Power-V垂直钻井技术及现场应用研究

徐 超，夏宏南

Power-V垂直钻井技术及现场应用研究

徐 超，夏宏南

垂直钻井系统是一套专为垂直钻井而设计的旋转导向技术新系统。随着塔里木油田在山前构造区域勘探开发力度的不断增大，防斜快打技术成为制约塔里木地区山前构造勘探开发钻井进程的关键技术。重点介绍了Power-V系统的特点及工作原理，列举了其在塔里木山前构造垂直钻井技术应用情况。Power-V系统垂直钻井技术可完全解放钻压，变被动防斜为主动防斜，对未来山前高陡构造防斜快打、缩短钻井周期、降低钻井成本具有一定的借鉴意义。

垂直钻井技术；Power-V系统；防斜快打

近年来，随着导向钻井技术的快速发展与应用，垂直钻井技术在传统的防斜快打理论和技术的基础上取得了较大进展。目前世界上广泛使用的垂直钻井系统主要有：德国的ZBE系统，斯伦贝谢的Power-V系统和VertiTrak系统3种。下面，笔者将重点对Power-V系统进行概述。

1 Power-V系统构成及工作原理

1.1 系统构成

图1 Power-V系统降斜原理

图2 Power-V系统组成示意图

Power-V系统是斯伦贝谢公司开发的一套“全自动化”的旋转导向垂直钻进工具。在钻进时会自动追踪地心引力，当井斜超过规定值后，自动设定和调整工具侧向力，在工具全旋转状态下伸缩块沿井斜高边方向频繁推出，给钻具一个侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态，如图1所示。该工具主要由2大部件组成，在两者中间还有一个辅助部分加长短接(Extension Sub，ES)，如图2所示。

1)控制单元(Control Unit， CU) 控制单元是Power-V的指挥中枢，通过测量系统测量井底的井斜角和方位角，然后按照地面工程师的要求把其内部的电子控制部分固定在某一个方位上(即高边工具面角)，从而实现无论钻柱如何旋转，控制器内部的控制轴始终对准需要的方位上，通过接受泵排量产生的脉冲信号指令来改变工具的工作状态。

2)偏置单元(Bias Unit， BU) 偏置单元是一个纯机械执行装置，下接钻头，上接控制器，主要由3个伸缩块和1个钻井液导流阀组成。伸缩块的伸缩由钻井液导流阀控制。

Power-V指令的发送是通过泵压的脉冲实现的，4个脉冲可以完成1个指令的发送，实现不同工具面的转换。Power-V系统的伸缩块的最大伸出量、伸出前后工具可达最大外径如表1所示。

1.2 工作原理

表1 Power-V系统工作尺寸

开泵后，发电机发电，陀螺测量到井底的井斜角和方位角(即高边)，然后按照地面工程师的要求把其内部的电子控制部分固定在某一个方位(即高边工具面角)，从而实现无论钻柱如何旋转，CU内部的控制轴始终对准在需要的方位上，这个方位加上一个校对值后就是地面工程师所需要的高边工具面角的反方向。如果需要调整这个控制轴的方位角，可以由地面工程师给Power-V发送命令，方法是：按照一定的时间编排方式，在不同的时间开不同的工作排量，CU内部的传感器探测到这个排量的变化后，由其内部的程序对其进行核对，如果与预先设定的某个指令相符，就开始执行这个新的工作指令。

2 Power-V系统的特点

2.1 Power-V系统的优点

①使用Power-V钻出的井径很规则，而使用传统泥浆马达在滑动井段的井径扩大很多，而转动井段的井径基本不扩大。这种井径的忽大忽小是井下事故的隐患，也不利于固井时水泥量的计算。②由于Power-V钻具组合中的所有部分都在不停的旋转，大大降低了卡钻的风险。同时，有利于岩屑的搬移，大大减少了形成岩屑床的机会，从而更好的清洁井眼。③钻进时进行自动纠斜，即不需要起钻换钻具，也不必停钻调整设置。④由于Power-V钻具组合一直在旋转，有利于水平井、大斜度井和3000m以下深井中钻压的传递，可以使用更高的钻压和转盘转速，有利于提高机械钻速。而使用泥浆马达在大井斜的长裸眼段滑动钻进时送钻特别困难，经常是上部的钻杆已经被压弯了，而钻压还没有传递到钻头上，还常常引发随钻震击器下击，损害钻头寿命。

