国内外典型自动垂直钻井系统技术分析与比较

李志彬

中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司（天津 300452）

随着石油勘探开采的难度增大，深层油气开发中易斜地层的防斜打快问题、海上油气开发中的直井段防斜和高密度丛式井防碰打直问题，都是制约深层油气勘探开发的重要因素[1-2]。由于常规防斜手段无法真正满足复杂地层及井身条件钻直井的需要，自动垂直钻井技术的出现完美地解决了问题。目前，商用自动垂直钻井系统工具主要掌握在国外油服公司手中[3-7]。随着国内石油公司及科研院所对自动垂直钻井技术研究能力的提升，推出的系统工具虽然有待完善，但商业应用前景广阔[8-12]。针对国内外发展较为成熟的10 种自动垂直钻井系统进行技术介绍和对比分析。

1 国外典型自动垂直钻井系统

1.1 Verti-Trak系统

1.1.1 技术介绍

Vert i-Trak作为一种机电液一体化式的闭环自动垂直钻井系统，将AutoTrak 旋转导向、高性能XTreme 马达和MWD 3 种技术结合起来，通过钻头推靠方式进行纠斜，因此也成为了贝克休斯最先进的垂直钻井系统，如图1所示。

图1 Verti-Trak系统

Verit-Trak 系统关键结构包括：3个可伸缩导向肋条、X-treme 动力节、MWD 重力传感器。其工作原理是：1～2 个可伸缩导向肋条在液压作用下伸出作用于井壁，以此来对抗钻进时的井斜趋势；当井眼垂直时，工具上的3个导向肋条同时作用于井壁，保证钻头垂直居中钻进。当进入划眼工作模式时，3 个肋板全部收回[13-16]。整个过程中，MWD 负责监测跟踪反馈钻进时的井斜变化。

1.1.2 应用情况

Verti-Trak垂直钻井系统目前主要有171.45 mm（6¾"）和241.3 mm（9½"）（1"=25.4 mm）。作为国外最成熟的垂直钻井系统之一，在国内外得到广泛应用且效果显著。在意大利BIGBORN地区，609.6 mm（24"）和444.5 mm（17.5"）井段到2 200 m 的目标内井斜小于4°，比设计工期节省28 d。在南美Macueta 1001bis井558.8 mm（22"）和406.4 mm（16"）井段，钻进2 176 m，井眼保持垂直，406.4 mm（16"）井眼钻进机械钻速增加200%～300%，作业周期节约17 d。在加拿大Anadarko Dawson某井中，215.9 mm（8½"）井眼钻进1 659 m，在全程纠斜作用下实现最大井斜0.35°，钻井时间比邻井减少28% 。在墨西哥湾Chevron 公司某深水井中，Verti-Trak 垂直钻井系统在3 505.20～3 870.96 m盐层段钻出了高质量的垂直井眼，创下了墨西哥湾地区的新纪录。

国内多个油田的油气井应用过Verti-Trak 系统。从应用效果看，井斜基本控制在2°以内，机械钻速得到了有效提高。例如在大湾1 井应用中，其平均机械钻速提高了3 倍，全程井斜角最大0.55°，钻压由之前的60～80 kN释放到200～280 kN，这是常规纠斜工具组合所达不到的。

1.2 Power-V系统

1.2.1 技术介绍

Power-V系统的基础是斯伦贝谢Power Drive系列旋转导向系统。Power-V系统主要由电子控制部分和机械部分组成，分别位于工具的上下端，其中电子控制部分是Power-V系统的指挥中枢。该系统的特点是“全自动化”：自动追踪钻进井斜变化，自动设定和调整工具侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态，如图2所示。

图2 Power-V系统

泥浆导流阀和3个推力块构成该工具的机械执行装置。电子控制部分的控制轴决定导流阀的方向。导流阀负责分流泥浆，这部分泥浆流向转到该方向的某个推力块并将其推出，依靠井壁对钻头产生的侧向力实现地面工程师所需要的方位。当推力块转过这个位置并缩回后，下一个推力块重复刚才伸出的动作，从而实现“全自动化”的旋转导向功能。

