國內(nèi)外典型自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)技術(shù)分析與比較

李志彬

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

隨著石油勘探開采的難度增大，深層油氣開發(fā)中易斜地層的防斜打快問題、海上油氣開發(fā)中的直井段防斜和高密度叢式井防碰打直問題，都是制約深層油氣勘探開發(fā)的重要因素[1-2]。由于常規(guī)防斜手段無法真正滿足復(fù)雜地層及井身?xiàng)l件鉆直井的需要，自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)的出現(xiàn)完美地解決了問題。目前，商用自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)工具主要掌握在國外油服公司手中[3-7]。隨著國內(nèi)石油公司及科研院所對自動(dòng)垂直鉆井技術(shù)研究能力的提升，推出的系統(tǒng)工具雖然有待完善，但商業(yè)應(yīng)用前景廣闊[8-12]。針對國內(nèi)外發(fā)展較為成熟的10 種自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)介紹和對比分析。

1 國外典型自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)

1.1 Verti-Trak系統(tǒng)

1.1.1 技術(shù)介紹

Vert i-Trak作為一種機(jī)電液一體化式的閉環(huán)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，將AutoTrak 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、高性能XTreme 馬達(dá)和MWD 3 種技術(shù)結(jié)合起來，通過鉆頭推靠方式進(jìn)行糾斜，因此也成為了貝克休斯最先進(jìn)的垂直鉆井系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 Verti-Trak系統(tǒng)

Verit-Trak 系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括：3個(gè)可伸縮導(dǎo)向肋條、X-treme 動(dòng)力節(jié)、MWD 重力傳感器。其工作原理是：1～2 個(gè)可伸縮導(dǎo)向肋條在液壓作用下伸出作用于井壁，以此來對抗鉆進(jìn)時(shí)的井斜趨勢；當(dāng)井眼垂直時(shí)，工具上的3個(gè)導(dǎo)向肋條同時(shí)作用于井壁，保證鉆頭垂直居中鉆進(jìn)。當(dāng)進(jìn)入劃眼工作模式時(shí)，3 個(gè)肋板全部收回[13-16]。整個(gè)過程中，MWD 負(fù)責(zé)監(jiān)測跟蹤反饋鉆進(jìn)時(shí)的井斜變化。

1.1.2 應(yīng)用情況

Verti-Trak垂直鉆井系統(tǒng)目前主要有171.45 mm（6?"）和241.3 mm（9?"）（1"=25.4 mm）。作為國外最成熟的垂直鉆井系統(tǒng)之一，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用且效果顯著。在意大利BIGBORN地區(qū)，609.6 mm（24"）和444.5 mm（17.5"）井段到2 200 m 的目標(biāo)內(nèi)井斜小于4°，比設(shè)計(jì)工期節(jié)省28 d。在南美Macueta 1001bis井558.8 mm（22"）和406.4 mm（16"）井段，鉆進(jìn)2 176 m，井眼保持垂直，406.4 mm（16"）井眼鉆進(jìn)機(jī)械鉆速增加200%～300%，作業(yè)周期節(jié)約17 d。在加拿大Anadarko Dawson某井中，215.9 mm（8?"）井眼鉆進(jìn)1 659 m，在全程糾斜作用下實(shí)現(xiàn)最大井斜0.35°，鉆井時(shí)間比鄰井減少28% 。在墨西哥灣Chevron 公司某深水井中，Verti-Trak 垂直鉆井系統(tǒng)在3 505.20～3 870.96 m鹽層段鉆出了高質(zhì)量的垂直井眼，創(chuàng)下了墨西哥灣地區(qū)的新紀(jì)錄。

國內(nèi)多個(gè)油田的油氣井應(yīng)用過Verti-Trak 系統(tǒng)。從應(yīng)用效果看，井斜基本控制在2°以內(nèi)，機(jī)械鉆速得到了有效提高。例如在大灣1 井應(yīng)用中，其平均機(jī)械鉆速提高了3 倍，全程井斜角最大0.55°，鉆壓由之前的60～80 kN釋放到200～280 kN，這是常規(guī)糾斜工具組合所達(dá)不到的。

