自動垂直鉆井技術(shù)進展

［摘要］垂直鉆井技術(shù)是當(dāng)今深部油氣鉆探、科學(xué)鉆探鉆井技術(shù)難點之一，垂直鉆井技術(shù)對于深井、超深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、萬米科學(xué)鉆探井等鉆井作業(yè)中有著重要作用，它具有減少套管層次、提高鉆井機械鉆速、減少復(fù)雜事故的優(yōu)點。自動垂直鉆井系統(tǒng)是一種先進的高技術(shù)含量鉆井工具，可主動糾斜，且防斜打直效果不受鉆壓的影響，有利于充分提高機械鉆速，并獲得優(yōu)良的鉆井軌跡，特別適用于高陡構(gòu)造地層和自然造斜能力較強的深井、超深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、科學(xué)鉆探等的垂直井段鉆探?；诖耍{(diào)研了國內(nèi)外的主要自動垂直鉆井系統(tǒng)，重點介紹了其主要組成部分和相應(yīng)的工作機理和技術(shù)特點，分析了他們的優(yōu)缺點，并介紹了現(xiàn)場主要使用情況，有利于該技術(shù)的進一步研究和應(yīng)用，并提出了未來自動垂直鉆井技術(shù)發(fā)展的方向。

［關(guān)鍵詞］自動垂直鉆井系統(tǒng)；糾斜；提速；井眼軌跡；深井；超深井

由于巖石的各向異性、地層的層狀和產(chǎn)狀以及井底鉆具組合和鉆進參數(shù)等，鉆井施工中井斜無法避免，它大大制約了鉆進速度和成井質(zhì)量。目前國內(nèi)外井斜控制技術(shù)主要有復(fù)合鉆進防斜技術(shù)、偏軸防斜鉆具和自動垂直鉆井系統(tǒng)。在高造斜率地層和超深井垂直鉆進中，自動垂鉆系統(tǒng)可以通過釋放鉆壓從而很好地解決井斜控制和機械鉆速之間的矛盾，并且獲得良好的井眼軌跡和井身質(zhì)量。

自動垂直鉆井技術(shù)從20世紀(jì)80代年研究至今，目前具有商業(yè)化應(yīng)用能力的主要為Baker Hughes、Sch?lumberger和Halliburton公司[1]，其代表性產(chǎn)品為Verti-Trak、Power V和V-Pilot。國內(nèi)的研究起步較晚，目前主要為中石油、中石化和中海油[2，3]有相應(yīng)的產(chǎn)品，且都處于研發(fā)階段。本文將著重介紹分析國內(nèi)外的自動垂直鉆井系統(tǒng)的技術(shù)特點及優(yōu)缺點。

1 國外自動垂直鉆井技術(shù)

針對烏克蘭茅的復(fù)雜地層造成的井斜問題，19世紀(jì)70年代后期，蘇聯(lián)研發(fā)了HCY裝置[4]，見圖1。在該地區(qū)實際使用效果良好，井斜變化率不超過0.3°/100 m，機械鉆速提升1.5～2倍。由于其外殼剛度大，只適用于造斜率不是特別強的地層。

1.1 VDS、SDD、Verti-Trak 系列

19世紀(jì)90年代初，VDS（Vertical Drilling System）[5，6]由KTB（聯(lián)邦德國大陸深鉆計劃）與Eastman Teleco公司聯(lián)合研發(fā)出來，這是自動化技術(shù)首次用于定向鉆進。由最初的VDS-1型改進至VDS-5型。該系統(tǒng)能自動地測量和糾正鉆孔的偏斜，同時采用低轉(zhuǎn)速、大排量、高扭矩螺桿馬達，以減輕鉆柱磨損和增加鉆孔穩(wěn)定性。

KTB主孔鉆進直到7000 m，鉆孔頂角基本上控制在1°范圍內(nèi)，鉆孔的水平偏移還不到5 m，創(chuàng)造了鉆探技術(shù)上的奇跡（圖2）。

KTB計劃完成之后，Baker Hughes INTEQ公司同ADIP公司在VDS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上聯(lián)合研發(fā)SDD自動垂鉆系統(tǒng)[7]。其現(xiàn)場試驗表明效果良好。

1999年，Baker Hughes INTEQ公司又進一步改進SDD，推出了Verti-Trak垂鉆系統(tǒng)[8，9]，最大降斜能力可以到1.5°/30 m。它通過扶正器、排量以及鉆壓等對降斜率進行調(diào)整，降斜率范圍在1.5°～0.8°/30 m。目前有Φ241.3 mm和Φ171.45 mm兩種型號，對應(yīng)的施工井眼尺寸分別為Φ311.15～711.2 mm和Φ215.9～250.825 mm。

Verti-Trak系統(tǒng)有兩種工作模式：

（1）鉆進模式（Steer Mode）：通過MWD檢測出有井斜時，液壓作用下伸出1個或2個翼肋，作用力大約有3T，同時通過MWD實時跟蹤監(jiān)測；

（2）劃眼模式（Ribs-off）：將3個翼肋全部收回，系統(tǒng)不進行糾斜工作。

Verti-Trak系統(tǒng)可以提高機械鉆速，保持井眼垂直，自帶動力鉆具，鉆進時鉆柱不旋轉(zhuǎn)，減少BHA和套管的磨損，但需要較高的泵壓，排量會受到影響，泥漿上返速度較低。此外，滑動鉆進時無法及時修理井壁會造成井壁不規(guī)則。

