垂直钻井技术

自动垂直钻井技术（VerticalDrillingTech.）一、国内外井斜控制新技术二、国外自动垂直钻井系统及应用三、国内自动垂直钻井研发情况目录一、国内外井斜控制新技术

自动垂直钻井系统可有效地解决大钻压与井斜控制的矛盾，在高陡构造硬地层钻进中，既可达到加大钻压提高机械钻速的目的，也可实现井身轨迹的良好控制。（二）复合钻进防斜技术（一）偏轴防斜钻具（三）自动垂直钻井系统（一）偏轴防斜钻具稳定的弓形回旋运动均匀切削四周井壁钻柱与井壁切点上移（一）偏轴防斜钻具二开井斜2°20′

钻速提高近一倍；三开井斜仅4°

钻速提高近一倍；侧钻后井斜5°

钻速提高66%。SK1井（二）复合钻进防斜技术

螺杆钻具+高效钻头复合钻进定向钻井技术在直井中的应用与发展定向纠斜、滑动钻进；提高机械钻速、缩短钻井周期（二）复合钻进防斜技术地层倾角70°以上井斜8°-10°；轻压吊打、制约钻速偏轴、柔性钟摆钻具防斜、效果不明显

胜和1井（二）复合钻进防斜技术

项目井段

（m）进尺

m平均单只钻头进尺（m）单只钻头进尺提高(%)平均钻速m/h对比提高%行程钻速m/h对比提高%三开复合钻进井段1820～3118.2494910496.82.171971.67165三开复合钻进前井段1183.5～182063653

0.73

0.63

（二）复合钻进防斜技术

可钻性差、倾角大井斜难以控制

Φ311.2mm井段钻速0.39~1.86m/h

复合钻进纠斜打快试验机械钻速提高59%毛坝1井初步形成了复杂深井防斜打快导向钻井技术。（三）自动垂直钻井技术20世纪90年代初，以德国KTB（德国大陆超深井钻井计划）项目为契机，自动垂直钻井技术得到速度发展。二、国外自动垂直钻井系统及应用VDS垂直钻井系统

前苏联的HCY防斜装置VertiTrak直井钻井系统全旋转垂直钻井系统PowerV机械式垂直钻井系统全旋转自动垂直钻井系统胜利钻井院自主研发（一）前苏联的HCY防斜装置钻头异径接头稳定器轴向滑动配合面8米中心管外壳小刚度钻铤七十年代后期，前苏联为解决乌克兰茅地复杂地层井斜问题，研究开发了HCY装置。它由外壳和心管两大部分组成；外壳不承受钻压和扭矩，刚度大，起扶正作用，防止失稳现象的发生；心管用于传递钻压、扭矩和循环钻井液；由于该工具的刚度大，在地层造斜趋势不是特别强的地层条件下应用具有良好的防斜效果；HCY装置在乌克兰茅地极复杂地区应用效果显著：井斜变化率未超过0.3°/100m，机械钻速和钻头进尺提高1.5－2倍；20世纪90年代初，德国KTB项目组与EastmanTeleco公司联合研究开发的垂直钻井系统VDS（VerticalDrillingSystem）。KTB井深6710m处，井斜仅1°，位移<4m2006年德国EastmanTeleco公司为了打开中国的市场，通过北京的一家代理公司给了中石油华北油田钻采院三套17-1/2″井眼的垂钻系统进行试用；使用情况，井斜控制的效果较好，只要垂钻系统工作，井斜基本0.3°～0.5°之间；一次下井的使用时间在80h～100h，通过更换密封件后可继续使用。（二）VDS垂直钻井系统（三）BakerHughes公司的Verti-Trak系统九十年代德国KTB工程项目结束后Agip公司与BakerHughesINTEQ公司在VDS系统基础上合作研制的新一代自动直井钻井系统SDD。现场试验证明，SDD装置能够非常精确地保持井眼垂直，并取得较高的机械钻速和可靠性。BakerHughes公司的Verti-Trak系统1999年BakerHughesINTEQ公司在SDD的基础上经过改进完善推出商业化应用的Verti-Trak直井钻井系统。

VertiTrak最大降斜能力可以达到1.5度/30米。通过选择欠尺寸扶正器在钻具组合中的位置及扶正器外径的大小，可以对预期降斜率的大小进行设定，范围在1.5－0.8度/30米之间。在钻进时通过调整钻压、排量等技术参数也可以对降斜率做适当的微调。

PulserHydraulicsAlternatorInclinometer/ElectornicsControlSubMotorSectionDriveTrain&SteeringSectionSteering

