垂直鉆井工具機械系統關鍵技術探討

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摘要：介紹了推靠式垂直鉆井工具的工作原理；在高溫、高壓、強振動和沖擊環境下，形成了減振技術、壓力補償技術、執行機構硬面技術、泥漿渦輪發電機等關鍵技術；通過分析，明確了電子密封短節和TC軸承的減振可以提高測量模塊精度和控制系統壽命；壓力補償可有效解決高壓環境下密封壽命短及執行機構推靠力不足的問題；采用硬面技術可提高執行機構壽命；采用TC軸承的泥漿渦輪發電機散熱性好。

關鍵詞：垂直鉆井工具；推靠式；減振

引言

我國西部石油主要在新疆的塔里木、準噶爾和吐哈，青海的柴達木盆地和四川川東等地區，以上地區多數油氣儲量埋藏在復雜的深部地層，其中上部井段的井斜是造成勘探開發難度大的重要因素之一。這種高陡構造地層具有傾角大、各向異性、可鉆性差及自然造斜能力強等特點。鉆井施工中易發生井斜，機械鉆速低，鉆井周期長，鉆井成本高，常用鐘擺鉆具組合等防斜打直措施，這些被動防斜打直技術，并沒有釋放鉆壓[1-2]。而垂直鉆井技術作為一種主動防斜打直技術，可有效釋放鉆壓、提高機械鉆速，且降低井斜，目前已在高陡構造地層進行了大規模應用。

1推靠式垂直鉆井工具原理

垂直鉆井工具由懸架支撐單元、慣性測量單元、控制單元、動力單元及執行機構等4部分組成（如圖1）。動力單元通過整流穩壓技術將流體動能轉化為電能，為慣性測量單元和控制單元提供穩定的電能；慣性測量單元測量井斜角、方位角、工具面角等鉆井參數，并將測量參數提供給控制系統，控制系統將預設參數與測量參數進行對比修正，通過糾斜或穩斜指令控制執行機構的巴掌或偏置軸的動作，使執行機構按照設定的井眼軌跡動作[3]。將采用偏置鉆頭控制作用力的垂直鉆井工具稱為推靠式垂直鉆井工具。在糾斜過程中，近鉆頭處的推靠巴掌伸出，推靠井壁使鉆頭產生側向切削力，該側向力起主要導向作用（導致鉆頭轉角相對很小）[4]。

2關鍵技術分析

垂直鉆井工具在鉆進過程中經常遇到礫巖層等難鉆地層，導致井下振動、沖擊非常劇烈，且地層壓力大、溫度高，劇烈振動和沖擊對井斜精確測量產生了嚴重干擾，加速了工具磨損；高溫高壓對電子元件和密封件性能提出了更高要求。典型的井下工況如表1所示，針對此工況，機械系統具有以下幾個關鍵技術。

2.1減振技術

強烈振動和沖擊對慣性傳感器精確測量產生了極大的干擾，也可能在某一頻率下發生共振，造成電路板的損壞或變形，長時間振動易造成疲勞破壞，使不同元件之間的接觸性變差，從而造成斷路。因此必須對單個傳感器或者控制系統整體進行減振（隔振）設計。當激勵頻率ω與系統固有頻率ωn的頻率比：1）電子密封短節減振。在鉆井過程中，電子密封短節受到外部支撐傳遞來的橫向和縱向振動，同時鉆柱扭振也會對測量精度產生影響。在井下儀器中，普遍采用O形橡膠圈或矩形截面橡膠圈進行徑向減振，而軸向則采用彈簧、橡膠圈或阻尼器進行減振（如圖2）。在非油介質中，一般采用硅橡膠材料，在含油介質中采用氟硅橡膠材料。減震器提高了元器件壽命，降低了噪聲信號，但也引入了新的誤差量，在慣性測量單元設計時，需要有效隔離振動和沖擊，又不能因減震器產生附加振動。在振動沖擊環境下，減振系統對慣性測量元器件（加速度計和陀螺儀）的動態旋轉測量性能的影響需要進行研究[7-8]。2）TC軸承減振。采用滾動軸承時，需要配置潤滑和密封系統，井下空間狹窄，潤滑結構不易布置，泥漿含有固相顆粒，在高溫（125～230℃）和高壓（105～210MPa）工況下，密封件易老化和磨損，難以保障滾動軸承在清潔潤滑環境下工作。采用TC軸承時，泥漿可從軸承中間流過，對軸承進行冷卻和潤滑，無需配置專用潤滑和密封系統。TC軸承一般采用高溫爐燒結工藝，將硬質合金塊鑲在摩擦工作面上，耐磨性好，又耐含砂泥漿的長時間沖蝕[9]。因此，井下工具經常采用TC軸承。在強振動沖擊及高溫環境下，TC軸承易磨損，出現組織過熱及硬質合金片破碎等問題，通過增加減振橡膠圈，可降低TC軸承受到的振動和沖擊載荷，提高使用壽命，如圖3所示。

