机械式自动垂直钻井工具
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基于PIC单片机自动垂直钻井工具控制器的研究
ｉｃｉ ｔ ｎｍ ａｕｅ ｎ， ｒｐｓｓ ａｕｅｍ ｔｏ ｆｎｌ ａｏ ｙｇａｉ ｃｅｅ ｍｅ ｒａ ｅ ｄｅ ｉ ｐｅｔｒｓｏ ｎｌ ａｉ ｅｓｒ ｎ ｏ ｍｅｔ ｐｏ ｏｅ ｓｒ ｅｈｄｏ ｃ ｎｔ ｎｂ ｒｖｙａｃｌ ｏ ｔ ，ｓｗ ｌａ ｊ ｇｓｓ ｌ ｈｅｈｌ ｍｅ ｉｉ ｉ ｔ ｒ ｅ ｌ ｕ ｓ ｍ ｄ
维普资讯
Ｖ０ ０ Ｎ ｌ ｏ３ ２
２０ ０ ０ ７－ ６
机械研 究 与应用
ＭＥ ＨＡ Ｃ Ｓ ＡＲＣ ＆ ＡＰ Ｌ Ｃ ＴＩ Ｎ Ｃ ＮＩ ＡＬ ＲＥ Ｅ Ｈ Ｐ ＩＡ Ｏ
第２ ０卷
第３ 期
２０ ０ ７年 ６月
圄
基 于 Ｐ Ｃ 单 片 机 自动 垂 直钻 井 工具 控 制器 的研 究 Ｉ
一
重力加速度计 的测 斜原 理 如 图 １所示 。其 中 Ｘ Ｚ表 Ｙ 示井眼未发生倾斜时 的坐标 系 ， Ｙ为水平 面 ； Ｙ ｚ表 示 井 Ｘ Ｘ、 、 眼发生倾斜时的坐标系 ； Ｖ 、 、 分别为 重力加 速度在 ｘ 、 ｙ 、 ｚ 轴投影的电压值 ； 为井斜 角 ， 是相对 方位 角或 重力 工 则
Ｚ ｅ ｇＤｅ ｇ—ｋ ，Ｌ ｕ Ｂ ｉ ａ ｈ ｎ ｎ ｅ ｉ ａ —ｙ ｎ，Ｗ ａ ｇＸｉ ｎ ｎ—ｙ ｕ，Ｄｕ Ｙｏ ｇ—ｇ ｎ ，Ｌ Ｍｉｇ ｎ ａｇ ｉ ｎ
（ ｏｌ ｅｆｍ ｃ ｉ ｒ ｎ ｕｏ ａｉ ， ｕ ａ ｎｖｒｔ ｏ ｓｉ ｅａ ｄｔ ｈｏｏｙ Ｗ ｈ ｎＨ ｂｉ ３０ １ Ｃ ｉ Ｃ ｌｇ ａｈｎ ｙａ ｄａ ｔ ｔ ｎ Ｗ ｈｎｕｉ ｓｙｆ ｃ ｎ ｎ ｃｎｌ ， ｕ ａ ｕ ｅ ｅ ｏ ｅ ｍ ｏ ｅ ｉ ｅ ｃ ｅ ｇ ４ ０ ８ ， ｈｎ ａ）
ｖｌｅｔ ａｚ ｄｅ ｅｔ ｅ ｏ ｆｈ ｃｎｔ ｎａ ｄｔｅ ｏｒｓｏ ｄ ｇ ｉ ｃ ｏ ｅ ｅ ｅｔ ｎ Ａ ｓ ｔ ｏｇ ｎ ｅ— ａｕ ｒ ｌ ｅｊ ｇｍ ｎ ｔ ｄｏ ｅｉ ｌ ａｉ ｎ ｒ ｐｎ ｉ ｒ ｔｎｏ ｗ ｌｄｆ ｃ ｏ． ｔａｔｈ ｕｈｓ ｇ ｏｅｉ ｕ ｍｈ ｔ ｎｉ ｏ ｈｃ ｅ ｎ ｄｅｉ ｆ ｌ ｉ ｌ ｒ ｉｌ
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Ｖ０ ０ Ｎ ｌ ｏ３ ２
２０ ０ ０ ７－ ６
机械研 究 与应用
ＭＥ ＨＡ Ｃ Ｓ ＡＲＣ ＆ ＡＰ Ｌ Ｃ ＴＩ Ｎ Ｃ ＮＩ ＡＬ ＲＥ Ｅ Ｈ Ｐ ＩＡ Ｏ
第２ ０卷
第３ 期
２０ ０ ７年 ６月
圄
基 于 Ｐ Ｃ 单 片 机 自动 垂 直钻 井 工具 控 制器 的研 究 Ｉ
一
重力加速度计 的测 斜原 理 如 图 １所示 。其 中 Ｘ Ｚ表 Ｙ 示井眼未发生倾斜时 的坐标 系 ， Ｙ为水平 面 ； Ｙ ｚ表 示 井 Ｘ Ｘ、 、 眼发生倾斜时的坐标系 ； Ｖ 、 、 分别为 重力加 速度在 ｘ 、 ｙ 、 ｚ 轴投影的电压值 ； 为井斜 角 ， 是相对 方位 角或 重力 工 则
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TruTrak垂直钻井系统技术参数
转定子瓣数比
5/6
钻头转速
80-185 rpm
无负荷压降
220 psi(15 bar)
工作压差
1,160 psi(80 bar)
工作扭矩
16,450 ft-lbs(22,300 Nm)
工作输出功率
575 HP (430 kW)
最大压差
1,450 psi(100 bar)
最大扭矩
20,600 ft-lbs(27,900 Nm)
工作钻压 12 1/4"-14 3/4" 16"-28"
最大钻压 12 1/4"-14 3/4" 16"-28"
最大工作温度
最大静液压
最大含沙量
性能参数
X-treme 驱动模块
最大堵漏材料
工具排量
最大有效导向力
低排量
528-925gpm(2,000-3,500 lpm) 最大井斜
正常排量
661-1,162gpm(2,500-4,400lpm) 最大造斜率
在较硬低层表现也非常出色可靠
■ 运用AutoTrak® 三维控制原理及其模块化系统
像VertiTrak一样，TruTrak是不需要旋转上部钻具来控制 轨迹的。所需要的方位信息是通过传感器短节来获取 的，这种采用模块化接口的短节可在井场很容易的拆 装。另外配有的井斜传感器(可选配伽马传感器)和 TruTrak传感器(可测得近钻头井斜、井下温度、肋板压 力、振动和状态特征参数等信息)一起相互通讯并将相应 参数及时通过泥浆脉冲发回地面系统。
