0 引言

随着石油勘探开发领域的不断拓展与深入，山前高陡构造和大倾角地层钻井过程中发生的井斜将直接影响井身质量和钻井速度，钻井过程中的防斜打快一直是钻井工程中的主要难题之一，国内学者就此提出了一些防斜打快的方法^[1-3]，但应用效果不佳。自动垂直钻井工具是集机、电、液一体化的自主纠斜和稳斜的钻井工具系统，它能够有效解决防斜打快这一困扰钻井工程界的难题。

宝鸡石油机械有限责任公司将“全旋转推靠式自动垂直钻井工具系统”作为一项高端油气钻井装备项目进行了攻关，制造了工具样机。该样机由外筒、全密封悬架支撑单元、涡轮发电机单元、测控存单元及执行机构单元等组成。该工具在保障垂直钻井要求的同时，在降低钻井轴向摩阻、提高井眼清洁度、提高机械钻速及释放钻压方面效果明显。但工具样机整体性能的实现及其定型研究开发不可避免地要遵循一个从地面试验到现场试验的过程^[4]。为了保证工具系统研究成功，有必要通过模拟现场工况来验证工具系统的整体性能是否满足设计要求。研制自动垂直钻井工具系统整体式多功能试验台架就是为了模拟现场工况。台架模拟转盘旋转部分在变频电机的带动下使工具旋转，模拟井斜角调整部分使工具倾斜一定角度，模拟清水循环部分用清水模拟钻井液进入工具内执行机构推力板，可在井斜高边打开、在底边缩回，实现工具纠斜和稳斜的功能，数据监测及采集部分能采集系统进水流量、回水流量、压力及纠斜推靠力等参数。

1 总体结构设计及特点

垂直钻井工具系统是基于自动控制原理和自主式导向的防斜打直钻井工具，在保证不降低正常钻压的情况下，完成近钻头井斜、方位及工具面角的测量，井身轨迹自主防斜与纠斜，确保钻成的直井段最大井斜角不超过1.0°。

工具整体性能试验台架结构如图 1所示。其中，清水循环部分模拟钻井液排量循环变化；模拟转盘旋转部分模拟钻井工具旋转工况；模拟井斜角调整部分模拟钻井工具空间姿态工况；数据监测及采集部分实时测量钻井工具重要参数并输入计算机显示给操作者。

2 功能的实现及人机交互软件设计 2.1 变频控制清水循环

在钻井工程中，钻井液流量必须满足不同地质条件和钻井工艺要求，故流量呈现出宽范围变化的本质特征。流量的变化必然导致涡轮转速的变化，涡轮力矩发电机的电磁转矩也随之变化，容易导致稳定平台的控制失稳。故而在一定泵排量范围模拟涡轮发电机对稳定平台的稳定控制，对实现工具系统的纠斜和稳斜功能显得尤为重要^[5-7]。

变频控制清水循环部分主要给自动垂直钻井工具提供水循环动力并控制其压力和流量，使自动垂直钻井工具实现模拟钻井工具循环工况功能，实现模拟涡轮发电机工况的功能，检验工具在水力驱动下试验时对排量范围的适应能力，研判工具系统控制方法和控制参数对不同排量范围的适应性，为工具性能满足钻井工程要求提供保障。

台架模拟清水循环试验系统如图 2所示。选用额定功率400 kW、额定转速2 988 r/min的离心泵变频电机驱动离心泵旋转，通过变频改变多级耐腐蚀离心泵的转数来模拟实际钻井中钻井液流量的变化。多级耐腐蚀离心泵用于自动垂直钻井工具试验台清水的循环，为试验台提供水循环动力。系统额定工作压力为5 MPa，最大输出排量45 L/s，泵为卧式安装，运行平稳，水压和排量持续稳定。采用高压型涡流流量计，量程为30~300 m³/h，可显示瞬时流量和累积流量，输出标准信号4~20 mA；同时采用精小型压力变送器，可直接安装在需测量的管道上，流量和压力数据经采集器后输入计算机。

2.2 台架模拟转盘旋转

如图 3所示，为实现模拟钻井工具旋转工况的功能，提供模拟转盘旋转动力并控制工具旋转速度，在台架上设计了模拟转盘旋转装置。该装置具有模拟转盘使工具旋转的功能，且能够实时测量和控制工具的转速，可在相对“真实”的钻井工况下进行工具纠斜和稳斜功能的调试，为工具现场试验奠定基础。考虑到工具组装到试验台架上的轴承等形成的综合阻力矩较大，要实现工具的旋转比较困难，设计时齿轮传动比达到5:1，采用额定功率4 kW、转速2 500 r/min的转盘变频电机，以克服综合阻力矩使模拟转盘装置能驱动工具旋转。采用非接触式光电霍耳传感器测量转盘转速(工具转速)，4个磁钢固定于转动轴外侧，正对传感头。转轴转1周，则传感头输出4个脉冲，送入配套的SMGV4-350R-P1-O1型转速变送器，输出4~20 mA标准信号，采集信息录入计算机。