1.2 Power-V系統(tǒng)

1.2.1 技術(shù)介紹

Power-V系統(tǒng)的基礎(chǔ)是斯倫貝謝Power Drive系列旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。Power-V系統(tǒng)主要由電子控制部分和機(jī)械部分組成，分別位于工具的上下端，其中電子控制部分是Power-V系統(tǒng)的指揮中樞。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是“全自動(dòng)化”：自動(dòng)追蹤鉆進(jìn)井斜變化，自動(dòng)設(shè)定和調(diào)整工具側(cè)向力，使井眼軌跡快速返回垂直狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 Power-V系統(tǒng)

泥漿導(dǎo)流閥和3個(gè)推力塊構(gòu)成該工具的機(jī)械執(zhí)行裝置。電子控制部分的控制軸決定導(dǎo)流閥的方向。導(dǎo)流閥負(fù)責(zé)分流泥漿，這部分泥漿流向轉(zhuǎn)到該方向的某個(gè)推力塊并將其推出，依靠井壁對鉆頭產(chǎn)生的側(cè)向力實(shí)現(xiàn)地面工程師所需要的方位。當(dāng)推力塊轉(zhuǎn)過這個(gè)位置并縮回后，下一個(gè)推力塊重復(fù)剛才伸出的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)“全自動(dòng)化”的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向功能。

1.2.2 應(yīng)用情況

Power-V工具在國外市場已得到普遍認(rèn)可。在北海、阿聯(lián)酋油田超2 000 m 井段的應(yīng)用中井斜角控制在1°以內(nèi)。在南美洲某井中，一趟下鉆打完井段1 121.66 m，最大井斜0.2°、水平位移0.3 m。Italy Miglianico 2 號井鉆406.4 mm(16")井眼時(shí)，Power-V工具僅下井一次，鉆進(jìn)1 736 m，機(jī)械鉆速比周圍井的平均機(jī)械鉆速高21%，井斜角未超過1°。國內(nèi)在塔里木、柴達(dá)木、普光氣田、川東北、川西高陡地區(qū)、玉門油田、大慶油田及海上油田等都成功應(yīng)用過Power-V 系統(tǒng)，井斜基本都控制在1.5°以下，平均機(jī)械鉆速提高2～4倍，大幅節(jié)省鉆井工期[17-24]。優(yōu)異的井斜控制效果使其成為國內(nèi)外商業(yè)應(yīng)用最成功的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)之一。

1.3 機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)

1.3.1 技術(shù)介紹

近年，降低鉆井成本逐漸成為鉆井企業(yè)生存的要求。類似Power V、Verti-Trak 等工具均含有復(fù)雜的井下電子控制系統(tǒng)，對工具性能要求極高，造價(jià)及后期維護(hù)成本高。而機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)具有成本低、耐高溫、適用性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)[25-26]。目前，典型的機(jī)械式自動(dòng)垂直鉆井工具主要有Scout Downhole 公司的Vertical Scout、Halliburton公司的V-Pilot和Verti Steer。這3種工具都是采用靜態(tài)推靠式設(shè)計(jì)，通過高壓鉆井液以不同引流方式推動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)作，從而提高工具的糾斜能力。

其中，Vertical Scout系統(tǒng)工具主要由芯軸、徑向軸承、止推軸承、靜止外套、偏重機(jī)構(gòu)和推靠機(jī)構(gòu)組成，如圖3 所示。配流接頭負(fù)責(zé)把提供推靠力的高壓鉆井液進(jìn)行分流，盤閥對過流的鉆井液進(jìn)行控制，推靠板在偏重塊和盤閥共同作用下推向井眼高邊，從而進(jìn)行井眼糾斜。理論上，該工具的糾斜能力在井斜超過0.06°后達(dá)到最大。

圖3 Vertical Scout工具主要結(jié)構(gòu)

