自动垂直钻井工具的理论与技术研究

摘要：实施垂直钻井中的主动纠斜需要解决诸如井斜动态测量、纠斜机构动力的获取和可靠控制等问题。通过滤除迭加在重力加速度计上的振动信号，以及对由于加速度计随钻杆转动产生的离心力带来的信号失真进行补偿，可有效解决井斜实时控制中的井斜测量问题;通过对液控导向机构的理论建模和动力学仿真，确定了可适用于井下恶劣工况的导向纠斜装置的动力机构，并且井下超常环境压力还可使这种机构具有更好的响应性能;返程泥浆对旋转中的导向活套的冲击将会产生阻碍活套随钻杆转动的反向扭拒，从而可使活套与钻杆之间产生转差，便于导向机构从钻杆的转动中获得足够的动力，用计算流体力学软件给出具体的结果。
关键词：垂直钻井;导向机构;井斜测量;动力学仿真;流场分析

自动垂直钻井工具是一种带有井下闭环控制系统、可实现井下主动纠斜、保持井壁垂直、具有极高技术含量的先进钻井工具。这种工具特别适用于高陡构造地层及深井的垂直钻探，因此在我国的油气资源开发，特别是西部石油资源的开发中有着很好的应用前景。根据我国第二次油气资源评价资料，西部地区的石油资源量占全国总资源量的38 % ，其中的73 %埋藏在深部地层，即使在浅层也普遍存在着高陡构造地层;东部地区为我国石油的主要产区，但浅、中深部的储量都基本已探明或正在开采，可供勘探开发的53 亿吨石油储量均位于深部地层;中部地区蕴藏丰富的天然气资源，但其中的52 %埋藏在深部地层。而对于高陡构造地层以及深井的直井勘探，国外经验表明，采用自动垂直钻井技术是最有效的方法之一[1～3 ] 。我国石油勘探行业于最近几年也租用国外Bakerhughes ， Schlumberger 等公司的垂直钻井工具在有关油田进行了试钻，均取得了很好的效果。

目前，我国自动垂直钻井工具的研发水平相比国外有较大差距。中国石油集团钻井工程技术研究院的前身单位之一，原中石油勘探开发研究院钻井所于20 世纪80 年代末便在国内率先开展了相关理论和技术的研究[4～6 ] 。2003 年，武汉科技大学与该所合作，在苏义脑院士指导下就深井自动垂直钻井工具的理论与技术问题进行了较为深入的研究，并成功研制出了国内首台自动垂直钻井工具的原理样机。本文概要介绍课题组所开展的一些主要研究工作，并对有关问题作进一步探讨。

1 自动垂直钻井工具的工作原理

自动垂直钻井工具井下自动纠斜的基本原理是由工具自动检测出井斜角和井斜相对方位后，在近钻头处的适当方向产生一个对井壁的推力，该推力的反作用力即可使钻头回到垂直方向。检测井斜角并判断井斜的相对方位可由重力加速度计实现[7 ，8 ] ，而产生纠斜力的机械装置则有多种形式，图1 是一种比较典型的结构。

图1 纠斜机构示意图

该机构的主体为一个通过轴承与钻杆相连的浮动导向套，在导向套上对称装有三套由电磁阀控制的液压缸(本文称之为导向集成块) ， 控制信号使其中的一个或两个油缸的活塞伸出， 顶向井壁，其反作用力则作用在钻具上，这种反作用力就是产生纠斜作用的导向集中力。

由图1 可知，三个导向液压缸的协调动作，可使纠斜机构在井眼截面上产生6 个不同方向的导向力，如图2 所示。图2 中， FA ， FB ， FC 分别为液压缸A ，B ，C 单独伸出时各自对井壁所产生的作用力;而FA + B ， FB + C和FC + A 则是油缸A ，B ， 油缸B ，C 和油缸C ，A 各自同时动作时对井壁的作用力。由于这6 个作用力是沿井壁均布的，因此其相邻两个力矢的夹角均为60°， 即每个力矢作用的有效区域应为以该力矢为基准的±30°范围内，例如图2 中FB的作用区域应为[90°，150°] 。由于纠斜机构在任何时刻都只能构成其中的一个作用力，因此在实际的纠斜控制中只需根据井斜相对方位角α落在哪一个力矢的作用范围内，即可确定相应液压缸的动作， 据此不难制定纠斜机构的控制策略[9 ，10 ] 。