Ribs强大的功率和扭矩输出比常规泥浆马达高60%更高的效率独有的予成型定子技术降低了90%的橡胶用量更低的磨阻更小的变形寿命更长,使用次数更多X-treme动力节Verti-Trak®直井钻井系统有6¾"和9½"两种工具，分别满足可用于8½"～97/8"和12¼"～28"井眼的直井钻井防斜作业。平均使用寿命为42.2h井斜角一般不超过1°，保持在0.5°以下在地层倾角达到30～60º的高陡地区成功应用Verti-Trak结构示意图BakerHughes公司的Verti-Trak系统VertiTrak工作模式钻进工作模式(SteerMode)：该工作模式下有1个或2个翼肋在液压的作用下伸出；具体操作：先停泵90s，再在一分钟内开泵到钻进的排量。划眼工作模式（Ribs-off），该工作模式下三个翼肋全部收回；具体操作：先停泵90s，再开泵到规定的排量将此排量保持1min以上，在不停泵的情况下，将排量提高至正常排量。井下VTK工具MWD上行通讯地面控制系统井下闭环控制导向力/目标井斜自动闭环控制井斜,并随钻测量井斜、井温及井下工具工作状态等参数。下行通讯VertiTrak垂直钻井系统的应用大倾角地层和断层带典型的情况是山前和硬地层钻井盐层钻井PDC钻头有井斜的倾向“瘦”的井身结构要求准确地确定井眼位置减少套管层数BakerHughes公司的Verti-Trak系统Vertitrak实例1Vertitrak实例2Verti-Trak已完成直井防斜钻井进尺1百万英尺（2003年底）龙深1井不同井段的钻进参数及对应的机械钻速井眼尺寸（mm）施工井段（m～m）钻进参数纯钻时间（h）平均机械钻速（m/h）备注钻压kN转速rpm排量l/s立压MPa171/2307～148720～6060～11250～715～14进尺235.48m，纯钻162.76h。钻速1.45m/h塔式钻具20～20060～10055～667.8～17进尺665.68m，纯钻807.41h。钻速0.82m/h钟摆钻具40～10050～6457～6613～18进尺276.37m，纯钻272.66h。钻速1.01m/h复合钻进161487～237830～5052～8050～6510～18进尺127.16m，纯钻254.08h。钻速0.50m/h钟摆钻具120～30055～5717～21.5进尺763.84m，纯钻250.67h。钻速3.05m/hVTKBakerHughes公司的Verti-Trak系统平均机械钻速3.15米/时，普通钻具组合 平均机械钻速0.5米/时。机速提高5.3倍。井斜测线如图所示，VTK钻井最大井斜大多控制在0.5度以内。普通钻具组合在2度以内。大湾-1井12-3/8”井眼经验和认识BHA必须带减振器。否则会严重影响机械钻速并造成VTK工具的先期损坏。泥浆YP/PV>0.5，否则会影响机械钻速。下洗井BHA大排量洗井时，比钻进时返出的砂子明显增多。接单根上提、下放遇阻卡。钻头是影响VTK作用的另一个重要因素。最后两趟钻断齿过多，有一只PDC钻头机速只有0.4米/时，严重影响了机械钻速。VTK入井前平均机械钻速0.47米/时，VTK入井后的平均机械钻速2.33米/时,是入井前机速的4.9倍.井斜控制在0.5度以内. 秋南-1井16”井眼井段340-2800米泥浆密度:1.33-1.7平均机速:3.97米/时,提高7.8倍井斜保持在1度以内钻完垂直段后可启动造斜模式一个导向翼收回,并指向造斜方向需与MWD配合使用。垂直钻井技术新进展-VertiTrakPlus造斜步骤第1步:钻直井眼造斜步骤需要的造斜方向第2步:将1号肋板对到造斜方向Flow50/75VFlowRate(l/min)Time(min)05Kick-offMode第3步:下传指令需要的造斜方向造斜步骤第5步:开始造斜需要的造斜方向造斜步骤二、Schlumberger公司的PowerV系统Schlumberger公司的PowerV是在其PowerDrive系列旋转导向系统基础上发展起来的，于2002年推出。Pad开Pad关ControlShaftDiskValvePowerV 475 650 675 825 900/1100最大转速(rpm) 250 220 220 220 200最大作业温度(°C) 125/150* 125/150* 125/150* 125/150* 125/150*最大钻头钻压(Klbf) Max50 Max.65 Max.65 Max.65 Max.65最大钻头扭距(Kft-lbs) 4 16 16 16 48排量(gpm) 220-400 320-650 320-650 480-1900 480-1900规定钻头压降(psi) 600-800 600-800 600-800 600-800 600-800最大作业压力(psi) 20,000 20,000 20,000 20,000 20,000垂直控制系统 自动化 自动化 自动化 自动化自动化适用井眼尺寸(in.) 5.75-6.5 7.825 8.5-9.87 10.625 12.25-22*HighTemperatureversionavailablePowerV产品规格钻具旋转时进行纠斜(不需滑动钻进)所有部件都旋转–“EverythingRotates”减少摩擦力和阻力(钻压和扭矩传输更有效)降低卡钻风险井眼更平滑(低狗腿度)减少井眼净化问题最大限度提高钻速

在钻进时自动感应井斜进行自动化纠斜解放钻压,正常钻进提高钻速

可划眼和倒划眼最终大幅度降低每米成本PowerV特点

一般情况下,由于排量受地面设备及钻井液携岩能力影响，调整纠斜效果措施多采用降低钻压和增大转盘转速。钻压减小转速增大排量增大增大纠斜效果钻进约2600米的井段最大井斜0.5度PowerV实例1:北海PowerV实例2:阿联酋PowerV井段马达/MWD井段PowerV实例3:南美洲常规钻具组合在9,000ft开始自然造斜在10,518ft井斜为4度,起钻换

