自動垂直鉆井技術進展

［摘要］垂直鉆井技術是當今深部油氣鉆探、科學鉆探鉆井技術難點之一，垂直鉆井技術對于深井、超深井、復雜結構井、萬米科學鉆探井等鉆井作業中有著重要作用，它具有減少套管層次、提高鉆井機械鉆速、減少復雜事故的優點。自動垂直鉆井系統是一種先進的高技術含量鉆井工具，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，并獲得優良的鉆井軌跡，特別適用于高陡構造地層和自然造斜能力較強的深井、超深井、復雜結構井、科學鉆探等的垂直井段鉆探。基于此，調研了國內外的主要自動垂直鉆井系統，重點介紹了其主要組成部分和相應的工作機理和技術特點，分析了他們的優缺點，并介紹了現場主要使用情況，有利于該技術的進一步研究和應用，并提出了未來自動垂直鉆井技術發展的方向。

［關鍵詞］自動垂直鉆井系統；糾斜；提速；井眼軌跡；深井；超深井

由于巖石的各向異性、地層的層狀和產狀以及井底鉆具組合和鉆進參數等，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量。目前國內外井斜控制技術主要有復合鉆進防斜技術、偏軸防斜鉆具和自動垂直鉆井系統。在高造斜率地層和超深井垂直鉆進中，自動垂鉆系統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量。

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

1 國外自動垂直鉆井技術

針對烏克蘭茅的復雜地層造成的井斜問題，19世紀70年代后期，蘇聯研發了HCY裝置[4]，見圖1。在該地區實際使用效果良好，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90年代初，VDS（Vertical Drilling System）[5，6]由KTB（聯邦德國大陸深鉆計劃）與Eastman Teleco公司聯合研發出來，這是自動化技術首次用于定向鉆進。由最初的VDS-1型改進至VDS-5型。該系統能自動地測量和糾正鉆孔的偏斜，同時采用低轉速、大排量、高扭矩螺桿馬達，以減輕鉆柱磨損和增加鉆孔穩定性。

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

KTB計劃完成之后，Baker Hughes INTEQ公司同ADIP公司在VDS系統的基礎上聯合研發SDD自動垂鉆系統[7]。其現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[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實時跟蹤監測；

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

Verti-Trak系統可以提高機械鉆速，保持井眼垂直，自帶動力鉆具，鉆進時鉆柱不旋轉，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則。

表1和圖3顯示了在龍深1井中采用Verti-Trak系統控制井斜與一些常規的井斜控制方法時的效果對比（圖4）。對比發現Verti-Trak系統最大井斜大多控制在0.5°以內，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 垂直旋轉導向系統[12]，靜態推靠式，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，貝克休斯還開發了用于非常規油氣開發的Auto Trak Curve 系統和高造斜率的Auto Trake Xact 系統（12°/100 ft）。

1.2 Power V 系列

2002年，Schlumberger公司推出了一種全旋轉自動垂鉆系統Power V[13]，并已商業應用，見圖5。Power V是由Power Drive旋轉導向鉆井系統研發而來的。

Power V系統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（Exten?sion Sub）。

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

Power V系統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V-Pilot[15]，同樣為靜態推靠式，但其內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，泥漿先驅動馬達，馬達再驅動下部的液壓泵，此時大鐘擺根據井斜程度自動調節液壓泵所產生的側向力大小。當井斜超過0.2°時，V-Pilot系統就會自動糾斜。

V-Pilot系統的優點：沒有任何電子元器件，可用于高溫等情況下的復雜環境，失效風險低；可隨時校正且校正量少；自帶Geo Force或高性能馬達，可依據鉆機設備能力調整；對鉆頭的要求低，且系統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，無法監測到井下系統的工作狀態，這也是沒有大范圍推廣應用的原因之一。

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，主要為機械式垂鉆工具，其耐溫性能超200℃。此外，Halliburton 還推出一些旋轉導向系統，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 公司經過十余年，研發出機械式自動垂直系統VerticalScout，與V-Pilot 系統結構原理類似，包括靜止外套、鐘擺機構、推靠機構等（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，提升了系統的穩定性，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，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）。當井斜發生時，活塞驅動主軸中心線偏離，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。

2 國內自動垂直鉆井技術

2.1 中石化勝利鉆井院垂直鉆井系統SL-AVDS

SL-AVDS垂鉆系統[19-21]，鉆頭動態推靠式糾斜原理，其核心是捷聯式穩定平臺。該垂鉆系統主要組成部分有：執行機構（糾斜）、測控機構、發電機和力矩電機，見圖9。

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

SL-AVDS系統在實際應用中（具體參數見表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（圖10）。該系統由SL-AVDS的電控式穩定平臺變為機械式穩定平臺，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的上盤閥控制執行機構的伸縮，可以在井斜超標時進行糾斜作業。

2.2 中石油鉆井院CGVDS

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

CGVDS工作原理：通過鉆柱旋轉提供動力，不旋轉套和鉆柱發生相對運動而推動柱塞泵形成液壓動力，再通過系統導向套外圓周上的3個徑向液壓缸產生糾斜力驅動控制推力塊的伸縮。該系統的優點在于可以不關閉泥漿泵的情況下，調整推力大小、推力塊地伸出和收回，具體指標見表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，比設計提高了47%，鉆壓提高到16～24 t，井斜控制在1.6°之內。

2.3 中石油渤海鉆探BH-VDT5000

BH-VDT5000系統[25-27]，機電液一體化式自動垂鉆系統，采用推靠式原理糾斜，相對地層系統本體不動，結構示意圖見圖12，具體技術指標見表6。該系統主要有供電和信號上傳系統、井下閉環系統。測斜儀監測井斜發生時，通過電控系統控制液缸推出導向塊進行糾斜作業。

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 結論

（1） 自動垂鉆系統大都采用推靠式糾斜原理，當遇到軟地層或者井徑較大時糾斜效果大大降低。未來的發展方向是采用指向式原理的導向系統，同時逐步和旋轉導向系統相結合，功能性更強。

（2） 國內的自動垂直鉆井技術研究取得了一定的成果，但還無法大量的現場應用，關鍵核心技術還未突破。

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

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