传----钻带配感铤有合器短M模接W块D 探管的
利用TruTrak地面系统发出的指令可以实现:
■ 自动保持垂直钻进 ■ 用全部或部分的导向力增斜或降斜 ■ 在稳斜模式下实现自动化的稳斜钻进 ■ 在稳斜模式下调整相应侧向力来调整方位 ■ 使肋板缩回本体
垂直钻井技术
Schlumberger公司的PowerV是在其PowerDrive系列旋
转导向系统基础上发展起来的，于2002年推出。
Pad 开
Pad 关
Control Shaft
Disk Valve
PowerV 产品规格
PowerV 最大转速 (rpm)
475
650 250
675 220
825 220
稳定器
钻头
（二）VDS垂直钻井系统
20世纪90年代初，德国KTB项目组与Eastman Teleco公司联合 研究开发的垂直钻井系统 VDS （ Vertical Drilling System ）。 KTB井深6710m处，井斜仅 1°，位移 < 4 m 2006 年德国 Eastman Teleco 公司为了打开中国的市场，通过 北京的一家代理公司给了中石油华北油田钻采院三套 17-1/2″ 井眼的垂钻系统进行试用； 使用情况，井斜控制的效果较好，只要垂钻系统工作，井斜 基本0.3°～0.5°之间；一次下井的使用时间在80h～100h，通 过更换密封件后可继续使用。
Baker Hughes 公司的Verti-Trak系统
1999 年 Baker Hughes INTEQ 公 司在 SDD 的基础上 经过改进完善推 出商业化应用的Verti-Trak直井钻
Motor Drive Train &S Control Section Steering Sect
井系统。 VertiTrak最大降斜能力可以达
900/1100 220
200
最大作业温度 (°C) 125/150* 125/150* 125/150* 最大钻头钻压 (Klbf) Max 50 Max. 65 Max. 65 最大钻头扭距 (Kft-lbs) 4 排量 (gpm) 16 220-400 320-650 480-1900
转导向系统基础上发展起来的，于2002年推出。
Pad 开
Pad 关
Control Shaft
Disk Valve
PowerV 产品规格
PowerV 最大转速 (rpm)
475
650 250
675 220
825 220
稳定器
钻头
（二）VDS垂直钻井系统
20世纪90年代初，德国KTB项目组与Eastman Teleco公司联合 研究开发的垂直钻井系统 VDS （ Vertical Drilling System ）。 KTB井深6710m处，井斜仅 1°，位移 < 4 m 2006 年德国 Eastman Teleco 公司为了打开中国的市场，通过 北京的一家代理公司给了中石油华北油田钻采院三套 17-1/2″ 井眼的垂钻系统进行试用； 使用情况，井斜控制的效果较好，只要垂钻系统工作，井斜 基本0.3°～0.5°之间；一次下井的使用时间在80h～100h，通 过更换密封件后可继续使用。
Baker Hughes 公司的Verti-Trak系统
1999 年 Baker Hughes INTEQ 公 司在 SDD 的基础上 经过改进完善推 出商业化应用的Verti-Trak直井钻
Motor Drive Train &S Control Section Steering Sect
井系统。 VertiTrak最大降斜能力可以达
900/1100 220
200
最大作业温度 (°C) 125/150* 125/150* 125/150* 最大钻头钻压 (Klbf) Max 50 Max. 65 Max. 65 最大钻头扭距 (Kft-lbs) 4 排量 (gpm) 16 220-400 320-650 480-1900
自动垂直钻井工具指向式导向纠斜机构原理方案研究
研制 。在 ９ ０年代前半期 ，研 制了五代样机 ，由 ｖＤ 一 发展 ｓ１
到 ＶＤ 一。 该 系 统 在 德 国 ＫＴ 计 划 的万 米 超 深 井 中共 钻 进 Ｓ５ Ｂ ２ １ｍ； 在地 层倾 角 ６ 。 条件 下 ，钻 至 ６ ０ｍ 时 井 斜 角 为 ７０ ０的 ７０
１ ，水 位 移 不 足 ４ 。 ｍ， 最大 井斜 角 为 ２５ 。 ．。
机 圈
ｌ套踪分卜 外跟鄯
图 ２
—＿ 显鄯 ｌ 爿 示分
３ 指 向式 导 向纠斜机 构原 理方 案
