图1所示的执行机构）。执行机构内部与巴掌接触的活塞、流体分配的上盘阀和下盘阀，在钻井过程中受到流体冲蚀、振动、冲击及摩擦作用，亦属于易磨损部件，需采用硬面技术进行处理，或采用耐磨材料（如硬质合金）制造，如图6所示。

2.4泥浆涡轮发电机

泥浆涡轮发电机通过涡轮将泥浆的动能转化为电能，从结构上可分为涡轮与电动机转子的直接连接，和采用磁耦合原理的非接触式连接。直接连接泥浆涡轮发电机的转子与定子之间的相对转速较大，如果采用滚动轴承，在承受高压情况下，发电机外壳尺寸大，轴承密封寿命较短；若采用TC轴承，泥浆可从TC轴承、泥浆涡轮发电机外壳与定子之间流过，带走发电机内部热量，无需高压动密封，从而提高了发电机寿命，降低了维护保养难度，如图7所示。非接触式连接泥浆涡轮发电机的转子和定子之间没有直接接触的旋转密封，从而很好地避开了高压旋转密封这个难点，因无泥浆流过，不能及时带走发电机在工作过程中产生的热量，散热性能相对较差，如图8所示。直接连接和非接触连接泥浆涡轮发电机的涡轮最终均是由轴承提供支撑，在泥浆流过涡轮叶片时，涡轮叶片的受力不均，从而导致滚动轴承的内圈滚道、外圈滚道和滚动体因疲劳而损坏。在高温下，因轴承的内圈、外圈的配合精度发生变化，配合零件之间发生松动，导致零件磨损加快而造成失效。

3结论

1）减振技术、压力补偿技术、执行机构硬面技术、泥浆涡轮发电机技术是推靠式垂直钻井工具机械系统的关键技术；2）电子密封短节和TC轴承的减振技术可以提高测量模块精度和控制系统寿命；3）压力补偿技术可以有效解决高压环境下密封及推靠力不足的问题；4）采用硬面技术对执行机构的耐磨表面进行处理，可以有效提高其寿命；5）通过对直接连接和非接触连接等两种泥浆涡轮发电机的分析，采用TC轴承的硬连接泥浆涡轮发电机散热性好。

作者：惠坤亮 吴小雄 游娜 段树军 闫静 刘晓旭 李博 单位：宝鸡石油机械有限责任公司