2.2 Power-V系统的局限性

①对泥浆密度要求比较严格，必须在Power-V下井之前从甲方那里得到下一趟钻泥浆密度的平均值和可能的范围，其次还要知道进行水利计算所需要的塑性粘度和屈服值。②排量。在Power-V下井之前，必须从甲方那里得到井队泥浆泵可以提供的排量范围。每根仪器具体的工作排量由实验室确定。③钻头水眼。根据上述各项数据进行水力计算，在总泵压允许的情况下，按照Power-V比较理想的工作压降选择钻头水眼，如果可能的话，兼顾钻头水马力。④钻头压降。它决定着推力块对井壁的推力大小。压降太大会降低机械部分的寿命，甚至破坏机械部分；压降太小会降低Power-V的作用，达不到预期效果。需要根据当时井的具体情况选择一个合理值。一旦仪器下井，通常是通过改变排量来调节钻头压降。⑤转盘转速。工作范围0～240r/min，转速太低，达不到预期效果；转速太高，则机械部分BU的磨损加快，需要根据当时井的具体需要而定。⑥Power-V对牙轮钻头的要求比较简单：能够承受高钻压和高转速。对PDC的要求比较严格：保径部分要短，保径部分上必须要有切削齿，Taper要短，钻头总长度要短。

3 塔里木山前构造垂直钻井技术应用情况

2004～2008年，垂直钻井技术仅在塔里木山前构造2口井的8in井眼中进行了应用(全部为Power-V系统)，总进尺844.33m，平均机械钻速1.68m/h，其中英深1井为侧钻，古城4井用于纠斜(见表2)。

表2 垂直钻井技术在8in井眼的应用情况统计

表2 垂直钻井技术在8in井眼的应用情况统计

井 号井段/m进尺/m纯钻时间/h钻速时间/m·h-1最大井斜/(°)工具磨损情况英深1井4870～55006302053.071.1BU部分PAD磨损古城4井4799.85～4868.768.85148.40.460.49无描述4868.7～4888.6319.9346.180.43无描述4888.63～4966 77.3765.271.19无描述 4966～5046.1848.1839.21.23无描述

2006～2007年，垂直钻井技术在15口井16in(17in)井眼中进行了推广应用，总进尺42933.22m，总的纯钻时间6605.81h，平均机械钻速6.05m/h，机械钻速最高达到51.05m/h，最大井斜控制在1.8°以内，井斜和全角变化率控制全部合格。这一阶段Power-V系统寿命有很大提高，很少发生因Power-V系统出现问题而起钻的现象(见表3)。

表3 2006～2007年垂直钻井技术在16in( 17in)井眼应用情况

表3 2006～2007年垂直钻井技术在16in( 17in)井眼应用情况

井 号井段/m进尺/m纯钻时间/h钻速/m·h-1最大井斜/(°)工具磨损情况克深2393.56～1802 1408.4498.514.30.5Power-V磨损正常DN2-5256.15～885 628.8520.0731.330.42正常885～27421857196.969.43正常2742～3366624109.035.72PAD轻微磨损,密封冲蚀3366～374337765.185.78正常

总的来说，垂直钻井技术的成功应用加快了钻井速度，解决了山前高陡构造防斜与快打的矛盾，大大加快了勘探开发进程。塔里木油田迪那地区应用垂直钻井技术后，勘探开发进度明显快于常规钻井，钻达4000m井深平均少用130d左右。

4 结 论

1)根据Power-V工具的工作原理，该套垂直钻进系统可应用与定向井、水平井的施工作业，井眼轨迹将比常规弯外壳螺杆或弯接头滑动造斜、增斜钻出的井眼轨迹平滑连续，不会出现摩阻、拖压等现象。

2)Power-V垂直钻井技术可有效解决山前高陡构造防斜快打问题。该技术的应用提高了井身质量，缩短了钻井周期，使井斜控制和成本控制有机地结合在一起。

[1]高德利，高宝奎，谢金稳，等.钻压防斜技术的实践与理论探讨[J].石油钻采工艺，1995,17(6)：1-6.

[2]蔡雨田.塔里木盆地东北区的钻井工艺[J].石油钻采工艺，1989,11(2)：51-55.

[3]王春生.PowerV垂直钻井技术在克拉2气田的应用[J].石油钻采技术，2004，26(6)：4-8.

[4]Su Yinao，Wang Zhen-ying. Study of Vertical Drilling Technology in High Dip and Applications of BHA with Offset Axes Sub[J]. SPE 50889，1998.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.032

TE921.2

A

1673-1409(2012)10-N104-03