３ １ 防 斜 纠 斜 原 理 指 向式 自动 垂直 钻 井 』 具 ，是 依 靠 主轴 弯 曲造 斜 ，产 生 ： 具 有 纠 斜 作 用 的 偏 向 力 ，存 非 旋 转 外 套 的 控制 方案 下 实现 不 受 环 境 ｌ素 影 响 达 到 制 动 垂 直 导 向中 防 斜 纠 斜 目的 。 钻 井 太 ］ 对 机 械 进 行 简 单的 力 学 分 析 如 图 ｌ 示 。 所
中国西部科技
２１ ０ ２年 ０ ９月第 １ １卷第 ０ 总第 ２ ８期 ９期 ７
３ ９
护 的技 术 水 平 和 作 业 机 械 化 程 度 来 说 ， 于 大 型 的现 代 化 矿 对
井 ， 其 是 为 了适 应 快 速 推 进 的 综 采 或 综 放 工 作 面 大 断面 巷 尤
压 监 测 ，充 分 掌 握 留巷 前 、留巷 期 间 、留 巷后 及 二 次 复用 期 间所 留 巷 道 的矿 压 显 现规 律 ，以采 取 相应 支 护 对 策 ，确 保 留
［］张 绍 槐 ． 井 、超 深 和 复 杂 结 构井 垂 直 钻 井 技 术 ［ ． 油钻 探 技 术 ， ２ 深 Ｊ石 ］
垂钻工具
1
大湾1 井
毛坝6 井
314.3
1828.96～2444
627.04～1297.6 1311.11～1868.86 1876.38～1953.72 535～2132.13
615.04
670.56 557.75 77.34 1597.13 3517.82
317：02
250：50 280：20 48：40 593:45 1490：37
四、现场试验
川东北地区高陡构造防斜打直钻井技术
1、塔式钻具组合
如河坝1井、双庙1井、普光3井、普光4井、普光7井 等几乎大部分的井都使用10″～11″大尺寸钻铤塔 式钻具，该钻具作用是提高下部钻具的刚性和抗弯 曲能力，利于较高钻压情况下防斜。使用结果表明 10″～11″钻铤组成的塔式钻具组合，较同等地层 钟摆钻具组合吊打的平均机械钻速均有所提高。在 倾角大、岩性变化频繁的自然造斜力极强的地层中， 使用10″～11″钻铤组成的塔式钻具组合钻进，有 利于部份解放钻压、对提高钻井速度有利。
普光2井 常规钻井 普光3井 常规钻井 普光4井 常规钻井 毛坝2井 常规钻井 毛坝3井 常规钻井 双庙1井 常规钻井 黑池1井 PowerV 普光7 PowerV
常规钻井机械钻速平均值
PowerV钻井机械钻速平均值
四、现场试验
川东北地区高陡构造防斜打直钻井技术
VertiTra 系统使用效果对比
序 号 井号 井眼尺寸 （mm） 使用井段 （m） 段长 （m） 纯钻进时 间 (h:min) 平均机械钻 速 m/h
2.0 1.6 1.2
2、试验过程中工具未发现刺漏现象，密 封、整体结构的耐压能力达到了设计要求， 说明推靠巴掌、盘阀等机构的设计合理， 初步具备进入现场试验应用的条件。
钻井井下作业工具大全展示ppt课件
03
常见钻井井下作业工具介绍
牙轮钻头
01
02
03
结构组成
由钻头体、牙轮、轴承及 喷嘴等部件组成。
工作原理
通过牙轮在井底滚动破碎 岩石，同时利用喷嘴喷射 钻井液清洗井底并冷却钻 头。
适用范围
适用于软到中硬地层的钻 井作业。
金刚石钻头
02
01
03
结构组成
由钻头体、金刚石复合片、喷嘴等部件组成。
工作原理
尺寸检查
核对工具尺寸是否符合设计要求，特别是关键部位的尺寸。
使用前检查与准备工作
• 性能测试：对工具进行必要的性能测试，如密封性、耐压性等。
使用前检查与准备工作
清洁工具
清除工具表面的油污、泥土等杂质。
润滑保养
对需要润滑的部位进行润滑保养，确保工具在井下作业过程中运 转顺畅。
安装调试
按照操作规程对工具进行安装和调试，确保工具处于正常工作状 态。
• 经济性：在满足安全和适应性的前提下，选择性价比高的工具。
选型原则和方法
01
选型方法
02
03
04
了解井身结构和井眼轨迹，确 定所需工具的基本类型和规格
。
分析地层特性，选择适合地层 特性的工具材料和结构。
参考类似井的作业经验，选择 经过验证的可靠工具。
使用前检查与准备工作
外观检查
检查工具表面是否有裂纹、变形、严重磨损等缺陷。
02
钻井井下作业工具核心技术
钻头设计与制造技术
钻头类型与结构
包括刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头等，介绍各 种钻头的结构特点、适用地层及工作原理。
钻头材料
阐述钻头制造中常用的高性能合金钢、硬质合金、 金刚石等材料的性能特点与选用原则。
钻井设备介绍
线）
