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　　石 油 机 械 2017 年 第 45 卷 第 2 期 CHINA PETROLELM MACHINERY — 13 — ◄钻井技术与装备 ► 自动垂直钻井工具系统整体性能试验台架设计 王 小 通 u 王 闻 涛 u 孟 瑞 斌 2 杨 晓 勇 2 闫 文 辉 3 周 亚 辉 u 卞 志 楠 2 ( 1 . 国家油气钻井装备工程技术研究中心2 . 宝鸡石油机械有限责任公司 3 . 西安石油大学） 摘要 ：为了验证自动垂直钻井工具系统的整体性能是否满足设计要求，研制了自动垂直钻井 工具系统整体性能多功能试验台架。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 变频来模拟实际钻井中钻井液流量的变化，确定工具对排量的适应范围；采用模拟转盘旋转装置 有效模拟实际钻井中工具旋转的工况。地面试验结果表明：该台架设计合理，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。所得结论可为自动直钻井工具系 统的现场应用提供参考。 关键词 ： 自动垂直钻井工具；性能试验；变频控制；清水循环；纠斜；井斜角 中图分类 ：T E 9 2 1 文献标识码 ：入 如 ：1 0 .1 6 0 8 2 /】. :（吐 [ ^ 吼 .1 0 0 卜4 5 7 8 .2 0 1 7 .0 2 .0 0 4 Design of Integrative Performance Test Rack for Automatic Vertical Dri ing Tool System W ang Xiaotong1,2 W ang W entao1,2 Meng R uibin2 Yang Xiaoyong2 Yan W enhui3 Zhou Y ahui1,2 Bian Zhinan2 ( 1. National Engineering Research Center for OH and Gas Drilling Equipment ； 2 . CNPC Baoji Oilfield Machinery Co. , Ltd . ； 3. Xi’an Shiyou University) Abstract ：An automatic m ulti-function test rack lor vertical drilling t l system has been developed to verily whether the overall perform ance oi the automatic vertical drilling t l system meets the design requirem ents. The test rack has the water circulation system with m ulti-stage corrosion-resistance centrifugal pum p, which can sim ulate the change ol the drilling fluid flow in the actual drilling through the frequency conversion to determ ine the applica­ ble range ol the t l to the displacem ent. The rotary table sim ulation device could sim ulate the rotating conditions ol t ls during drilling. The ground test results show that the rack could m eet the functional testing requirem ents of au­ tomatic vertical drilling t l system with rational design and com plete function, which could shorten the t l devel­ opment cycle. The conclusions could provide references for the field application of automatic drilling t l system. Key words ：automatic vertical drilling t l; perform ance test; frequency conversion control ；water circula­ tion ； hole straightening ；hole inclination 就此提出了一些防斜打快的方法[_3]，但应用效果 0 引 百 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 随着石油勘探开发领域的不断拓展与深人，山 防斜打快这一困扰钻井工程界的难题。 前高陡构造和大倾角地层钻井过程中发生的井斜将 宝鸡石油机械有限责任公司将“全旋转推靠 直接影响井身质量和钻井速度，钻井过程中的防斜 式自动垂直钻井工具系统”作为一项高端油气钻 打快一直是钻井工程中的主要难题之一，国内学者 * 井装备项目进行了攻关，制造了工具样机。该样机 * 基金项目：陕西省企业技术中心创新四大工程建设专项资金资助项目“ 自动垂直钻井系统研制” （陕工信发（2010) 396号）；国家 油气钻井装备技术研究中心项目“ 自动垂直钻井工具的研制” （ 2015-16 )。 一 14 一 石 油 机 械 2017年 第 45卷 第 2 期 由外筒、全密封悬架支撑单元、涡轮发电机单元、 显示给操作者。 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 2 功 能 的 实 现 及 人 机 交 互 软 件 设 计 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 2. 1 变频控制清水循环 不可避免地要遵循一个从地面试验到现场试验的过 在钻井工程中，钻井液流量必须满足不同地质 程[4]。为了保证工具系统研究成功，有必要通过 条件和钻井工艺要求，故流量呈现出宽范围变化的 模拟现场工况来验证工具系统的整体性能是否满足 本质特征。流量的变化必然导致涡轮转速的变化， 设计要求。研制自动垂直钻井工具系统整体式多功 涡轮力矩发电机的电磁转矩也随之变化，容易导致 能试验台架就是为了模拟现场工况。台架模拟转盘 稳定平台的控制失稳。故而在一定泵排量范围模拟 旋转部分在变频电机的带动下使工具旋转，模拟井 涡轮发电机对稳定平台的稳定控制，对实现工具系 斜角调整部分使工具倾斜一定角度，模拟清水循环 统的纠斜和稳斜功能显得尤为重要[5_7]。 部分用清水模拟钻井液进人工具内执行机构推力 变频控制清水循环部分主要给自动垂直钻井工 板，可在井斜高边打开、在底边缩回，实现工具纠 具提供水循环动力并控制其压力和流量，使自动垂 斜和稳斜的功能，数据监测及采集部分能采集系统 直钻井工具实现模拟钻井工具循环工况功能，实现 进水流量、回水流量、压力及纠斜推靠力等参数。 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 1 总 体 结 构 设 计 及 特 点 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。 垂直钻井工具系统是基于自动控制原理和自主 台架模拟清水循环试验系统如图2 所示。选用 式导向的防斜打直钻井工具，在保证不降低正常钻 额定功率400 kW 、额定转速2 988 r/m in 的离心泵 压的情况下，完成近钻头井斜、方位及工具面角的 变频电机驱动离心泵旋转，通过变频改变多级耐腐 测量，井身轨迹自主防斜与纠斜，确保钻成的直井 蚀离心泵的转数来模拟实际钻井中钻井液流量的变 段最大井斜角不超过1.0。。 化。多级耐腐蚀离心泵用于自动垂直钻井工具试验 工具整体性能试验台架结构如图1 所示。其 台清水的循环，为试验台提供水循环动力。系统额 中，清水循环部分模拟钻井液排量循环变化；模拟 定工作压力为5 MPa ，最大输出排量45 L/s ，泵为 转盘旋转部分模拟钻井工具旋转工况；模拟井斜角 卧式安装，运行平稳，水压和排量持续稳定。采用 调整部分模拟钻井工具空间姿态工况；数据监测及 高压型涡流流量计，量程为30〜300 m3/h ，可显示 采集部分实时测量钻井工具重要参数并输人计算机 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人计算机。 1 一变频控制清水循环部分； 2 — 变频控制部分； 1一水箱；2—变频电机及离心泵；3—三通；4 、5—截止阀；6 、 3—模拟转盘旋转部分；4一推靠力测量部分； 5 — 12—流量计；7、 11 一压力表；8—垂直钻井工具；9一上涡轮发电 数据监测及采集部分；6—模拟井斜角调整部分。 机；10—下涡轮发电机；13 、15—流量传感器；14一数据采集器。 图 1 整体性能试验台架结构图 图 2 台架模拟清水循环试验系统图 Fig. 1 Structure of the overall performance test rack Fig. 2 Water cycle test simulation system of the test rack 2017年 第 45卷 第 2 期 王小通等：自动垂直钻井工具系统整体性能试验台架设计 — 15 — 2. 2 台架模拟转盘旋转

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