1.2.2 应用情况

Power-V工具在国外市场已得到普遍认可。在北海、阿联酋油田超2 000 m 井段的应用中井斜角控制在1°以内。在南美洲某井中，一趟下钻打完井段1 121.66 m，最大井斜0.2°、水平位移0.3 m。Italy Miglianico 2 号井钻406.4 mm(16")井眼时，Power-V工具仅下井一次，钻进1 736 m，机械钻速比周围井的平均机械钻速高21%，井斜角未超过1°。国内在塔里木、柴达木、普光气田、川东北、川西高陡地区、玉门油田、大庆油田及海上油田等都成功应用过Power-V 系统，井斜基本都控制在1.5°以下，平均机械钻速提高2～4倍，大幅节省钻井工期[17-24]。优异的井斜控制效果使其成为国内外商业应用最成功的自动垂直钻井系统之一。

1.3 机械式自动垂直钻井系统

1.3.1 技术介绍

近年，降低钻井成本逐渐成为钻井企业生存的要求。类似Power V、Verti-Trak 等工具均含有复杂的井下电子控制系统，对工具性能要求极高，造价及后期维护成本高。而机械式自动垂直钻井系统具有成本低、耐高温、适用性强、可靠性高等特点[25-26]。目前，典型的机械式自动垂直钻井工具主要有Scout Downhole 公司的Vertical Scout、Halliburton公司的V-Pilot和Verti Steer。这3种工具都是采用静态推靠式设计，通过高压钻井液以不同引流方式推动机构运作，从而提高工具的纠斜能力。

其中，Vertical Scout系统工具主要由芯轴、径向轴承、止推轴承、静止外套、偏重机构和推靠机构组成，如图3 所示。配流接头负责把提供推靠力的高压钻井液进行分流，盘阀对过流的钻井液进行控制，推靠板在偏重块和盘阀共同作用下推向井眼高边，从而进行井眼纠斜。理论上，该工具的纠斜能力在井斜超过0.06°后达到最大。

图3 Vertical Scout工具主要结构

V-Pilot 系统主要由垂直钻井部分和改良的Geo-Force马达构成。当井斜超过0.2°时，钟摆偏重总成和阀门总成被激活，控制垫片总成中的4 个活塞导向块独立或协同推向井壁进行纠斜作业。由此可见该工具的纠斜灵敏度很高（图4）。与V-Pilot不同的是，类似Vertical Scout 的双层弧面推靠板方案被Verti Steer 工具的推靠执行机构所采用，工具的稳定可靠性更加突出，工作耐温可达232 ℃。

图4 V-Pilot系统垂直钻井部分

1.3.2 应用情况

目前，Vertical Scout 工具在北美地区数百口井的应用中，机械钻速得到较大提高。该工具配合螺杆马达和PDC钻头，成功解决了山前高陡髙斜地质构造容易导致大井斜、大狗腿的问题。在加拿大Crooked Hole Country 地区某井222.25 mm(8¾")直井井眼钻探中，最大井斜小于0.5°，最大水平位移仅有4.3 m。该系统在USA-Lea County 区块的一口井中用于侧钻纠斜也取得了很好的效果。

V-Pilot 工具在加拿大Alberta 地区的一口直井作业过程中，在钻出高质量井眼的同时井斜基本保持在0.5°以内，机械钻速为7 m/h，是该油田的平均之最。加拿大Komie 地区某水平井直井段作业中，全程井斜控制在0.2°～0.5°；平均机械钻速接近65 m/h。阿曼石油公司某井311.15 mm（12¼"）井眼从637 m 钻进至1 659 m，最大井斜0.7°，平均井斜0.3°。Verti Steer 钻井工具投入市场后，先后在Papua New Guinea 的超高压页岩构造带上进行了444.5 mm（17½"）井眼的纠斜作业和311.15 mm（12¼"）井眼的直井作业，成功克服了地层高对自然造斜率的不利影响。