48.Ram BOP （闸板防喷器） 49.Rathole （大鼠洞） 50.Rotary Hose （钻井水龙带） 51.Rotary Table （转盘） 52.Slips （卡瓦） 53.Spinning chain （旋转上扣链） 54.Stairways （楼梯） 55.Standpipe （立管） 56.Surface Casing （表套） 57.Substructure （底座） 58.Swivel （水龙头） 59.Tongs （大钳） 60.Walkways （过道） 61.Weight Indicator （指重表）
Casing—套管
Conductor 、Surface Casing、 Intermediate Casing、Production Casing、Liner Certify the grade、wall thickness、 joints， Measure the length，Drift the casing，clean the thread
DRILLING EQUIPMENT 石油钻井设备
现代钻井设备介绍与分类
8月, 2014
General
1、合同主体……………………………….…………5 2、附录A 工程技术规范……………………………60 3、附录B 承包商钻机和相关设备的详细规格……64 4、附录C 承包商人员………………………………232 5、附录D 承包商和甲方职责………………………242 6、附录E 钻井作业井场建设技术规范……………251 7、标书附件…………………………………………268 8、附件G 钻机&设备检测和评定…………………302
缆）
3.Drilling Line（钻井大绳） 4.Monkeyboard （井二架层平台台）） 5.Traveling Block （游车） 6.Top Drive（顶驱） 7.Mast（井架） 8.Drill Pipe（钻杆） 9.Doghouse（司偏钻房休）息房） 10.Blowout Preventer（防喷器） 11.Water Tank （水箱罐） 12.Electric Cable Tray （电缆托盘）） 13.Engine Generator Sets（发电机组） 14.Fuel Tank （储油罐） 15.Electrical Control House （电气控制房） 16.Mud Pumps （泥浆泵） 17.Bulk Mud Component Tanks （泥浆
垂直钻井技术201308
二、垂直钻井工具
（5）中石油钻井院CGVDS
1） CGVDS垂直钻井系统构成 CGVDS 垂直钻井系统是 由中石 油钻井院自主研制。
工作方式：钻头推靠式
不旋转套活套 主轴
属于机电液一体化的垂直钻井系统
垂直钻井工具主要由执行单元、控制单 元和测量单元组成
测控子系统
液控子系统 纠斜推力块
下接头
二、垂直钻井工具
二、垂直钻井工具
（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS
2） SL-AVDS优势
钻具旋转时进行纠斜 (不需滑动钻进) － 主动防斜！
所有部件都旋转 – “Everything Rotates‖
减少摩擦力和阻力 (钻压和扭矩传输更有效) 降低卡钻风险
井眼更平滑 (低狗腿度)
减少井眼净化问题 最大限度提高钻速 在钻进时自动感应井斜进行自动化纠斜 解放钻压, 正常钻进提高钻速 可划眼和倒划眼
贝克休斯Verti-Trak
国外
斯伦贝谢的Power-V 哈里伯顿V-Pilot
胜利钻井院SL-AVDS
国内
中石油钻井院CGVDS 渤海钻探工程院BH-VDT
二、垂直钻井工具
2、 垂直钻井工具结构及特点
贝克休斯VertiTrak
斯伦贝谢Power-V
哈里伯顿V-Pilot 中石化胜利钻井院SL-AVDS 中石油钻00
二、垂直钻井工具
（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS
1） SL-AVDS的构成和工作原理
主要是由发电机、基于旋转基座的测控短节、力矩电
机和防斜纠斜执行机构等四部分组成。
二、垂直钻井工具
（4）中石化胜利钻井院垂直钻井系统SL-AVDS
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参考文献
张绍槐．深井、超深井和复杂结构并垂直钻并技术（Ｊ］．石油钻探技术，２００５，３３（５）：１１一１５ 苏义脑．｛由气直井防斜打快技术一理论与实践［Ｍ］．北京：石油工业出版，２００３ 高德利．易斜地层防斜打快钻井理论与技术探讨［Ｊ］．石油钻探技术，２００７，３３（５）：１９—２２ 韩来聚，孙铭新，徐济镊等．犬颓囊地层防斜钶燕技零【ｊ】．蚕油钻探技术，２００１，２９（４）：３６—３８ 汪海阉，荔义麓．直著防籀拇抉瑶论研究递袋［１】．石洼学掇，２００４，２５（３）：８６－９０ 杨春旭，韩来聚，步玉环等，现代垂直钻井技术的新进展及发展方向［Ｊ】．石油钻探技术，２００７，３５（１）：１６一１９ 倪红坚，韩来聚，马清明．一种机械式自动垂直钻井工具［Ｐ］．中华人民共和国，实用新型， ＺＬ２００５２００８２１５９．９。２００６年５月３１ ｌａ