PowerV在10,766ft井斜降至0.5度在11,527ft井斜降至0.1度一趟下钻打完井段3680ft,最大井斜和水平移位0.2度和1ft9,00010,50012,00013,50015,00016,5001,5000DrilledWell9,142MD–9,140TVD1.5odrift-40’departureTripforPowerV10,518MD–10,515TVD4.0odrift-91’departureDrillingVertical11,527MD–11,523TVD.1odrift-102’departureMaxDriftwithPowerV12,804MD–12,800TVD.2odrift-102’departureT.D.section–CasingPoint15,207MD–15,203TVD.03odrift-103’departureBeginKickOffwithPowerDrive16,898MD–16,894TVD.3odrift-103’departurePowerV实例4:意大利AGIPItaly16”井段约1800m,最大井斜0.22度平均钻速20m/hr2004年2月，PowerV®在中石油新疆塔里木油田的克拉2-3井首次应用，取得了良好效果：井斜保持在0.5°以内，平均机械转速达到8m/h，日进尺150m，机械转速提高了2～3倍。

克拉苏区块属于山前高陡构造，在吉迪克组底部2650米以上井段地层倾角在69°～83°之间，地层倾角大，易井斜。

同年，POWER-V自动垂直钻井系统还在克拉2-7井、桑株1井和普光7井3口井应用，成功解决了钻井速度慢和井斜极难控制等难题。PowerV工具使用注意事项

1PowerV工具下井前必须检查工具的工作性能，起出时也必须进行相应检查。

2钻头水眼选择要满足钻头压降不小于3.4MPa的要求。

3为了发挥PowerV工具效能，钻铤重量要达到钻头最大理论钻压的120%，并且要在钻具结构中要加上相应尺寸的减震器。

4使用大钻压、高转速才能更好发挥PowerV工具的优越性。

5首次下井或钻入岩性变化很大的地层，要根据井斜控制效果决定是否逐渐加大钻压。

6PowerV工具是通过泵排量大小来调节侧向力的，需调节泵排量时，须结合考虑井身轨迹的控制要求。PowerV工具使用注意事项

7使用MWD随钻测斜设备，加密井斜测量点，验证PowerV工具在井下是否处于良好工作状态。

8PowerV工具对PDC钻头的结构要求是：平底、短护径，不满足此要求的PDC钻头不能使用，以免影响PowerV工具控制井身质量效果。

9检测检修好设备，搞好生产组织，提高生产效率。

10对入井工具、钻具进行严格检查、探伤和管理。

11坚持使用钻杆滤清器，搞好泥浆净化工作。

12虽然PowerV工具可以实现井身轨迹的连续控制，若下入位置井斜较大时，不可用强力纠斜方式，以防止全角变化率过大。

13若井身轨迹控制不理想，通过加大排量、提高转盘转速或降低钻压仍然不起作用，说明PowerV工具在井下已不能正常工作，立即起钻检查、更换。序号井名开始日期结束日期进尺

(m)钻井时间

（h)平均机速（m/h)备注1黑池12004.11.292005.1.191677.01916.41.83PowerV2普光72005.1.302005.3.7764.33436.761.75PowerV3龙深-12005-10-212005-12-1763.84242.473.15VTK4大湾-12006-1-182006-2-11611.04297.592.05VTK5毛坝-62006-3-142006-4-211305.2510.672.56VTK6金溪-12006-5-142006-7-51597.13606.322.63VTK钻穿须家河组,进入海相地层7秋南-12006-3-292006-5-1124606193.97VTK8塔深-12006-4-222006-6-24726414.491.75VTK9克拉2-3

1857.4428.334.34PowerV10克2-7

2615951.072.75PowerV垂直钻井系统应用情况

2007年Vertitrak垂直钻井系统在雷北1井、大湾3井、大湾101井和分1井的Φ311.1mm井段共钻进2360.01m，由于机械钻速提高共节约钻井周期99天，按钻机日费100000元/d计，共节约钻井成本990万元，共支付垂直钻井系统使用费约：826万元，使用垂直钻井系统比常规钻井方式平均每米节约成本695元。2007年川东北应用情况序号井名进尺(m)钻井时间（h)平均机速（m/h)备注1黑池11677.01916.41.83PowerV2普光7764.33436.761.75PowerV3大湾-1611.04297.592.05VTK4毛坝-61305.2510.672.56VTK5金溪-11597.13606.322.63VTK6龙深1井888133.33.15VTK7秋南1井24606203.97VTK6雷北1647.9133.34.86VTK7大湾-3742.12245.983.02VTK8大湾1011871381.8VTK9分1井354.56181.11.96VTK

河坝1-1D

VTK10川科12240.441199.451.87VTKPowerV:2004–2007

统计年井200462005162006132007816“，12¼”

和8½”井眼，共钻进尺77,548米，纯钻时间15,489小时43口井(3块油田)

胜利石油管理局