Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)技術(shù)研究

張全善 許開杰

摘要：復(fù)雜多變的地層構(gòu)造為鉆井施工中井斜控制帶來了極大的難題，嚴重的井斜情況不光降低了機械鉆速，還拉長了鉆井周期，使得鉆井成本變高，嚴重的甚至直接決定鉆探施工是否成功。為有效解決井斜問題，開發(fā)研究出自動垂直鉆井技術(shù)便成為鉆井迫在眉睫的問題。本文主要通過幾個方面介紹了Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)。研究該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與各自的作用，分析其工作原理，根據(jù)其特點做出國內(nèi)適應(yīng)性評價。

關(guān)鍵詞：Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng);構(gòu)造;鉆井

二十一世紀以來，運用在油氣田勘探開發(fā)方面技術(shù)一直不斷進步，所遇到的地層構(gòu)造也變得愈加復(fù)雜。復(fù)雜多變的地層構(gòu)造為鉆井施工中井斜控制帶來了極大的難題，嚴重的井斜情況不光降低了機械鉆速，還拉長了鉆井周期，使得鉆井成本變高，嚴重的甚至直接決定鉆探施工是否成功。為了防止井斜，之前曾才用過諸多鉆井技術(shù)，比如鐘擺、滿眼鉆具等常規(guī)組合鉆具技術(shù)。這些常規(guī)技術(shù)可以有效的克服前兩方面要素。但是這些技術(shù)并不能有效的克服大傾角構(gòu)造以及高陡構(gòu)造地層的高造斜力對井斜的影響。綜上所述，為有效解決井斜問題，開發(fā)研究出自動垂直鉆井技術(shù)便成為鉆井迫在眉睫的問題。

1 Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)是在VDS系統(tǒng)的原理基礎(chǔ)上由Baker Hughes INTEQ公司與一家日本公司合作共同開發(fā)出來的。該系統(tǒng)綜合運用了可靠的隨鉆測試技術(shù)（MWD系統(tǒng)）、閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（AUTOTRAK）以及高性能X-TREME馬達，能夠?qū)崿F(xiàn)隨鉆糾斜，鉆出筆直的井眼。

Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)主要由MWD系統(tǒng)、閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)井下和高性能X-TREME馬達組成。

（1）MWD系統(tǒng)

MWD系統(tǒng)主要由重力傳感器、渦輪發(fā)電機、脈沖發(fā)生器和液壓控制系統(tǒng)組成。其各組成作用如下：

重力傳感器：能夠?qū)崟r監(jiān)測井斜;

渦輪發(fā)電機：能夠給整個系統(tǒng)提供電能，并能夠驅(qū)動液壓泵;

液壓控制系統(tǒng)：通過控制閥將液壓傳遞到導(dǎo)向穩(wěn)定器的導(dǎo)向肋板上，并提供合適的推力，對鉆頭進行糾斜。

（2）AUTOTRAK系統(tǒng)

閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)主要是由導(dǎo)向穩(wěn)定器組成，導(dǎo)向穩(wěn)定器模塊化設(shè)計3個可伸縮的具有高推力的導(dǎo)向肋板，3個導(dǎo)向肋板都位于同一圓周平面上，相互之間的夾角呈現(xiàn)120°。每個導(dǎo)向肋板推力的大小是由可靠的獨立液壓驅(qū)動提供和控制的，推力最高可達3噸。

（3）高性能X-TREME馬達

高性能X-TREME馬達能夠一方面給鉆頭鉆進提供動力，另一方面與導(dǎo)向穩(wěn)定器相配合給鉆頭提供穩(wěn)定的糾斜力。高性能X-TREME馬達較常規(guī)泥漿馬達而言，具有更加強大的功率和扭矩輸出能力，具有更高的效率。同時獨有的預(yù)成型定子技術(shù)降低了90%的橡膠使用量，因此使用高性能X-TREME馬達磨阻更低，形變量更小，使用壽命更長。