一弼９一
目前，我国石油产量的主要接替区主要分布在塔里木、准噶尔、西部柴达木、吐哈和川东北 等她送，这些地区油气资源埋藏深，地层倾角大，在寅井段的钻井过程中井身质量控镧难度大， 容易密现井斜超标、钻井成本叛及并下复杂情魏等闻题，因此发展耨的技术手段，提高油气钻 探效率，变得极为迫切。本文立足于实际，在分析现有技术的基础上，提出研制机械式自动垂 直钻井工具，发展自动垂直钻井技术，为直井钻进“防斜打快”问题的解决提供一个可行的技
１２一扇形偏心流道；１３一活寒缸￡捎缀；
１４一卿莲孔；１５一滔塞； ｜６一溪塞鑫入１２１；１７一瑟寨敷
身重力作用下，稳定在倾斜井眼的低边，上盘阀８的扇形偏心流道１２则稳定在井眼高边。钻 柱带动壳体１０和下盘阀９旋转，当上盘阀８上的扇形偏心流道１２与下盘阀９上的导流孔１１ 重含时，然挂内外高低压流体闻豹通遵被打开，高压钻并滚进入活塞赶１７，推动活塞１５靠自 高边井壁，井壁的反作用力使得钻头在并眼低边并壁上的切削量增加。当钻柱带动壳体ｌＯ和
盘阀９转动，使得下盘阀９上的导流孑Ｌ ｌｌ与上盘阀８上的扇形偏心流道１２错开，钻桂内外高
低压流体问的通道被关闭，高压钻井液不能驱动活塞１５推靠井壁，因此钻头在井眼低边井壁 泼终区域的切麓量不会增嬲。镭柱持续旋转，上述过程循环茬复，活塞１５被钻并滚锤环在钻 柱内外形成的压差驱动，髑期性推靠高边并壁，对钻头施加指向井眼低边的周期性侧向力，使
ｌ∞一２００
在１１３６ｍ测深，电子单点测井斜为３．０。
分析裘３数据发现，在霹晓共段（须家河组三段Ｂ。，），工吴试验对钻蘧加大至１８。～∞。 ｌ【Ｎ时，机械钻速提高达９７．３４％，井斜控制在２．５。一３．０。，井斜控制精度（＝３．０。）满足现场钻 井要求，实现了解放钻压，提高钻速的技术目标。在钻井过程中，扭矩、泵压、钻井液密度等各 项钻井参数平稳，未见异常，起钻观察外观、推靠巴掌及密封等部件均藏常，工具本体经检验也 来觅损伤，诞明工其结构可靠，霹满足现场的使用条件。 试验结果显示，杭械式自动垂直镳势工舆魄工作原理落确，结构可靠，使用该工具巍将并斜 控制在设计要求范围内的同时，显著地提高了钻井速度，说明工具的“防斜打快”效果非常显著， 机械式自动垂直钻井工具的研制成功为解决直井的防斜打快问题，提供了一种新的手段。
井深４０２８ｍ，由滇黔桂钻片二公司５０７７２ＤＧ Ｊ｝队施＿：ｒ＝。此次试验井段（１０３４ （见图４），易井斜。
５６～１１３７
５６ｍ）
为须家河组（…Ｉ，。），岩性为灰黑色泥岩央灰色细沙岩，质地坚硬，岩石可钻性差，地层倾角大
罔４过宙北１计地震削而州
由Ｊ。缺少邻井资料，此次试验选取雷北１井９８４～１０３４ｍ作为对比升段（她表２）。对比井 段钻』｝的组合为：６３１４ １ｍｍ５３７＝二牙轮钻头×０ ３１ｍ＋浮阀（６３０×７３０）ｘ０ ８１ｍ＋妒２８ ６ｍｍ 铺铤１柱ｘ２５ ８９ｍ＋７３ｌ ｘ６３０ ｘ０ ４９ｍ＋６３１２ｒａｍ挟正器１根×１ ７０ｍ＋６２０３ ２ｍｍ无磁钻铤
技术均为国外所垄断，使用费用高昂。难以突破的技术封
锁迫使我们必须自力更生，寻求多层次、多方面的突破。 在深入剖析现有技术的基础上，作者提出立足于我国实 际，发展槐械式鸯动囊壹钻井工具秘技术是一个霹籽的途
径。这项研究的开展对于推动国内科学化钻井的进程、打
破国外的技术垄断、增强国际竞争力、抢占技术制高点具
钻速。
一５０６一
机械式自动垂直钻井工具
三、现场试验
ｌ。侧向推靠力的测试
根据现场需要，本次研究试制了适用于１２×ｉｎ井眼的机械式自动垂宣钻井工具，其结构
参数见表１。
嚣蘩｛ｉ程，ｍｍ
１３
表１
１２×ｉｎ机械式自动垂直钻并Ｚ具的结构参数
王其最大井径，“№ ３菸
张开最丈外径，珊
３３１
』＝其整体长发，ｍ
３．０
ｌ根×８ ９１ｍ十啦０３ ２ｍｍ钻铤２柱ｘ
ｘ４５ ５５ ０６ｍ＋６３ｌ×４１０×０
４７ｍ＋６１７７ ８ｒａｍ钻铤１２／３柱
２９
０６ｍ＋旁通阀ｘ ０
４３ｍ＋４１１
ｘ
５２０×０ ３８ｍ十６１３９
７ｍｍ钻杆。钻Ｊ卜液密度为１
∥ｃｍ３，排鼍３０～３２Ｌ／ｓ，立管泵压９～ＩＯＭＰａ，转盘钻速７０ｒ／ｒａｉｎ。
表２对比井段结果
层位 须一段 井段，ｍ
９８４—１０３４
钻ⅡｋＮ
平均钻时，ｗｎ
机械钻建，ｍ／ｈ
在９４３ ５ｍ测探，电子单点测井斜为２
