垂直鉆井工具機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(qiáng)振動(dòng)和沖擊環(huán)境下，形成了減振技術(shù)、壓力補(bǔ)償技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬面技術(shù)、泥漿渦輪發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)；通過(guò)分析，明確了電子密封短節(jié)和TC軸承的減振可以提高測(cè)量模塊精度和控制系統(tǒng)壽命；壓力補(bǔ)償可有效解決高壓環(huán)境下密封壽命短及執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠力不足的問(wèn)題；采用硬面技術(shù)可提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)壽命；采用TC軸承的泥漿渦輪發(fā)電機(jī)散熱性好。
關(guān)鍵詞：垂直鉆井工具；推靠式；減振
引言
我國(guó)西部石油主要在新疆的塔里木、準(zhǔn)噶爾和吐哈，青海的柴達(dá)木盆地和四川川東等地區(qū)，以上地區(qū)多數(shù)油氣儲(chǔ)量埋藏在復(fù)雜的深部地層，其中上部井段的井斜是造成勘探開(kāi)發(fā)難度大的重要因素之一。這種高陡構(gòu)造地層具有傾角大、各向異性、可鉆性差及自然造斜能力強(qiáng)等特點(diǎn)。鉆井施工中易發(fā)生井斜，機(jī)械鉆速低，鉆井周期長(zhǎng)，鉆井成本高，常用鐘擺鉆具組合等防斜打直措施，這些被動(dòng)防斜打直技術(shù)，并沒(méi)有釋放鉆壓[1-2]。而垂直鉆井技術(shù)作為一種主動(dòng)防斜打直技術(shù)，可有效釋放鉆壓、提高機(jī)械鉆速，且降低井斜，目前已在高陡構(gòu)造地層進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)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(cè)量單元、控制單元、動(dòng)力單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等4部分組成（如圖1）。動(dòng)力單元通過(guò)整流穩(wěn)壓技術(shù)將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，為慣性測(cè)量單元和控制單元提供穩(wěn)定的電能；慣性測(cè)量單元測(cè)量井斜角、方位角、工具面角等鉆井參數(shù)，并將測(cè)量參數(shù)提供給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將預(yù)設(shè)參數(shù)與測(cè)量參數(shù)進(jìn)行對(duì)比修正，通過(guò)糾斜或穩(wěn)斜指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的巴掌或偏置軸的動(dòng)作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的井眼軌跡動(dòng)作[3]。將采用偏置鉆頭控制作用力的垂直鉆井工具稱(chēng)為推靠式垂直鉆井工具。在糾斜過(guò)程中，近鉆頭處的推靠巴掌伸出，推靠井壁使鉆頭產(chǎn)生側(cè)向切削力，該側(cè)向力起主要導(dǎo)向作用（導(dǎo)致鉆頭轉(zhuǎn)角相對(duì)很小）[4]。
2關(guān)鍵技術(shù)分析
垂直鉆井工具在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常遇到礫巖層等難鉆地層，導(dǎo)致井下振動(dòng)、沖擊非常劇烈，且地層壓力大、溫度高，劇烈振動(dòng)和沖擊對(duì)井斜精確測(cè)量產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾，加速了工具磨損；高溫高壓對(duì)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(duì)此工況，機(jī)械系統(tǒng)具有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
2.1減振技術(shù)
強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊對(duì)慣性傳感器精確測(cè)量產(chǎn)生了極大的干擾，也可能在某一頻率下發(fā)生共振，造成電路板的損壞或變形，長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)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(duì)單個(gè)傳感器或者控制系統(tǒng)整體進(jìn)行減振（隔振）設(shè)計(jì)。當(dāng)激勵(lì)頻率ω與系統(tǒng)固有頻率ωn的頻率比：1）電子密封短節(jié)減振。在鉆井過(guò)程中，電子密封短節(jié)受到外部支撐傳遞來(lái)的橫向和縱向振動(dòng)，同時(shí)鉆柱扭振也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)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(jìn)行徑向減振，而軸向則采用彈簧、橡膠圈或阻尼器進(jìn)行減振（如圖2）。在非油介質(zhì)中，一般采用硅橡膠材料，在含油介質(zhì)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(hào)，但也引入了新的誤差量，在慣性測(cè)量單元設(shè)計(jì)時(shí)，需要有效隔離振動(dòng)和沖擊，又不能因減震器產(chǎn)生附加振動(dòng)。在振動(dòng)沖擊環(huán)境下，減振系統(tǒng)對(duì)慣性測(cè)量元器件（加速度計(jì)和陀螺儀）的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)測(cè)量性能的影響需要進(jìn)行研究[7-8]。2）TC軸承減振。采用滾動(dòng)軸承時(shí)，需要配置潤(rùn)滑和密封系統(tǒng)，井下空間狹窄，潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)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(dòng)軸承在清潔潤(rùn)滑環(huán)境下工作。采用TC軸承時(shí)，泥漿可從軸承中間流過(guò)，對(duì)軸承進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，無(wú)需配置專(zhuān)用潤(rùn)滑和密封系統(tǒng)。TC軸承一般采用高溫爐燒結(jié)工藝，將硬質(zhì)合金塊鑲在摩擦工作面上，耐磨性好，又耐含砂泥漿的長(zhǎng)時(shí)間沖蝕[9]。因此，井下工具經(jīng)常采用TC軸承。在強(qiáng)振動(dòng)沖擊及高溫環(huán)境下，TC軸承易磨損，出現(xiàn)組織過(guò)熱及硬質(zhì)合金片破碎等問(wèn)題，通過(guò)增加減振橡膠圈，可降低TC軸承受到的振動(dòng)和沖擊載荷，提高使用壽命，如圖3所示。