2.2壓力補償技術

井下高溫高壓情況下，采用常規動密封很難達到使用壽命要求。影響動密封性能的關鍵指標是PV值（指壓力和密封面速度的乘積），PV值越小，密封件壽命越長[10]。而密封面速度一般由產品功能決定，無法改變，只能通過降低壓力來提高密封件壽命，此時可采用壓力補償降低密封件兩側壓差。如圖4所示，采用活塞壓力補償，外部壓力推動活塞移動，將外部壓力傳遞給腔體內液壓油，液壓油將壓力傳遞至動密封內側，使得動密封件內外側壓差幾乎相等，在外部壓力發生變化時，內部壓力也同時變化，從而實現了對內部壓力的補償。在采用液壓模塊推動巴掌伸縮的垂直鉆井工具中，其推靠力大小由內外壓差（液壓模塊的壓力減去井筒壓力）決定。鉆井過程中，泥漿壓力隨著井深而增高，液壓模塊提供的推靠力也需隨著井深越來越高，僅依靠液壓模塊提供推靠力，在深井、超深井情況下，則會大幅提高液壓模塊的技術難度。因此，需要采用壓力補償膠囊來對液壓模塊進行壓力補償，泥漿壓力沿著泥漿通道進入膠囊后，對液壓油腔的壓力進行補償，補償后的液壓油再驅動執行元件，從而降低巴掌伸縮所需要的液壓模塊壓力，如圖5所示。

2.3執行機構硬面技術

執行機構是垂直鉆井工具提供支撐力的機構，在鉆井過程中，巴掌直接與井壁接觸，容易磨損，從而影響整個工具的使用壽命。為延長巴掌壽命，一般在巴掌外表面采用硬面技術（HardfacingTechnology）處理，即在耐磨零部件的表面增加高硬度材料。硬面材料一般有硬質合金塊、碳化鎢耐磨焊條及硬質合金粉等，在一定厚度范圍內，硬面層越厚，耐磨性越好，且可承受一定沖擊。常用的硬質合金條耐磨帶，采用噴焊工藝將整齊擺放的硬質合金條與合金粉末焊接在巴掌基體上；也可采用等離子焊接工藝將鎳基合金粉和碳化鎢粉的混合物焊接在巴掌基體上。噴焊耐磨帶的硬度大于等離子焊接耐磨帶，但熱變形大，因此要求巴掌較厚（如圖1所示的執行機構）。執行機構內部與巴掌接觸的活塞、流體分配的上盤閥和下盤閥，在鉆井過程中受到流體沖蝕、振動、沖擊及摩擦作用，亦屬于易磨損部件，需采用硬面技術進行處理，或采用耐磨材料（如硬質合金）制造，如圖6所示。

2.4泥漿渦輪發電機

泥漿渦輪發電機通過渦輪將泥漿的動能轉化為電能，從結構上可分為渦輪與電動機轉子的直接連接，和采用磁耦合原理的非接觸式連接。直接連接泥漿渦輪發電機的轉子與定子之間的相對轉速較大，如果采用滾動軸承，在承受高壓情況下，發電機外殼尺寸大，軸承密封壽命較短；若采用TC軸承，泥漿可從TC軸承、泥漿渦輪發電機外殼與定子之間流過，帶走發電機內部熱量，無需高壓動密封，從而提高了發電機壽命，降低了維護保養難度，如圖7所示。非接觸式連接泥漿渦輪發電機的轉子和定子之間沒有直接接觸的旋轉密封，從而很好地避開了高壓旋轉密封這個難點，因無泥漿流過，不能及時帶走發電機在工作過程中產生的熱量，散熱性能相對較差，如圖8所示。直接連接和非接觸連接泥漿渦輪發電機的渦輪最終均是由軸承提供支撐，在泥漿流過渦輪葉片時，渦輪葉片的受力不均，從而導致滾動軸承的內圈滾道、外圈滾道和滾動體因疲勞而損壞。在高溫下，因軸承的內圈、外圈的配合精度發生變化，配合零件之間發生松動，導致零件磨損加快而造成失效。

3結論

1）減振技術、壓力補償技術、執行機構硬面技術、泥漿渦輪發電機技術是推靠式垂直鉆井工具機械系統的關鍵技術；2）電子密封短節和TC軸承的減振技術可以提高測量模塊精度和控制系統壽命；3）壓力補償技術可以有效解決高壓環境下密封及推靠力不足的問題；4）采用硬面技術對執行機構的耐磨表面進行處理，可以有效提高其壽命；5）通過對直接連接和非接觸連接等兩種泥漿渦輪發電機的分析，采用TC軸承的硬連接泥漿渦輪發電機散熱性好。

作者：惠坤亮 吳小雄 游娜 段樹軍 閆靜 劉曉旭 李博 單位：寶雞石油機械有限責任公司