７８
试验井段所用钻具组合为：４＇３１４ １ｍｍ５３７三牙轮钻头×０ ２８ｍ＋（ｂ２８０ｍｍ垂钻ｆ”具×
３ ０ｍ＋４，２０３
——５０８——
２ｍｍ机械式随钻测斜仪×２ ６４ｍ十邮１Ｉｍｍ扶正器×１ ７０ｍ＋６２０３ ２ｍｍ钻铤１
表３试验井段结果
层位 缓三莰
ｌ蹬海一１０７ｌ
１８０＿２００ ２５．５３ ３４．４１
井段，ｍ ｌ谯１５一ｌ游４
钻压，ｋＮ ｌ∞一１４０
平均钻时，ｌａｉｎ 锵．１ｌ
机械钻潦。ｍ／ｈ
１．５０
井斜（。）
２．５ ２。５ ２．５州３．０
机械钻速提高幅度。％ ２５。配
９７．３４
２．黔
１．７４
须二段
１０７２一１１３８
四、结论
（１）现场试验结果表明，机械式自动燕直钻井工具的工作原理正确，结构可靠，井斜控制 精度满足现场钻井要求，实现了孵放钻压，提高钻速的技术目标。 ≤２）机械式自动垂直钻井工具的研制成功为粲决直辩的防斜抒抉阍题，提供了一耪瓶的
手段。
（３）着力完善细节，开展结构及钻井工具的优化设计研究，进一步掇高工具的可靠性和井 斜控制精度是今后机械式自动垂直钻井技术研究的重点。
机械式自动垂直钻井工具
韩来聚１倪红坚ｋ２许俊良１赵金海１
（１．胜利石油管理局钻井２１２艺研究院；２．中国石油大学（华东）石油ｉｆ－程学院）
【摘要】先了有效提高直弗镀井的速度粒质量，在分析现有技术的基础上，研制了机 械式鑫魂垂袁锚势王其，其原理麓逶霹感盛劳斜酶羲交售号，芽囊燕力鹱动撬行撬梅，到矮钻 弗液循环在钻棱内外形成的压羞，在钻拄旋转的情况下，推动活塞嚣囱高边并壁，对钻头施搬 指向井眼低边的周期性侧向力，实现在钻进过程中对井斜的适时修正。现场试验结果表明， 机械式自动垂随钻井工具的１二作原理ｉＦ确，结构町靠，能够在主动、适时防斜的同时，有效解 放钴压，提离锇速。该工具的研制成功为解决直弗灼防斜打快问题，提供了一种新的技术手 毅，共有广鬻憋蠛场疵蘑夔暴。 【关键词】藤茳钻并视械式井斜钻匿试验研究秽１．械铺速
图ｌ结构原理示意图 ｌ一转羧接头；２一导菠头；３一辘承； 聿一酴羲；５—心轴；６一内籁；
７一内筒挡板；８一卜懿阍； ９～下擞阀；１０—壳体；ｌｌ一释澈扎；
有重要的现实意义。
二、结构原理
基予现有技术的分析认识，研制了机械式自动垂直钻井 工具＜绍橱原理觅图１），该工具的上端穰下端分别与镔桂秘 钻头裙连，其原理是：如采并眼发生倾斜，配重４就会在其自
韩来聚：男＜汉族），１９６３年生，山东昌邑入，院长。教授级高置，博士，主要从事锚弗工艺技术研究。地址；山东省东营市
北一路２３６号胜利石油管域局钻井工艺研究｜糍（邮政编４ｆ马：２５７０１７）。联系电话：０５４６－８７０１８９５，Ｅ・咖Ｉｉｌ：ｈｉｊ蜀ｙ＊龇ｃｏｉｎ。
一５０５一
第七届石油钻井院所长会议论文集 ’言之，“自动化＋简单＋不影镌链井过程＋赢效＋经济效 益”是警今直井防斜绷斜技术发展的主要特征。自动垂直钻
术途径。
一、现有技术分析
目前常规直井防斜主要是用满眼钻具组合“薰压快钻”，以满保直，纠斜则用钟摆钻具组 合“轻压盼打”，以馒纵斜，其弊病楚用牺牲钴压穰舞巍本来换取小井斜，矮牺牲链速来换取井 身质量，井身质量与经济效益是对立的。虽然也溺现了塔式钻其、方钻铤、偏心铺铤、ＨＣＹ抗 斜器、偏轴防斜打快技术、柔性组合防斜打快技术、导向钻具防斜打快技术以及反钟摆防斜打 快技术等技术，但是Ｅｌｌ于均存在一定的局限性，难以普遍推广使用。总体来看，目前国内已出 现的防斜、纠斜技术尚不能从根本上勰决直井井斜的问题，现场遍切需要研发确实有效的直井 钻井王具程技术。 ＥｌＩ于常规直井防斜纠斜技术适用范围有限，融不能满足如高陡构造、深井等复杂情况下钻 直井的需要，而且人们也逐渐认识到，钻直井不是低成本及简单的钻井作业，迫切需要发展新 的防斜技术。薪的防斜技术应不但能防斜，而且还能打快，将优质和高效有效地统一起来，换
步具备进入现场试验应用的条件。
垂２试验瓣试装嚣示意爨
钻头压降，ＭＰａ
图３侧向推靠力随钻头压降的变化情况
一５∞一
第七届石油钻井院所长会议论文集
２．现场试验
２００７年５月１９口至２３日，机械式自动垂直钻井工具在雷北ｌ井进行了现场试验应用。
雷北１井足位于四川盆地川东断褶带黄盒ｕ构造带雷音铺构造北段轴部的一口预探井，设计
机械式良动垂直钻井王具 根×８．８３ｍ＋４，３ｌＯｍｍ扶ｊＥ器ｘ２．０７ｍ＋ｔ务２０３．２ｒａｍ钻铤５根ｘ４６．２１ｍ＋６３１
ｘ４１０ ｘＯ．４７ｍ＋