V-Pilot 系統(tǒng)主要由垂直鉆井部分和改良的Geo-Force馬達(dá)構(gòu)成。當(dāng)井斜超過0.2°時(shí)，鐘擺偏重總成和閥門總成被激活，控制墊片總成中的4 個(gè)活塞導(dǎo)向塊獨(dú)立或協(xié)同推向井壁進(jìn)行糾斜作業(yè)。由此可見該工具的糾斜靈敏度很高（圖4）。與V-Pilot不同的是，類似Vertical Scout 的雙層弧面推靠板方案被Verti Steer 工具的推靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)所采用，工具的穩(wěn)定可靠性更加突出，工作耐溫可達(dá)232 ℃。

圖4 V-Pilot系統(tǒng)垂直鉆井部分

1.3.2 應(yīng)用情況

目前，Vertical Scout 工具在北美地區(qū)數(shù)百口井的應(yīng)用中，機(jī)械鉆速得到較大提高。該工具配合螺桿馬達(dá)和PDC鉆頭，成功解決了山前高陡髙斜地質(zhì)構(gòu)造容易導(dǎo)致大井斜、大狗腿的問題。在加拿大Crooked Hole Country 地區(qū)某井222.25 mm(8?")直井井眼鉆探中，最大井斜小于0.5°，最大水平位移僅有4.3 m。該系統(tǒng)在USA-Lea County 區(qū)塊的一口井中用于側(cè)鉆糾斜也取得了很好的效果。

V-Pilot 工具在加拿大Alberta 地區(qū)的一口直井作業(yè)過程中，在鉆出高質(zhì)量井眼的同時(shí)井斜基本保持在0.5°以內(nèi)，機(jī)械鉆速為7 m/h，是該油田的平均之最。加拿大Komie 地區(qū)某水平井直井段作業(yè)中，全程井斜控制在0.2°～0.5°；平均機(jī)械鉆速接近65 m/h。阿曼石油公司某井311.15 mm（12?"）井眼從637 m 鉆進(jìn)至1 659 m，最大井斜0.7°，平均井斜0.3°。Verti Steer 鉆井工具投入市場后，先后在Papua New Guinea 的超高壓頁巖構(gòu)造帶上進(jìn)行了444.5 mm（17?"）井眼的糾斜作業(yè)和311.15 mm（12?"）井眼的直井作業(yè)，成功克服了地層高對自然造斜率的不利影響。

雖然純機(jī)械自動(dòng)垂直鉆井工具在應(yīng)用過程中機(jī)械鉆速提升明顯，但也有自己的問題。由于工具中沒有電子儀器，在一定程度上影響了糾斜效果；同時(shí)井下工具的工作狀態(tài)無法通過測量設(shè)備獲?。灰虼藳]有形成大范圍地推廣應(yīng)用。

2 國內(nèi)典型自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)

2.1 SL-AVDS系統(tǒng)

2.1.1 技術(shù)介紹

SL-AVDS 系統(tǒng)是由中石化勝利鉆井院自主研發(fā)的自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)和防斜糾斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。與Power-V系統(tǒng)的推靠方式一樣，SL-AVDS 系統(tǒng)也是在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，通過動(dòng)態(tài)推靠產(chǎn)生的側(cè)向推靠力來達(dá)到防斜、糾斜的目的。期間，捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺(tái)中的隨鉆測量短節(jié)和井下閉環(huán)控制系統(tǒng)對垂直井眼軌跡進(jìn)行連續(xù)控制[27-29]。圖5 為SL-AVDS 加裝防斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖。

圖5 SL-AVDS加裝防斜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖

2.1.2 應(yīng)用情況

目前SL-AVDS系統(tǒng)工具一般適用于311.15 mm（12?"）、215.9 mm（8?"）和241.3 mm（9?"）井眼，工具壽命達(dá)到100 h，井斜控制精度為±0.5°。該工具在勝利新區(qū)、川東北等區(qū)塊成功完成了25口井的現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，累計(jì)應(yīng)用進(jìn)尺超過8 000 m，井下無故障工作時(shí)間超過1 600 h，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益過億元。

