李志彬

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司（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雜地層及井身條件鉆直井的需要，自動垂直鉆井技術的出現(xiàn)完美地解決了問題。目前，商用自動垂直鉆井系統(tǒng)工具主要掌握在國外油服公司手中[3-7]。隨著國內石油公司及科研院所對自動垂直鉆井技術研究能力的提升，推出的系統(tǒng)工具雖然有待完善，但商業(yè)應用前景廣闊[8-12]。針對國內外發(fā)展較為成熟的10 種自動垂直鉆井系統(tǒng)進行技術介紹和對比分析。

1 國外典型自動垂直鉆井系統(tǒng)

1.1 Verti-Trak系統(tǒng)

1.1.1 技術介紹

Vert i-Trak作為一種機電液一體化式的閉環(huán)自動垂直鉆井系統(tǒng)，將AutoTrak 旋轉導向、高性能XTreme 馬達和MWD 3 種技術結合起來，通過鉆頭推靠方式進行糾斜，因此也成為了貝克休斯最先進的垂直鉆井系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 Verti-Trak系統(tǒng)

Verit-Trak 系統(tǒng)關鍵結構包括：3個可伸縮導向肋條、X-treme 動力節(jié)、MWD 重力傳感器。其工作原理是：1～2 個可伸縮導向肋條在液壓作用下伸出作用于井壁，以此來對抗鉆進時的井斜趨勢；當井眼垂直時，工具上的3個導向肋條同時作用于井壁，保證鉆頭垂直居中鉆進。當進入劃眼工作模式時，3 個肋板全部收回[13-16]。整個過程中，MWD 負責監(jiān)測跟蹤反饋鉆進時的井斜變化。

1.1.2 應用情況

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，在國內外得到廣泛應用且效果顯著。在意大利BIGBORN地區(qū)，609.6 mm（24"）和444.5 mm（17.5"）井段到2 200 m 的目標內井斜小于4°，比設計工期節(jié)省28 d。在南美Macueta 1001bis井558.8 mm（22"）和406.4 mm（16"）井段，鉆進2 176 m，井眼保持垂直，406.4 mm（16"）井眼鉆進機械鉆速增加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1 659 m，在全程糾斜作用下實現(xiàn)最大井斜0.35°，鉆井時間比鄰井減少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鹽層段鉆出了高質量的垂直井眼，創(chuàng)下了墨西哥灣地區(qū)的新紀錄。

國內多個油田的油氣井應用過Verti-Trak 系統(tǒng)。從應用效果看，井斜基本控制在2°以內，機械鉆速得到了有效提高。例如在大灣1 井應用中，其平均機械鉆速提高了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)糾斜工具組合所達不到的。

1.2 Power-V系統(tǒng)

1.2.1 技術介紹

Power-V系統(tǒng)的基礎是斯倫貝謝Power Drive系列旋轉導向系統(tǒng)。Power-V系統(tǒng)主要由電子控制部分和機械部分組成，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)的特點是“全自動化”：自動追蹤鉆進井斜變化，自動設定和調整工具側向力，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)

泥漿導流閥和3個推力塊構成該工具的機械執(zhí)行裝置。電子控制部分的控制軸決定導流閥的方向。導流閥負責分流泥漿，這部分泥漿流向轉到該方向的某個推力塊并將其推出，依靠井壁對鉆頭產生的側向力實現(xiàn)地面工程師所需要的方位。當推力塊轉過這個位置并縮回后，下一個推力塊重復剛才伸出的動作，從而實現(xiàn)“全自動化”的旋轉導向功能。

1.2.2 應用情況

Power-V工具在國外市場已得到普遍認可。在北海、阿聯(lián)酋油田超2 000 m 井段的應用中井斜角控制在1°以內。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，Power-V工具僅下井一次，鉆進1 736 m，機械鉆速比周圍井的平均機械鉆速高21%，井斜角未超過1°。國內在塔里木、柴達木、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用過Power-V 系統(tǒng)，井斜基本都控制在1.5°以下，平均機械鉆速提高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外商業(yè)應用最成功的自動垂直鉆井系統(tǒng)之一。

1.3 機械式自動垂直鉆井系統(tǒng)

1.3.1 技術介紹

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 等工具均含有復雜的井下電子控制系統(tǒng)，對工具性能要求極高，造價及后期維護成本高。而機械式自動垂直鉆井系統(tǒng)具有成本低、耐高溫、適用性強、可靠性高等特點[25-26]。目前，典型的機械式自動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)推靠式設計，通過高壓鉆井液以不同引流方式推動機構運作，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、偏重機構和推靠機構組成，如圖3 所示。配流接頭負責把提供推靠力的高壓鉆井液進行分流，盤閥對過流的鉆井液進行控制，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°后達到最大。

圖3 Vertical Scout工具主要結構

V-Pilot 系統(tǒng)主要由垂直鉆井部分和改良的Geo-Force馬達構成。當井斜超過0.2°時，鐘擺偏重總成和閥門總成被激活，控制墊片總成中的4 個活塞導向塊獨立或協(xié)同推向井壁進行糾斜作業(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)行機構所采用，工具的穩(wěn)定可靠性更加突出，工作耐溫可達232 ℃。

圖4 V-Pilot系統(tǒng)垂直鉆井部分

1.3.2 應用情況

目前，Vertical Scout 工具在北美地區(qū)數(shù)百口井的應用中，機械鉆速得到較大提高。該工具配合螺桿馬達和PDC鉆頭，成功解決了山前高陡髙斜地質構造容易導致大井斜、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，在鉆出高質量井眼的同時井斜基本保持在0.5°以內，機械鉆速為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 的超高壓頁巖構造帶上進行了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。