图2 导向集中力的分布图

2 井斜的动态测量

用一个二轴( X ， Y 轴。Z 轴与重力方向一致)重力加速度计即可实现井斜的静态测量。但在实钻中，底部钻具将受到强烈震动，并且导向套可能会随钻杆转动，这些因素都会使装在活套上的重力加速度计的输出并非真实的井斜信号， 若处理不好就会使纠斜系统产生误动作，严重影响纠斜效果。因此实钻中的井斜测量属于动态测量。

实钻中的加速度计中的悬臂质量块m 将受到电磁力Fe ，重力Fg ，钻头的激振力Fp 和离心力Fr的共同作用，以X 轴为例(下同) ，

式(1) 中，右边的第2 ， 3 项是动态测量所特有的。其中激振力导致的质量块在X 轴向的位移x 可以看成是钻具的纵向和横向振动共同产生的， 这一项的变化比较复杂;而质量块的离心力则显然应与导向套的旋转角速度ω的平方成正比( rx 为质量块对导向套回转中心的距离) ，由于该力始终是使质量块偏离回转中心，因此当加速度计X 轴的倾角θx > 0 时，该力会使θx 增加，而当θx < 0 时则会使θx绝对值减小。因此当转速较高时， 安装在导向套上的加速度计在井眼的不同方位上会产生差异较大的测量值，从而使井斜的自动控制变得更为复杂。

加速度计X 轴的输出可表示为

式中:V x 为加速度计同一倾角的静态输出， 为输出信号的目标值;Vp x为与钻具振动频率相同的振动信号，该信号相对于井斜变化是一个高频信号，可用低通滤波器去除;V r x 是转速ω的函数， 反映了质量块离心力的影响，如果知道导向套的转速，这一项也可去除[8 ] 。

图3 (a) 为实测的在有振动情况下重力加速度计给出的转台(模拟钻具，下同) 的倾角信号，其倾角变化范围在0°～1. 5°;图3 ( b) 为经过滤波后的加速度计的输出， 其稳态值在0. 352°～0. 387°之间，与该位置的静态测量结果(0. 353°～0. 380°)几乎没有差别。

图4 比较了“活套”旋转及其修正对倾角测试的影响。其中曲线1 为活套快速旋转一周时未加修正的模拟钻具倾角θ的变化曲线， 对比活套以极低转速旋转时测取的θd (曲线3) 可以看出， 转速越高，倾角的变化范围越大。曲线2 为对θ进行转速修正后的倾角曲线，相对于θ，其变化范围明显减小，说明离心力的影响得到有效的减弱。

图4 活套转动对倾角测试的影响

3 液控导向纠斜机构的动态特性分析

导向纠斜机构是自动垂直钻井工具的核心部件，其工作原理如图5 所示。虽然其原理并不复杂，但与常规的液压系统相比有其特点: 井下空间狭窄， 例如1221/ 4″系统的三套纠斜装置包括电控、检测系统都只能安装于外径为298 mm ，内径为140 mm 的活套内，因此许多液压元件都必须特制; 环境压力随井深变化，其范围为数十至上百个MPa ，因此液压系统必须有效地平衡这种超常的环境压力; 导向机构必须承受高温、强振，因为井下温度可达150 ℃，震动可达50 g ; 纠斜机构动作所需的能量只能在井下获取。图5 为一种获取能量的形式，它是将旋转钻杆的机械能转换为液压能后，再去驱动导向油缸的动作。

为了保证纠斜机构在井下达到要求的性能，先利用Matlab ，AMEsim 等软件对图5 所示的具有特殊要求的液压系统进行动力学仿真。在用Matlab 进行仿真时，需要对系统中的所有液压元件建模，有关建模的方法可参见文献[11 ] 。

图6 (a) 和图6 (b) 分别为液压泵柱塞缸和液压缸无杆腔在电磁换向阀通电后的压力响应仿真结果。图中E 点反映出纠斜液压缸的活塞顶到“井壁”时的压力突变现象。在E 点以前，溢流阀关闭，油泵柱塞直接将油液压入纠斜缸，并在退回时从油箱吸入油液，纠斜缸中的压力缓慢上升; E点以后溢流阀开启， 油泵输出的油液通过溢流阀流回油箱，纠斜缸中的压力则保持不变。仿真结果反映出系统希望的响应性能。