2.2 CG-VDS系統(tǒng)

2.2.1 技術(shù)介紹

CG-VDS垂直鉆井系統(tǒng)是由中石油鉆井院自主研制的機(jī)電液一體化的推靠式垂直鉆井系統(tǒng)，主要由執(zhí)行單元、控制單元和測量單元組成，如圖6 所示。當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)，不旋轉(zhuǎn)活套與旋轉(zhuǎn)的鉆柱之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)柱塞泵使液壓系統(tǒng)形成高壓油源。控制單元依靠液壓推動(dòng)糾斜推力塊伸出并調(diào)節(jié)推力的大小。測量單元可以實(shí)時(shí)控制糾斜力的方向，以此保證鉆出垂直的井眼。

圖6 CG-VDS垂直鉆井系統(tǒng)

2.2.2 應(yīng)用情況

CG-VDS 系統(tǒng)工具一般適用311.15 mm(12?")井眼。該系統(tǒng)先后在冀東、大港、長慶、玉門等油田進(jìn)行現(xiàn)場工具試驗(yàn)。其中，在玉門油田薛1 井中應(yīng)用進(jìn)尺438.92 m，平均機(jī)速12.5 m/h，比設(shè)計(jì)提高了47%，井斜控制在1.6°之內(nèi)。

2.3 BH-VDT系統(tǒng)

2.3.1 技術(shù)介紹

中石油渤海鉆探BH-VDT5000系統(tǒng)是一種機(jī)電液一體化式的全自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，其本體相對地層靜止，通過鉆頭推靠方式進(jìn)行糾斜。BH-VDT5000系統(tǒng)主要包括供電和信號上傳系統(tǒng)和井下閉環(huán)控制系統(tǒng)[30-33]，如圖7所示。

圖7 BH-VDT5000系統(tǒng)

2.3.2 應(yīng)用情況

BH-VDT5000 系統(tǒng)工具主要適用于444.5 mm（17?"）井眼，井斜控制精度±0.1°，最大工作壓力60 MPa。該系統(tǒng)先后在塔里木油田完成了10 余口井的垂直鉆井服務(wù)，累計(jì)總進(jìn)尺約14 590 m，入井總時(shí)間3 024 h，正常鉆進(jìn)井段井斜小于0.5°，平均機(jī)械鉆速大幅提高，防斜提速效果明顯。

2.4 XZ-AVDS系統(tǒng)

2.4.1 技術(shù)介紹

西部鉆探鉆井院自主研發(fā)的XZ-AVDS 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、液壓執(zhí)行系統(tǒng)組成，是集機(jī)電液一體化的井下閉環(huán)鉆井工具。其工作原理是在鉆進(jìn)過程中，通過外筒上均勻分布的3 個(gè)液壓柱塞向井眼高邊方向伸出，使工具沿糾斜方向鉆進(jìn)，從而達(dá)到糾斜防斜的目的[34-36]，如圖8所示。

圖8 XZ-AVDS系統(tǒng)

2.4.2 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)針對不同井眼尺寸擁有兩種規(guī)格、4 種尺寸（12?"、13?"、16"、17?"）的系列化產(chǎn)品，先后在新疆、塔里木、玉門等油田完成了多井次的現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用。在塔里木油田庫車山前8井次的應(yīng)用中，機(jī)械鉆速比鄰井提高2～3 倍，井斜控制在0.6°以內(nèi)。在克深907 井應(yīng)用中，單套工具連續(xù)工作時(shí)間達(dá)到242 h，進(jìn)尺2 735 m，施工井段最大井斜0.6°。系統(tǒng)性能表現(xiàn)已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用條件。