雖然純機械自動垂直鉆井工具在應用過程中機械鉆速提升明顯，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；同時井下工具的工作狀態(tài)無法通過測量設備獲??；因此沒有形成大范圍地推廣應用。

2 國內典型自動垂直鉆井系統(tǒng)

2.1 SL-AVDS系統(tǒng)

2.1.1 技術介紹

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

圖5 SL-AVDS加裝防斜執(zhí)行機構的實物圖

2.1.2 應用情況

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)場技術服務，累計應用進尺超過8 000 m，井下無故障工作時間超過1 600 h，產生經濟效益過億元。

2.2 CG-VDS系統(tǒng)

2.2.1 技術介紹

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。當鉆柱旋轉時，不旋轉活套與旋轉的鉆柱之間產生相對運動，進而推動柱塞泵使液壓系統(tǒng)形成高壓油源?？刂茊卧揽恳簤和苿蛹m斜推力塊伸出并調節(jié)推力的大小。測量單元可以實時控制糾斜力的方向，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、玉門等油田進行現(xiàn)場工具試驗。其中，在玉門油田薛1 井中應用進尺438.92 m，平均機速12.5 m/h，比設計提高了47%，井斜控制在1.6°之內。

2.3 BH-VDT系統(tǒng)

2.3.1 技術介紹

中石油渤海鉆探BH-VDT5000系統(tǒng)是一種機電液一體化式的全自動垂直鉆井系統(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，累計總進尺約14 590 m，入井總時間3 024 h，正常鉆進井段井斜小于0.5°，平均機械鉆速大幅提高，防斜提速效果明顯。

2.4 XZ-AVDS系統(tǒng)

2.4.1 技術介紹

西部鉆探鉆井院自主研發(fā)的XZ-AVDS 自動垂直鉆井系統(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，是集機電液一體化的井下閉環(huán)鉆井工具。其工作原理是在鉆進過程中，通過外筒上均勻分布的3 個液壓柱塞向井眼高邊方向伸出，使工具沿糾斜方向鉆進，從而達到糾斜防斜的目的[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)場試驗應用。在塔里木油田庫車山前8井次的應用中，機械鉆速比鄰井提高2～3 倍，井斜控制在0.6°以內。在克深907 井應用中，單套工具連續(xù)工作時間達到242 h，進尺2 735 m，施工井段最大井斜0.6°。系統(tǒng)性能表現(xiàn)已達到商業(yè)化應用條件。

2.5 UPC-VDS系統(tǒng)

2.5.1 技術介紹

中國石油大學（華東）研制的UPC-VDS 系統(tǒng)是具有完全自主知識產權的國產化自動垂直鉆井系統(tǒng)，主要由井斜測控單元、液壓導向單元、機械推靠單元和信號傳輸單元構成，如圖9 所示。該系統(tǒng)采用全旋轉的推靠式垂鉆模式，在鉆進時能夠實時自動測量井斜，并根據測量結果判斷井斜發(fā)展趨勢，尋找井眼高邊、調整側向推靠力指向，保證井眼軌跡趨向垂直，達到主動防斜和實時糾斜的目的。在保證井身質量的前提下，高陡構造、易斜地層的鉆進中可以最大限度釋放鉆壓，顯著提高井眼質量和機械鉆速[37-38]。目前已成為油田市場化程度最高的國產化垂直鉆井系統(tǒng)之一。

圖9 UPC-VDS系統(tǒng)構成

2.5.2 應用情況

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。應用井深、應用井底溫度和工具單次入井時間等指標均創(chuàng)造了國內同類工具較高紀錄。同時，UPC-VDS自動垂直鉆井系統(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合沖擊作用，極大抑制了鉆壓及扭矩波動，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 自動垂直鉆井系統(tǒng)技術比較

綜上所述，國內外各自動垂直鉆井系統(tǒng)比較見表1。

表1 國內外各自動垂直鉆井系統(tǒng)比較

通過對比可以發(fā)現(xiàn)：

1）國外的Power-V 系統(tǒng)和國內的SL-AVDS 系統(tǒng)、UPC-VDS 系統(tǒng)推靠均為動態(tài)推靠式，其他系統(tǒng)基本為靜態(tài)推靠。目前商業(yè)運用廣泛的靜態(tài)推靠式垂直鉆井工具主要來自國外。動態(tài)推靠式自動垂直鉆井工具的執(zhí)行機構始終處于連續(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用。而靜態(tài)推靠式自動垂直鉆井工具的偏置機構為間歇式動作，對工具的工作壽命要求較低。但是，靜態(tài)推靠式的執(zhí)行機構推靠板被推出后與工具本體分離，易使環(huán)空巖屑進入工具內部而發(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現(xiàn)，國內幾種工具的推靠力均來自電控液壓。

3）除了動態(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，而國內研制的幾種靜態(tài)推靠式自動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，小井徑工具存在一定的技術難度。

4 結束語

目前，國外自動垂直鉆井系統(tǒng)技術成熟且商業(yè)應用廣泛。Power-V垂直鉆井系統(tǒng)是目前國內應用最多、效果很好的直井鉆井系統(tǒng)。但是國外自動垂直鉆井系統(tǒng)技術封鎖、只租不售、系統(tǒng)運行及算法等均屬于核心機密。國內自動垂直鉆井系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了與國外公司同臺競技的機會，為我國油氣鉆探開發(fā)提供了有力的技術支撐。但是，國內的垂鉆工具普遍還未實現(xiàn)大規(guī)模量產應用，建議逐步形成具有完全自主知識產權的關鍵技術。