张绍槐．深井、超深井和复杂结构并垂直钻并技术（Ｊ］．石油钻探技术，２００５，３３（５）：１１一１５ 苏义脑．｛由气直井防斜打快技术一理论与实践［Ｍ］．北京：石油工业出版，２００３ 高德利．易斜地层防斜打快钻井理论与技术探讨［Ｊ］．石油钻探技术，２００７，３３（５）：１９—２２ 韩来聚，孙铭新，徐济镊等．犬颓囊地层防斜钶燕技零【ｊ】．蚕油钻探技术，２００１，２９（４）：３６—３８ 汪海阉，荔义麓．直著防籀拇抉瑶论研究递袋［１】．石洼学掇，２００４，２５（３）：８６－９０ 杨春旭，韩来聚，步玉环等，现代垂直钻井技术的新进展及发展方向［Ｊ】．石油钻探技术，２００７，３５（１）：１６一１９ 倪红坚，韩来聚，马清明．一种机械式自动垂直钻井工具［Ｐ］．中华人民共和国，实用新型， ＺＬ２００５２００８２１５９．９。２００６年５月３１ ｌａ
一弼９一
目前，我国石油产量的主要接替区主要分布在塔里木、准噶尔、西部柴达木、吐哈和川东北 等她送，这些地区油气资源埋藏深，地层倾角大，在寅井段的钻井过程中井身质量控镧难度大， 容易密现井斜超标、钻井成本叛及并下复杂情魏等闻题，因此发展耨的技术手段，提高油气钻 探效率，变得极为迫切。本文立足于实际，在分析现有技术的基础上，提出研制机械式自动垂 直钻井工具，发展自动垂直钻井技术，为直井钻进“防斜打快”问题的解决提供一个可行的技
１２一扇形偏心流道；１３一活寒缸￡捎缀；
１４一卿莲孔；１５一滔塞； ｜６一溪塞鑫入１２１；１７一瑟寨敷
身重力作用下，稳定在倾斜井眼的低边，上盘阀８的扇形偏心流道１２则稳定在井眼高边。钻 柱带动壳体１０和下盘阀９旋转，当上盘阀８上的扇形偏心流道１２与下盘阀９上的导流孔１１ 重含时，然挂内外高低压流体闻豹通遵被打开，高压钻并滚进入活塞赶１７，推动活塞１５靠自 高边井壁，井壁的反作用力使得钻头在并眼低边并壁上的切削量增加。当钻柱带动壳体ｌＯ和
盘阀９转动，使得下盘阀９上的导流孑Ｌ ｌｌ与上盘阀８上的扇形偏心流道１２错开，钻桂内外高
低压流体问的通道被关闭，高压钻井液不能驱动活塞１５推靠井壁，因此钻头在井眼低边井壁 泼终区域的切麓量不会增嬲。镭柱持续旋转，上述过程循环茬复，活塞１５被钻并滚锤环在钻 柱内外形成的压差驱动，髑期性推靠高边并壁，对钻头施加指向井眼低边的周期性侧向力，使
ｌ∞一２００
在１１３６ｍ测深，电子单点测井斜为３．０。
分析裘３数据发现，在霹晓共段（须家河组三段Ｂ。，），工吴试验对钻蘧加大至１８。～∞。 ｌ【Ｎ时，机械钻速提高达９７．３４％，井斜控制在２．５。一３．０。，井斜控制精度（＝３．０。）满足现场钻 井要求，实现了解放钻压，提高钻速的技术目标。在钻井过程中，扭矩、泵压、钻井液密度等各 项钻井参数平稳，未见异常，起钻观察外观、推靠巴掌及密封等部件均藏常，工具本体经检验也 来觅损伤，诞明工其结构可靠，霹满足现场的使用条件。 试验结果显示，杭械式自动垂直镳势工舆魄工作原理落确，结构可靠，使用该工具巍将并斜 控制在设计要求范围内的同时，显著地提高了钻井速度，说明工具的“防斜打快”效果非常显著， 机械式自动垂直钻井工具的研制成功为解决直井的防斜打快问题，提供了一种新的手段。
井深４０２８ｍ，由滇黔桂钻片二公司５０７７２ＤＧ Ｊ｝队施＿：ｒ＝。此次试验井段（１０３４ （见图４），易井斜。
５６～１１３７
５６ｍ）
为须家河组（…Ｉ，。），岩性为灰黑色泥岩央灰色细沙岩，质地坚硬，岩石可钻性差，地层倾角大
罔４过宙北１计地震削而州
由Ｊ。缺少邻井资料，此次试验选取雷北１井９８４～１０３４ｍ作为对比升段（她表２）。对比井 段钻』｝的组合为：６３１４ １ｍｍ５３７＝二牙轮钻头×０ ３１ｍ＋浮阀（６３０×７３０）ｘ０ ８１ｍ＋妒２８ ６ｍｍ 铺铤１柱ｘ２５ ８９ｍ＋７３ｌ ｘ６３０ ｘ０ ４９ｍ＋６３１２ｒａｍ挟正器１根×１ ７０ｍ＋６２０３ ２ｍｍ无磁钻铤
技术均为国外所垄断，使用费用高昂。难以突破的技术封
锁迫使我们必须自力更生，寻求多层次、多方面的突破。 在深入剖析现有技术的基础上，作者提出立足于我国实 际，发展槐械式鸯动囊壹钻井工具秘技术是一个霹籽的途
径。这项研究的开展对于推动国内科学化钻井的进程、打
破国外的技术垄断、增强国际竞争力、抢占技术制高点具
钻速。
一５０６一
机械式自动垂直钻井工具
三、现场试验
ｌ。侧向推靠力的测试
根据现场需要，本次研究试制了适用于１２×ｉｎ井眼的机械式自动垂宣钻井工具，其结构
参数见表１。
嚣蘩｛ｉ程，ｍｍ
１３
表１
１２×ｉｎ机械式自动垂直钻并Ｚ具的结构参数
王其最大井径，“№ ３菸
张开最丈外径，珊
３３１
』＝其整体长发，ｍ
３．０
ｌ根×８ ９１ｍ十啦０３ ２ｍｍ钻铤２柱ｘ
ｘ４５ ５５ ０６ｍ＋６３ｌ×４１０×０
４７ｍ＋６１７７ ８ｒａｍ钻铤１２／３柱
２９
０６ｍ＋旁通阀ｘ ０
４３ｍ＋４１１
ｘ
５２０×０ ３８ｍ十６１３９
７ｍｍ钻杆。钻Ｊ卜液密度为１