图7 为实测的纠斜集成块压力响应过程。油泵压力响应和纠斜缸的压力响应与仿真结果基本相同，实验中油缸的稳态压力值较大是因为系统中溢流阀的预调压力设置较高。因此实验结果表明纠斜机构液压系统的仿真模型是正确的， 据此所设计的纠斜机构能够满足钻具纠斜的要求。

在图5 中将环境压力引入油箱，即可使系统工作在超常环境压力下。进一步的分析表明，当环境压力超过一个大气压力时， 系统中受影响最大的元件是吸油单向阀。单向阀的流量方程(设阀开口最大) 为

式中:Qx 为阀的流量; Kqm 为阀的流量系数; PT 为环境压力; P0 为油泵压力。

由式(3) 可知，在常压下(相对压力) ， PT = 0 ，P0 = - 0. 1 MPa 时，单向阀的最大压降只有一个大气压力。而实际上由于泄漏、摩擦、沿程压力损失等因素，单向阀的压降一般小于一个大气压力(仿真中为0. 053 MPa) 。又由于阀的通径较小，因此常压下容易出现油泵吸油不足， 而影响系统的响应速度(这在低温时尤为明显) ，但当PT较大时，油泵的吸油性能就可得到明显改善。图8 为PT = 40 MPa (相当于井深为4 000 m 时的环境压力) 时油泵柱塞缸内的压力变化，其吸油时的最大压差可达0. 5 MPa (此压力与油泵柱塞上弹簧的预压力相对应) ，从而可以推论图5 所示的纠斜系统在井下将会有更好的响应性能。

4 导向活套的流场分析

导向活套位于钻具底部，其上的凹槽(见图1) 用于导通返程泥浆。由于导向套有可能随着钻杆一起转动，因此当泥浆通过导向套时会改变其流动状态而产生类似螺旋状的运动，此时泥浆会对活套产生一个反转扭矩阻碍活套的转动。因为设计要求导向套与钻杆要有一个相对转速，且该相对转速越大，纠斜机构的响应速度越高，因此返程泥浆对活套所产生的这种反转扭矩对于井下自动纠斜是有利的。显然泥浆所产生的反转扭矩与泥浆的流量、钻杆的转速有关，对其虽难以进行解析计算，但可借助现有的计算流体力学(CFD) 软件(如Fluent 等) 对其进行分析。

图9 为流量为2 000 L/ min 的泥浆通过转速分别为140 r/ min 和240 r/ min 的活套时的流线图。由图9 中可知，活套转速越高，泥浆的螺旋运动越明显，因此可以推断在同样的泥浆流量下，活套的转速越高，其所受到的反扭矩也越大。通过仿真计算可得图9 (a) 与图9 ( b) 所对应的反扭矩分别为2. 25 N ·m 和4. 42 N ·m ，而由原理样机所测得的活套对钻杆的摩擦扭矩约为2. 2 N ·m ，因此在实钻中要用泥浆冲击活套所产生的反扭矩使活套与钻杆产生相对运动，对泥浆的流量和钻杆转速就应有适当的要求，否则就应当考虑采用其他辅助方法。

图9 流量为2 000 L/ min 时泥浆在活套不同转速下的流线图

5 结语

自动垂直钻井工具是一种具有高技术含量的机电一体化设备，并且由于其所处的工作环境非常恶劣以及要受到各种钻井工艺条件的限制，使得这种设备的研制又有其特殊的困难。自动垂直钻井工具研制中的主要技术问题已经基本上得到有效解决，且部分已经通过实验检验，但钻具整体还未经受实钻考验，特别是有关控制系统及相应算法方面还有待深入研究。本文因篇幅所限对控制问题没有详细论述，文献[ 10 ]有所涉及，但真正完善还必须通过实钻以总结经验，但对于这种强扰动、参数大范围变化的控制对象，采用自适应控制[12 ，13 ] 、智能控制等先进控制方法是值得进一步探讨的。