表1和圖3顯示了在龍深1井中采用Verti-Trak系統(tǒng)控制井斜與一些常規(guī)的井斜控制方法時的效果對比（圖4）。對比發(fā)現(xiàn)Verti-Trak系統(tǒng)最大井斜大多控制在0.5°以內(nèi)，平均機械鉆速達3.05 m/h。

VDS、SDD、Verti-Trak 系列，都是采用推靠式原理糾斜，屬于機電液一體式。

目前，Baker Hughes 公司推出了最新的AutoTrak 垂直旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[12]，靜態(tài)推靠式，能夠更為高效、精確地控制井眼軌跡，同時實施傳輸井下信息。此外，貝克休斯還開發(fā)了用于非常規(guī)油氣開發(fā)的Auto Trak Curve 系統(tǒng)和高造斜率的Auto Trake Xact 系統(tǒng)（12°/100 ft）。

1.2 Power V 系列

2002年，Schlumberger公司推出了一種全旋轉(zhuǎn)自動垂鉆系統(tǒng)Power V[13]，并已商業(yè)應(yīng)用，見圖5。Power V是由Power Drive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研發(fā)而來的。

Power V系統(tǒng)主要由上部的電子控制部分（Control Unit）和下部近鉆頭的機械部分（Bias Unit）組成，兩者中間還有一個輔助部分的加長短節(jié)（Exten?sion Sub）。

Power V系統(tǒng)相對其他自動垂鉆系統(tǒng)來說，其工作特點：所有部件旋轉(zhuǎn)糾斜，取消滑動鉆進帶來的摩阻，井眼更加規(guī)則平滑；鉆進過程中可實時自動感應(yīng)井斜狀態(tài)并自動糾斜；可以進行劃眼和倒劃眼作業(yè)，具體產(chǎn)品規(guī)格見表2；對于鉆頭的選取，PDC需要專門設(shè)計，而牙輪鉆頭不需要。

Power V系統(tǒng)在中國北海某井鉆進約2600 m的井段，最大井斜0.5°；在南美洲，一趟下鉆進尺1121 m，最大水平位移0.3 m，最大井斜0.2°。

1.3 V-Pilot 系列

2007年初，Halliburton公司推出機液一體式自動垂直鉆井系統(tǒng)V-Pilot[15]，同樣為靜態(tài)推靠式，但其內(nèi)部沒有任何電子元件，公司官方介紹其可敏感0.18°的井斜。

V-Pilot系統(tǒng)分上下兩部分，運輸時分開，使用前直接連接就行，見圖6。上部是改良的Geo Force馬達、下部是垂直鉆井部分。井斜時，泥漿先驅(qū)動馬達，馬達再驅(qū)動下部的液壓泵，此時大鐘擺根據(jù)井斜程度自動調(diào)節(jié)液壓泵所產(chǎn)生的側(cè)向力大小。當(dāng)井斜超過0.2°時，V-Pilot系統(tǒng)就會自動糾斜。

V-Pilot系統(tǒng)的優(yōu)點：沒有任何電子元器件，可用于高溫等情況下的復(fù)雜環(huán)境，失效風(fēng)險低；可隨時校正且校正量少；自帶Geo Force或高性能馬達，可依據(jù)鉆機設(shè)備能力調(diào)整；對鉆頭的要求低，且系統(tǒng)不受最大鉆壓的限制。缺點是由于采用純機械式，造成糾斜效果較差，無法監(jiān)測到井下系統(tǒng)的工作狀態(tài)，這也是沒有大范圍推廣應(yīng)用的原因之一。

在加拿大丘陵地帶[16，17]，地層傾角70°，自然造斜3°/30 m，平均機械鉆速2～5 m/h，采用V-Pilot 9600系列，具體參數(shù)見表3，兩趟鉆進尺504 m，最大鉆壓20T，機械鉆速7 m/h，并保持較小的井斜。

Halliburton又推出最新的Verti Steer系統(tǒng)，主要為機械式垂鉆工具，其耐溫性能超200℃。此外，Halliburton 還推出一些旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，例如SO-LAR、Geo-Pilot XL，耐溫性能175℃，耐壓性能207 MPa。

1.4 Vertical Scout 和Revolution-V 系列[18]

Scout Downhole 公司經(jīng)過十余年，研發(fā)出機械式自動垂直系統(tǒng)VerticalScout，與V-Pilot 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理類似，包括靜止外套、鐘擺機構(gòu)、推靠機構(gòu)等（圖7），井斜超過0.3°后即可自動糾斜，適用的井眼范圍是Φ152～660 mm。Ver?tical Scout的推靠翼與井壁接觸方式為圓弧面接觸，大大增大了接觸面積，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也降低推靠翼與井壁的磨損，使得鉆具更持久耐用。