∥ｃｍ３，排鼍３０～３２Ｌ／ｓ，立管泵压９～ＩＯＭＰａ，转盘钻速７０ｒ／ｒａｉｎ。
表２对比井段结果
层位 须一段 井段，ｍ
９８４—１０３４
钻ⅡｋＮ
平均钻时，ｗｎ
机械钻建，ｍ／ｈ
在９４３ ５ｍ测探，电子单点测井斜为２
７８
试验井段所用钻具组合为：４＇３１４ １ｍｍ５３７三牙轮钻头×０ ２８ｍ＋（ｂ２８０ｍｍ垂钻ｆ”具×
３ ０ｍ＋４，２０３
——５０８——
２ｍｍ机械式随钻测斜仪×２ ６４ｍ十邮１Ｉｍｍ扶正器×１ ７０ｍ＋６２０３ ２ｍｍ钻铤１
表３试验井段结果
层位 缓三莰
ｌ蹬海一１０７ｌ
１８０＿２００ ２５．５３ ３４．４１
井段，ｍ ｌ谯１５一ｌ游４
钻压，ｋＮ ｌ∞一１４０
平均钻时，ｌａｉｎ 锵．１ｌ
机械钻潦。ｍ／ｈ
１．５０
井斜（。）
２．５ ２。５ ２．５州３．０
机械钻速提高幅度。％ ２５。配
９７．３４
２．黔
１．７４
须二段
１０７２一１１３８
四、结论
（１）现场试验结果表明，机械式自动燕直钻井工具的工作原理正确，结构可靠，井斜控制 精度满足现场钻井要求，实现了孵放钻压，提高钻速的技术目标。 ≤２）机械式自动垂直钻井工具的研制成功为粲决直辩的防斜抒抉阍题，提供了一耪瓶的
手段。
（３）着力完善细节，开展结构及钻井工具的优化设计研究，进一步掇高工具的可靠性和井 斜控制精度是今后机械式自动垂直钻井技术研究的重点。
机械式自动垂直钻井工具
韩来聚１倪红坚ｋ２许俊良１赵金海１
（１．胜利石油管理局钻井２１２艺研究院；２．中国石油大学（华东）石油ｉｆ－程学院）
【摘要】先了有效提高直弗镀井的速度粒质量，在分析现有技术的基础上，研制了机 械式鑫魂垂袁锚势王其，其原理麓逶霹感盛劳斜酶羲交售号，芽囊燕力鹱动撬行撬梅，到矮钻 弗液循环在钻棱内外形成的压羞，在钻拄旋转的情况下，推动活塞嚣囱高边并壁，对钻头施搬 指向井眼低边的周期性侧向力，实现在钻进过程中对井斜的适时修正。现场试验结果表明， 机械式自动垂随钻井工具的１二作原理ｉＦ确，结构町靠，能够在主动、适时防斜的同时，有效解 放钴压，提离锇速。该工具的研制成功为解决直弗灼防斜打快问题，提供了一种新的技术手 毅，共有广鬻憋蠛场疵蘑夔暴。 【关键词】藤茳钻并视械式井斜钻匿试验研究秽１．械铺速
图ｌ结构原理示意图 ｌ一转羧接头；２一导菠头；３一辘承； 聿一酴羲；５—心轴；６一内籁；
７一内筒挡板；８一卜懿阍； ９～下擞阀；１０—壳体；ｌｌ一释澈扎；
有重要的现实意义。
二、结构原理
基予现有技术的分析认识，研制了机械式自动垂直钻井 工具＜绍橱原理觅图１），该工具的上端穰下端分别与镔桂秘 钻头裙连，其原理是：如采并眼发生倾斜，配重４就会在其自
韩来聚：男＜汉族），１９６３年生，山东昌邑入，院长。教授级高置，博士，主要从事锚弗工艺技术研究。地址；山东省东营市
北一路２３６号胜利石油管域局钻井工艺研究｜糍（邮政编４ｆ马：２５７０１７）。联系电话：０５４６－８７０１８９５，Ｅ・咖Ｉｉｌ：ｈｉｊ蜀ｙ＊龇ｃｏｉｎ。
一５０５一
第七届石油钻井院所长会议论文集 ’言之，“自动化＋简单＋不影镌链井过程＋赢效＋经济效 益”是警今直井防斜绷斜技术发展的主要特征。自动垂直钻
术途径。
一、现有技术分析
目前常规直井防斜主要是用满眼钻具组合“薰压快钻”，以满保直，纠斜则用钟摆钻具组 合“轻压盼打”，以馒纵斜，其弊病楚用牺牲钴压穰舞巍本来换取小井斜，矮牺牲链速来换取井 身质量，井身质量与经济效益是对立的。虽然也溺现了塔式钻其、方钻铤、偏心铺铤、ＨＣＹ抗 斜器、偏轴防斜打快技术、柔性组合防斜打快技术、导向钻具防斜打快技术以及反钟摆防斜打 快技术等技术，但是Ｅｌｌ于均存在一定的局限性，难以普遍推广使用。总体来看，目前国内已出 现的防斜、纠斜技术尚不能从根本上勰决直井井斜的问题，现场遍切需要研发确实有效的直井 钻井王具程技术。 ＥｌＩ于常规直井防斜纠斜技术适用范围有限，融不能满足如高陡构造、深井等复杂情况下钻 直井的需要，而且人们也逐渐认识到，钻直井不是低成本及简单的钻井作业，迫切需要发展新 的防斜技术。薪的防斜技术应不但能防斜，而且还能打快，将优质和高效有效地统一起来，换
步具备进入现场试验应用的条件。
垂２试验瓣试装嚣示意爨
钻头压降，ＭＰａ
图３侧向推靠力随钻头压降的变化情况
一５∞一
第七届石油钻井院所长会议论文集
２．现场试验
２００７年５月１９口至２３日，机械式自动垂直钻井工具在雷北ｌ井进行了现场试验应用。
雷北１井足位于四川盆地川东断褶带黄盒ｕ构造带雷音铺构造北段轴部的一口预探井，设计
机械式良动垂直钻井王具 根×８．８３ｍ＋４，３ｌＯｍｍ扶ｊＥ器ｘ２．０７ｍ＋ｔ务２０３．２ｒａｍ钻铤５根ｘ４６．２１ｍ＋６３１
ｘ４１０ ｘＯ．４７ｍ＋