2.2壓力補(bǔ)償技術(shù)
井下高溫高壓情況下，采用常規(guī)動(dòng)密封很難達(dá)到使用壽命要求。影響動(dòng)密封性能的關(guān)鍵指標(biāo)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(zhǎng)[10]。而密封面速度一般由產(chǎn)品功能決定，無(wú)法改變，只能通過(guò)降低壓力來(lái)提高密封件壽命，此時(shí)可采用壓力補(bǔ)償降低密封件兩側(cè)壓差。如圖4所示，采用活塞壓力補(bǔ)償，外部壓力推動(dòng)活塞移動(dòng)，將外部壓力傳遞給腔體內(nèi)液壓油，液壓油將壓力傳遞至動(dòng)密封內(nèi)側(cè)，使得動(dòng)密封件內(nèi)外側(cè)壓差幾乎相等，在外部壓力發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)部壓力也同時(shí)變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)部壓力的補(bǔ)償。在采用液壓模塊推動(dòng)巴掌伸縮的垂直鉆井工具中，其推靠力大小由內(nèi)外壓差（液壓模塊的壓力減去井筒壓力）決定。鉆井過(guò)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(lái)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(huì)大幅提高液壓模塊的技術(shù)難度。因此，需要采用壓力補(bǔ)償膠囊來(lái)對(duì)液壓模塊進(jìn)行壓力補(bǔ)償，泥漿壓力沿著泥漿通道進(jìn)入膠囊后，對(duì)液壓油腔的壓力進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的液壓油再驅(qū)動(dòng)執(zhí)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(zhí)行機(jī)構(gòu)硬面技術(shù)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是垂直鉆井工具提供支撐力的機(jī)構(gòu)，在鉆井過(guò)程中，巴掌直接與井壁接觸，容易磨損，從而影響整個(gè)工具的使用壽命。為延長(zhǎng)巴掌壽命，一般在巴掌外表面采用硬面技術(shù)（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(zhì)合金塊、碳化鎢耐磨焊條及硬質(zhì)合金粉等，在一定厚度范圍內(nèi)，硬面層越厚，耐磨性越好，且可承受一定沖擊。常用的硬質(zhì)合金條耐磨帶，采用噴焊工藝將整齊擺放的硬質(zhì)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(zhí)行機(jī)構(gòu)）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部與巴掌接觸的活塞、流體分配的上盤(pán)閥和下盤(pán)閥，在鉆井過(guò)程中受到流體沖蝕、振動(dòng)、沖擊及摩擦作用，亦屬于易磨損部件，需采用硬面技術(shù)進(jìn)行處理，或采用耐磨材料（如硬質(zhì)合金）制造，如圖6所示。
2.4泥漿渦輪發(fā)電機(jī)
泥漿渦輪發(fā)電機(jī)通過(guò)渦輪將泥漿的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，從結(jié)構(gòu)上可分為渦輪與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速較大，如果采用滾動(dòng)軸承，在承受高壓情況下，發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)外殼與定子之間流過(guò)，帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)部熱量，無(wú)需高壓動(dòng)密封，從而提高了發(fā)電機(jī)壽命，降低了維護(hù)保養(yǎng)難度，如圖7所示。非接觸式連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間沒(méi)有直接接觸的旋轉(zhuǎn)密封，從而很好地避開(kāi)了高壓旋轉(zhuǎn)密封這個(gè)難點(diǎn)，因無(wú)泥漿流過(guò)，不能及時(shí)帶走發(fā)電機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，散熱性能相對(duì)較差，如圖8所示。直接連接和非接觸連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)的渦輪最終均是由軸承提供支撐，在泥漿流過(guò)渦輪葉片時(shí)，渦輪葉片的受力不均，從而導(dǎo)致滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈滾道、外圈滾道和滾動(dòng)體因疲勞而損壞。在高溫下，因軸承的內(nèi)圈、外圈的配合精度發(fā)生變化，配合零件之間發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致零件磨損加快而造成失效。
3結(jié)論
1）減振技術(shù)、壓力補(bǔ)償技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬面技術(shù)、泥漿渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)是推靠式垂直鉆井工具機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；2）電子密封短節(jié)和TC軸承的減振技術(shù)可以提高測(cè)量模塊精度和控制系統(tǒng)壽命；3）壓力補(bǔ)償技術(shù)可以有效解決高壓環(huán)境下密封及推靠力不足的問(wèn)題；4）采用硬面技術(shù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的耐磨表面進(jìn)行處理，可以有效提高其壽命；5）通過(guò)對(duì)直接連接和非接觸連接等兩種泥漿渦輪發(fā)電機(jī)的分析，采用TC軸承的硬連接泥漿渦輪發(fā)電機(jī)散熱性好。
作者：惠坤亮 吳小雄 游娜 段樹(shù)軍 閆靜 劉曉旭 李博 單位：寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司