虽然纯机械自动垂直钻井工具在应用过程中机械钻速提升明显，但也有自己的问题。由于工具中没有电子仪器，在一定程度上影响了纠斜效果；同时井下工具的工作状态无法通过测量设备获取；因此没有形成大范围地推广应用。

2 国内典型自动垂直钻井系统

2.1 SL-AVDS系统

2.1.1 技术介绍

SL-AVDS 系统是由中石化胜利钻井院自主研发的自动垂直钻井系统。该系统主要由捷联式稳定平台和防斜纠斜执行机构组成。与Power-V系统的推靠方式一样，SL-AVDS 系统也是在旋转钻进时，通过动态推靠产生的侧向推靠力来达到防斜、纠斜的目的。期间，捷联式稳定平台中的随钻测量短节和井下闭环控制系统对垂直井眼轨迹进行连续控制[27-29]。图5 为SL-AVDS 加装防斜执行机构图。

图5 SL-AVDS加装防斜执行机构的实物图

2.1.2 应用情况

目前SL-AVDS系统工具一般适用于311.15 mm（12¼"）、215.9 mm（8½"）和241.3 mm（9½"）井眼，工具寿命达到100 h，井斜控制精度为±0.5°。该工具在胜利新区、川东北等区块成功完成了25口井的现场技术服务，累计应用进尺超过8 000 m，井下无故障工作时间超过1 600 h，产生经济效益过亿元。

2.2 CG-VDS系统

2.2.1 技术介绍

CG-VDS垂直钻井系统是由中石油钻井院自主研制的机电液一体化的推靠式垂直钻井系统，主要由执行单元、控制单元和测量单元组成，如图6 所示。当钻柱旋转时，不旋转活套与旋转的钻柱之间产生相对运动，进而推动柱塞泵使液压系统形成高压油源。控制单元依靠液压推动纠斜推力块伸出并调节推力的大小。测量单元可以实时控制纠斜力的方向，以此保证钻出垂直的井眼。

图6 CG-VDS垂直钻井系统

2.2.2 应用情况

CG-VDS 系统工具一般适用311.15 mm(12¼")井眼。该系统先后在冀东、大港、长庆、玉门等油田进行现场工具试验。其中，在玉门油田薛1 井中应用进尺438.92 m，平均机速12.5 m/h，比设计提高了47%，井斜控制在1.6°之内。

2.3 BH-VDT系统

2.3.1 技术介绍

中石油渤海钻探BH-VDT5000系统是一种机电液一体化式的全自动垂直钻井系统，其本体相对地层静止，通过钻头推靠方式进行纠斜。BH-VDT5000系统主要包括供电和信号上传系统和井下闭环控制系统[30-33]，如图7所示。

图7 BH-VDT5000系统

2.3.2 应用情况

BH-VDT5000 系统工具主要适用于444.5 mm（17½"）井眼，井斜控制精度±0.1°，最大工作压力60 MPa。该系统先后在塔里木油田完成了10 余口井的垂直钻井服务，累计总进尺约14 590 m，入井总时间3 024 h，正常钻进井段井斜小于0.5°，平均机械钻速大幅提高，防斜提速效果明显。

2.4 XZ-AVDS系统

2.4.1 技术介绍

西部钻探钻井院自主研发的XZ-AVDS 自动垂直钻井系统主要由电源系统、测量控制系统、液压执行系统组成，是集机电液一体化的井下闭环钻井工具。其工作原理是在钻进过程中，通过外筒上均匀分布的3 个液压柱塞向井眼高边方向伸出，使工具沿纠斜方向钻进，从而达到纠斜防斜的目的[34-36]，如图8所示。