2 Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)工作原理

Verti Track自動垂直鉆井系統(tǒng)工作原理：在鉆進過程中，當(dāng)MWD重力傳感器監(jiān)控到井斜時，井下微處理器再分析判斷到井斜趨勢后，便立即啟動液壓導(dǎo)向控制系統(tǒng)。在液壓力的驅(qū)使下，導(dǎo)向穩(wěn)定器靠近井眼高邊方向的一至兩個肋板將伸出，推靠井壁，從而產(chǎn)生橫向方向的力，這個橫向方向的力便使鉆頭產(chǎn)生糾斜力，使鉆頭逐漸回到垂直方向上，糾正井斜。同時鉆井的相關(guān)參數(shù)會由MWD系統(tǒng)實時傳送到地面監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時跟蹤和分析?當(dāng)鉆頭回到垂直方向上，井眼實現(xiàn)完全垂直的情況后，三個肋板將全部伸出，并施加同樣大小的力，使鉆頭保持居中的狀態(tài)，保持井眼實現(xiàn)垂直鉆進?這一糾斜的過程，Verti Track自動垂直鉆井系統(tǒng)能夠獨立自主完成，不需要人為的進行操作干預(yù)。

Verti Track自動垂直鉆井系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)穩(wěn)定器欠尺寸穩(wěn)定器外徑的大小和其在鉆具組合中的位置，將預(yù)期降斜率在（0.8～1.5）°/30m之間進行設(shè)定。如果在鉆進時需要微調(diào)降斜率，則需要調(diào)整鉆壓、排量等技術(shù)參數(shù)。

3 Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)特點

3.1 Vert iTrak自動垂直鉆井系統(tǒng)適用性

Vert iTrak自動垂直鉆井系統(tǒng)適用于大傾角地層、斷層帶（山前構(gòu)造、硬地層）、鹽層、使用PDC鉆頭井斜傾向的情況等。要求井身結(jié)構(gòu)“瘦”時也可以使用該系統(tǒng)，但是此時井眼位置需要十分準確，同時要求套管層數(shù)減少。

3.2 Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)的優(yōu)點

Vert iTrak自動垂直鉆井系統(tǒng)是斯倫貝謝公司最為先進的鉆井技術(shù)，相較于常規(guī)的防斜糾斜鉆井技術(shù)而言具有以下諸多優(yōu)點：

（1）降低了扭矩振動，減少了脫扣掉鉆具的風(fēng)險，降低了扭矩和摩擦阻力，減少了沾滑運動，避免了憋鉆，同時大幅度減小了鉆具和套管的磨損。

（2）釋放了鉆壓，提高了機械鉆速，降低了井眼狗腿度，提高了井壁穩(wěn)定性。

（3）降低鉆井成本。縮短了鉆井時間，降低了時間成本;減少了井場面積，使用較小的站地面積，降低了地面建設(shè)的成本，同時對環(huán)境的影響也能降低到最小;井身結(jié)構(gòu)比較“瘦”。因此在鉆井時破巖量大大降低，同時泥漿費用、環(huán)保費用和鉆頭費用都能夠大大減少。同時比較少的套管層數(shù)能夠大大提高固井效率。

3.3 Verti Trak自動垂直鉆井系統(tǒng)的局限性

Vert iTrak自動垂直鉆井系統(tǒng)雖然具有很多的優(yōu)點，但是其依舊有很多局限性，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）對設(shè)備要求比較高，在深度鉆井時需要較高泵壓，需要較為頻繁的修泵，刺鉆具發(fā)生概率偏高;又因泵壓比較高，一定程度上限制了其排量，較低了泥漿上返速度，導(dǎo)致其攜砂性不能充分發(fā)揮，起鉆時比較困難。

（2）在軟硬交錯地層滑動鉆進時，該系統(tǒng)修正井壁會有所不及，井壁容易不規(guī)則，導(dǎo)致下鉆時比較困難。

（3）為了使起下鉆時所用時間減少，該系統(tǒng)X-treme動力節(jié)需要恰當(dāng)?shù)你@頭來配合使用。

（4）該系統(tǒng)鉆速受鉆井液密度影響嚴重，為了提高鉆速可以降低其密度;同時該系統(tǒng)容易被大固相顆粒損壞。

4 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)能在高陡構(gòu)造?斷層?鹽層?井壁穩(wěn)定性差的井段等工況中鉆出高質(zhì)量的井眼?其主要在斷層（山前和硬地層）、大傾角地層、鹽層以及使用PDC 鉆頭有井斜的傾向等情況時使用。

（2）該系統(tǒng)在大傾角地層紅1井和山前井秋南1井的應(yīng)用中充分說明了其不光具有良好的糾斜防斜性能，同時能夠起到釋放鉆壓、提高機械鉆速、縮短鉆井周期、降低成本等優(yōu)點，但任對設(shè)備要求高、下起鉆較難、對鉆井液要求高等局限性。

參考文獻：

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