2.3 推靠力的测量

自动垂直钻井技术是解决防斜打快最为有效的一种技术，其中纠斜推靠力是实现纠斜的关键。纠斜推靠力的作用是克服地层造斜力对井眼垂直度的影响，若井斜超出容许范围，则系统必须施加准确的推力及时地纠斜，否则系统将以相等推力支撑井壁保持其垂直状态^[8-9]。全旋转推靠自动垂直钻井工具系统在转盘驱动下旋转，当井斜角超过设定范围，则高压流道孔在井眼高边打开，将推力板推靠到井眼高边，推靠力迫使钻头切削井眼低边，完成纠斜的功能指令。若井斜角未超出设定范围，则推力板交替推靠井壁，达到了稳斜的效果^[10]。

设计时测力套不随工具旋转，将3个测力传感器固定在测力套内部，每个传感器对应测量1个推力板的推靠力，推力板旋转到井眼高边时推出，撞击固定在高边方位的压力传感器，信号经过采集传输录入计算机。测力传感器采用轮辐式称重传感器，供电电压12 V，输出4~20 mA电流，测量额定载荷10~70 kN，具有抗侧向力和偏载的能力以及精度高的特点。如果测得的推力板推靠力过小，达不到推靠力不小于15 kN的要求，就要在台架清水循环时增大排量或者提高泵压力，反之就要对工具执行机构流道重新设计，如此反复直到测得的推靠力达到要求为止。

2.4 台架模拟井斜角调整

采用角度调整结构能将驱动机构和稳定平台结构调整到一定角度，实现模拟钻井工具空间姿态功能。采用模拟井斜角读取结构能够快速读取井斜角角度，使得工具系统的测试更加接近钻井工况。

采用梯形螺纹的丝杠和螺母可快速调节模拟井斜角度，设计指针和刻度盘，能准确读取井斜角度数。模拟井斜角调整装置的井斜角调节范围为±8°。

2.5 人机交互软件设计

软件设计主要包括设备控制和设备状态显示2方面。设备控制(见图 4) 主要包括清水循环电机驱动、离心泵变频驱动、涡轮电机驱动及模拟转盘旋转变频电机驱动等。

设备状态显示(见图 5) 主要是将传感器输出信号(台架清水循环的进水流量、出水流量、压力、工具转速、模拟转盘电机频率、清水循环电机转速和推靠力等设备的运行状况参数) 采用远程数据采集模块进行采集，并输出制动器控制电流信号，转换模块将输出信号的模式进行转换，通过COM口将信号传送至计算机并显示给操作者。监测单元各传感器置于相应测试点，信号处理单元、变送单元、采集模块、无线数传接收模块、稳流电源、通信转换模块及电源模块都置于采集器中，信号采集处理后转换为USB协议与计算机通信。

测试数据通过串口送至管理计算机，利用VB编制系统管理软件。采集管理软件后台数据库选用Microsoft Access数据库，编程语言选用Microsoft Visual Basic 6.0。其主要功能由试验台数据采集模块、工具内数据实时采集模块、工具内数据下载模块、传感器标定模块、参数设置模块及数据浏览分析模块等6大模块实现。

3 地面试验

工具安装到试验检测装置上并倾斜1°，连接数据采集线路，模拟转盘装置使工具旋转；开启试验变频泵，调频至7 Hz时开始清水循环试验，泵变频频率逐步升高，采集频率、进水流量、转盘转速及推靠力等数据。

试验台架模拟内容：排量20~45 L/s，转盘转速60~200 r/min (无级调速)，井斜角±8°，井斜角精度±0.2°，侧向推靠力≥15 kN (单推力板)，力精度±0.5 kN，变频电机转速0~2 500 r/min，压力量程0~10 MPa，压力灵敏度0.2 MPa。

在试验台架上对工具进行了泵排量适应范围、推靠力测量、工具整体性能以及工具倾斜1°控制性能等测试试验。试验结果表明：试验台架能建立清水循环模拟钻井液流量的变化、模拟转盘转速的变化以及模拟井斜的变化，使工具的测试更贴近实际钻井工况；能实时测量工具执行机构巴掌推靠力；得出了工具适应钻井液的排量及转盘的转速范围，实现了工具在井斜角1°下的纠斜和稳斜功能。

4 结论

(1) 整体性能试验台架采用多级耐腐蚀离心泵为主的清水循环系统，通过变频来模拟钻井液流量的变化，确定工具对排量的适应范围；采用模拟转盘旋转装置模拟工具旋转的工况；采用压力传感器测量执行机构的侧向推力，起到纠斜力定量的作用；采用人机交互软件将流量、转速和纠斜力等参数实时显示给操作者，提高了试验的精确性和效率。

(2) 整体性能试验台架是集机、电、液一体化的试验检测装置，可有效模拟实际钻井工况，使工具的测试在相对真实的工况下进行，实现了工具纠斜和稳斜的基本功能。

(3) 地面试验结果表明：整体性能试验台架设计合理，功能齐全，满足了自动垂直钻井工具系统的功能试验要求，缩短了工具研发周期。