威德福公司的Revolution-V系統(tǒng)，糾斜原理為指向式，擁有12個獨立的液壓活塞分別作用在主軸上，適用井眼范圍為Φ149～559 mm（圖8）。當(dāng)井斜發(fā)生時，活塞驅(qū)動主軸中心線偏離，促使外筒中心線靠向井眼高邊，鉆頭指向低邊，自動開始糾斜作業(yè)。

2 國內(nèi)自動垂直鉆井技術(shù)

2.1 中石化勝利鉆井院垂直鉆井系統(tǒng)SL-AVDS

SL-AVDS垂鉆系統(tǒng)[19-21]，鉆頭動態(tài)推靠式糾斜原理，其核心是捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺。該垂鉆系統(tǒng)主要組成部分有：執(zhí)行機構(gòu)（糾斜）、測控機構(gòu)、發(fā)電機和力矩電機，見圖9。

SL-AVDS與Power V系統(tǒng)原理相似：所有部件旋轉(zhuǎn)糾斜，取消滑動鉆進帶來的摩阻，井眼更加規(guī)則平滑；鉆進過程中可實時自動感應(yīng)井斜狀態(tài)并自動糾斜；可以進行劃眼和倒劃眼作業(yè)。

SL-AVDS系統(tǒng)在實際應(yīng)用中（具體參數(shù)見表4），806.3 m下井，1147 m提出，共累積進尺334.88 m，平均機械鉆速為2.94 m/h，相比未使用垂鉆系統(tǒng)機械鉆速提高196%，累計純鉆時間114 h，共計井下工作時間182 h。井斜由791.75 m的2.86°下降至997.39 m的1.2°，最小井斜僅為1°（968.56 m處）。

后期，針對SL-AVDS系統(tǒng)的耐溫問題，中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院推出了UPC-VDS垂鉆系統(tǒng)（圖10）。該系統(tǒng)由SL-AVDS的電控式穩(wěn)定平臺變?yōu)闄C械式穩(wěn)定平臺，雖然耐溫能力提高了，但由于無電子元件，致使糾斜精度下降，適用井眼為Φ311 mm。

通過上部的偏重塊的自重原理和相應(yīng)的上盤閥控制執(zhí)行機構(gòu)的伸縮，可以在井斜超標(biāo)時進行糾斜作業(yè)。

2.2 中石油鉆井院CGVDS

CGVDS系統(tǒng)[22-24]，見圖11，機電液一體化式自動垂鉆系統(tǒng)，采用鉆頭推靠式原理糾斜。垂直鉆井工具主要由執(zhí)行單元、控制單元和測量單元組成。

CGVDS工作原理：通過鉆柱旋轉(zhuǎn)提供動力，不旋轉(zhuǎn)套和鉆柱發(fā)生相對運動而推動柱塞泵形成液壓動力，再通過系統(tǒng)導(dǎo)向套外圓周上的3個徑向液壓缸產(chǎn)生糾斜力驅(qū)動控制推力塊的伸縮。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于可以不關(guān)閉泥漿泵的情況下，調(diào)整推力大小、推力塊地伸出和收回，具體指標(biāo)見表5。

2010年4月，CGVDS在玉門油田薛1井，進尺438.92 m，平均機速12.5 m/h，比設(shè)計提高了47%，鉆壓提高到16～24 t，井斜控制在1.6°之內(nèi)。

2.3 中石油渤海鉆探BH-VDT5000

BH-VDT5000系統(tǒng)[25-27]，機電液一體化式自動垂鉆系統(tǒng)，采用推靠式原理糾斜，相對地層系統(tǒng)本體不動，結(jié)構(gòu)示意圖見圖12，具體技術(shù)指標(biāo)見表6。該系統(tǒng)主要有供電和信號上傳系統(tǒng)、井下閉環(huán)系統(tǒng)。測斜儀監(jiān)測井斜發(fā)生時，通過電控系統(tǒng)控制液缸推出導(dǎo)向塊進行糾斜作業(yè)。

克深203井[28]，鉆進井段244～1802 m，進尺1558 m，入井時間280 h，純鉆時間158.55 h，平均機速9.83 m/h，244～1030 m井斜角為0.0～0.2°，1030～1091 m井斜角為0.2～1.5°，1091～1802 m井斜角為0.0～0.2°。

3 結(jié)論

（1） 自動垂鉆系統(tǒng)大都采用推靠式糾斜原理，當(dāng)遇到軟地層或者井徑較大時糾斜效果大大降低。未來的發(fā)展方向是采用指向式原理的導(dǎo)向系統(tǒng)，同時逐步和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)相結(jié)合，功能性更強。

（2） 國內(nèi)的自動垂直鉆井技術(shù)研究取得了一定的成果，但還無法大量的現(xiàn)場應(yīng)用，關(guān)鍵核心技術(shù)還未突破。

（3） 電子式自動垂鉆系統(tǒng)目前的耐溫性能還不夠，對于特深層鉆井施工無法應(yīng)用，而機械式自動垂鉆系統(tǒng)雖然耐溫性能提高，但其靈敏度還有待提升。

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