图8 XZ-AVDS系统

2.4.2 应用情况

该系统针对不同井眼尺寸拥有两种规格、4 种尺寸（12¼"、13⅛"、16"、17½"）的系列化产品，先后在新疆、塔里木、玉门等油田完成了多井次的现场试验应用。在塔里木油田库车山前8井次的应用中，机械钻速比邻井提高2～3 倍，井斜控制在0.6°以内。在克深907 井应用中，单套工具连续工作时间达到242 h，进尺2 735 m，施工井段最大井斜0.6°。系统性能表现已达到商业化应用条件。

2.5 UPC-VDS系统

2.5.1 技术介绍

中国石油大学（华东）研制的UPC-VDS 系统是具有完全自主知识产权的国产化自动垂直钻井系统，主要由井斜测控单元、液压导向单元、机械推靠单元和信号传输单元构成，如图9 所示。该系统采用全旋转的推靠式垂钻模式，在钻进时能够实时自动测量井斜，并根据测量结果判断井斜发展趋势，寻找井眼高边、调整侧向推靠力指向，保证井眼轨迹趋向垂直，达到主动防斜和实时纠斜的目的。在保证井身质量的前提下，高陡构造、易斜地层的钻进中可以最大限度释放钻压，显著提高井眼质量和机械钻速[37-38]。目前已成为油田市场化程度最高的国产化垂直钻井系统之一。

图9 UPC-VDS系统构成

2.5.2 应用情况

该系统已完成塔里木油田、西北油气分公司、新疆油田、胜利油田等所属区块50余口井的垂直钻井作业，均取得了较好的防斜、纠斜、打快效果。应用井深、应用井底温度和工具单次入井时间等指标均创造了国内同类工具较高纪录。同时，UPC-VDS自动垂直钻井系统创新性提出了“垂直钻井+多维冲击减振”的垂直钻井提速新模式，通过多维冲击器液压减振及复合冲击作用，极大抑制了钻压及扭矩波动，保证了井下垂钻仪器的高效稳定工作，井斜控制基本小于1°。

3 自动垂直钻井系统技术比较

综上所述，国内外各自动垂直钻井系统比较见表1。

表1 国内外各自动垂直钻井系统比较

通过对比可以发现：

1）国外的Power-V 系统和国内的SL-AVDS 系统、UPC-VDS 系统推靠均为动态推靠式，其他系统基本为静态推靠。目前商业运用广泛的静态推靠式垂直钻井工具主要来自国外。动态推靠式自动垂直钻井工具的执行机构始终处于连续工作状态，影响工具的使用寿命，一旦损坏则需高昂的维修费用。而静态推靠式自动垂直钻井工具的偏置机构为间歇式动作，对工具的工作寿命要求较低。但是，静态推靠式的执行机构推靠板被推出后与工具本体分离，易使环空岩屑进入工具内部而发生卡钻，影响工具的正常使用。

2）国外垂直钻井工具的推靠过程均通过钻井液压力的方式实现，国内几种工具的推靠力均来自电控液压。

3）除了动态推靠式垂直钻井工具Power-V可适用于139.7 mm的小井眼外，其余几种工具的适用井眼直径大多大于200 mm，而国内研制的几种静态推靠式自动垂直钻井工具均适用于直径大于311 mm的井眼。现有多数静态推靠式垂直钻井工具的尺寸较大，不能满足小井眼钻进，小井径工具存在一定的技术难度。

4 结束语

目前，国外自动垂直钻井系统技术成熟且商业应用广泛。Power-V垂直钻井系统是目前国内应用最多、效果很好的直井钻井系统。但是国外自动垂直钻井系统技术封锁、只租不售、系统运行及算法等均属于核心机密。国内自动垂直钻井系统的发展创造了与国外公司同台竞技的机会，为我国油气钻探开发提供了有力的技术支撑。但是，国内的垂钻工具普遍还未实现大规模量产应用，建议逐步形成具有完全自主知识产权的关键技术。