2.5 UPC-VDS系統(tǒng)

2.5.1 技術(shù)介紹

中國石油大學(xué)（華東）研制的UPC-VDS 系統(tǒng)是具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)，主要由井斜測控單元、液壓導(dǎo)向單元、機(jī)械推靠單元和信號傳輸單元構(gòu)成，如圖9 所示。該系統(tǒng)采用全旋轉(zhuǎn)的推靠式垂鉆模式，在鉆進(jìn)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)測量井斜，并根據(jù)測量結(jié)果判斷井斜發(fā)展趨勢，尋找井眼高邊、調(diào)整側(cè)向推靠力指向，保證井眼軌跡趨向垂直，達(dá)到主動(dòng)防斜和實(shí)時(shí)糾斜的目的。在保證井身質(zhì)量的前提下，高陡構(gòu)造、易斜地層的鉆進(jìn)中可以最大限度釋放鉆壓，顯著提高井眼質(zhì)量和機(jī)械鉆速[37-38]。目前已成為油田市場化程度最高的國產(chǎn)化垂直鉆井系統(tǒng)之一。

圖9 UPC-VDS系統(tǒng)構(gòu)成

2.5.2 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)已完成塔里木油田、西北油氣分公司、新疆油田、勝利油田等所屬區(qū)塊50余口井的垂直鉆井作業(yè)，均取得了較好的防斜、糾斜、打快效果。應(yīng)用井深、應(yīng)用井底溫度和工具單次入井時(shí)間等指標(biāo)均創(chuàng)造了國內(nèi)同類工具較高紀(jì)錄。同時(shí)，UPC-VDS自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)創(chuàng)新性提出了“垂直鉆井+多維沖擊減振”的垂直鉆井提速新模式，通過多維沖擊器液壓減振及復(fù)合沖擊作用，極大抑制了鉆壓及扭矩波動(dòng)，保證了井下垂鉆儀器的高效穩(wěn)定工作，井斜控制基本小于1°。

3 自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)技術(shù)比較

綜上所述，國內(nèi)外各自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)比較見表1。

表1 國內(nèi)外各自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)比較

通過對比可以發(fā)現(xiàn)：

1）國外的Power-V 系統(tǒng)和國內(nèi)的SL-AVDS 系統(tǒng)、UPC-VDS 系統(tǒng)推靠均為動(dòng)態(tài)推靠式，其他系統(tǒng)基本為靜態(tài)推靠。目前商業(yè)運(yùn)用廣泛的靜態(tài)推靠式垂直鉆井工具主要來自國外。動(dòng)態(tài)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具的執(zhí)行機(jī)構(gòu)始終處于連續(xù)工作狀態(tài)，影響工具的使用壽命，一旦損壞則需高昂的維修費(fèi)用。而靜態(tài)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具的偏置機(jī)構(gòu)為間歇式動(dòng)作，對工具的工作壽命要求較低。但是，靜態(tài)推靠式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠板被推出后與工具本體分離，易使環(huán)空巖屑進(jìn)入工具內(nèi)部而發(fā)生卡鉆，影響工具的正常使用。

2）國外垂直鉆井工具的推靠過程均通過鉆井液壓力的方式實(shí)現(xiàn)，國內(nèi)幾種工具的推靠力均來自電控液壓。

3）除了動(dòng)態(tài)推靠式垂直鉆井工具Power-V可適用于139.7 mm的小井眼外，其余幾種工具的適用井眼直徑大多大于200 mm，而國內(nèi)研制的幾種靜態(tài)推靠式自動(dòng)垂直鉆井工具均適用于直徑大于311 mm的井眼。現(xiàn)有多數(shù)靜態(tài)推靠式垂直鉆井工具的尺寸較大，不能滿足小井眼鉆進(jìn)，小井徑工具存在一定的技術(shù)難度。

4 結(jié)束語

目前，國外自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)技術(shù)成熟且商業(yè)應(yīng)用廣泛。Power-V垂直鉆井系統(tǒng)是目前國內(nèi)應(yīng)用最多、效果很好的直井鉆井系統(tǒng)。但是國外自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)技術(shù)封鎖、只租不售、系統(tǒng)運(yùn)行及算法等均屬于核心機(jī)密。國內(nèi)自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了與國外公司同臺(tái)競技的機(jī)會(huì)，為我國油氣鉆探開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。但是，國內(nèi)的垂鉆工具普遍還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用，建議逐步形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)。