张全善 许开杰

摘要：复杂多变的地层构造为钻井施工中井斜控制带来了极大的难题，严重的井斜情况不光降低了机械钻速，还拉长了钻井周期，使得钻井成本变高，严重的甚至直接决定钻探施工是否成功。为有效解决井斜问题，开发研究出自动垂直钻井技术便成为钻井迫在眉睫的问题。本文主要通过几个方面介绍了Verti Trak自动垂直钻井系统。研究该系統的结构组成与各自的作用，分析其工作原理，根据其特点做出国内适应性评价。

关键词：Verti Trak自动垂直钻井系统;构造;钻井

二十一世纪以来，运用在油气田勘探开发方面技术一直不断进步，所遇到的地层构造也变得愈加复杂。复杂多变的地层构造为钻井施工中井斜控制带来了极大的难题，严重的井斜情况不光降低了机械钻速，还拉长了钻井周期，使得钻井成本变高，严重的甚至直接决定钻探施工是否成功。为了防止井斜，之前曾才用过诸多钻井技术，比如钟摆、满眼钻具等常规组合钻具技术。这些常规技术可以有效的克服前两方面要素。但是这些技术并不能有效的克服大倾角构造以及高陡构造地层的高造斜力对井斜的影响。综上所述，为有效解决井斜问题，开发研究出自动垂直钻井技术便成为钻井迫在眉睫的问题。

1 Verti Trak自动垂直钻井系统结构组成

Verti Trak自动垂直钻井系统是在VDS系统的原理基础上由Baker Hughes INTEQ公司与一家日本公司合作共同开发出来的。该系统综合运用了可靠的随钻测试技术（MWD系统）、闭环旋转导向系统（AUTOTRAK）以及高性能X-TREME马达，能够实现随钻纠斜，钻出笔直的井眼。

Verti Trak自动垂直钻井系统主要由MWD系统、闭环旋转导向系统井下和高性能X-TREME马达组成。

（1）MWD系统

MWD系统主要由重力传感器、涡轮发电机、脉冲发生器和液压控制系统组成。其各组成作用如下：

重力传感器：能够实时监测井斜;

涡轮发电机：能够给整个系统提供电能，并能够驱动液压泵;

液压控制系统：通过控制阀将液压传递到导向稳定器的导向肋板上，并提供合适的推力，对钻头进行纠斜。

（2）AUTOTRAK系统

闭环旋转导向系统主要是由导向稳定器组成，导向稳定器模块化设计3个可伸缩的具有高推力的导向肋板，3个导向肋板都位于同一圆周平面上，相互之间的夹角呈现120°。每个导向肋板推力的大小是由可靠的独立液压驱动提供和控制的，推力最高可达3吨。

（3）高性能X-TREME马达

高性能X-TREME马达能够一方面给钻头钻进提供动力，另一方面与导向稳定器相配合给钻头提供稳定的纠斜力。高性能X-TREME马达较常规泥浆马达而言，具有更加强大的功率和扭矩输出能力，具有更高的效率。同时独有的预成型定子技术降低了90%的橡胶使用量，因此使用高性能X-TREME马达磨阻更低，形变量更小，使用寿命更长。

2 Verti Trak自动垂直钻井系统工作原理

Verti Track自动垂直钻井系统工作原理：在钻进过程中，当MWD重力传感器监控到井斜时，井下微处理器再分析判断到井斜趋势后，便立即启动液压导向控制系统。在液压力的驱使下，导向稳定器靠近井眼高边方向的一至两个肋板将伸出，推靠井壁，从而产生横向方向的力，这个横向方向的力便使钻头产生纠斜力，使钻头逐渐回到垂直方向上，纠正井斜。同时钻井的相关参数会由MWD系统实时传送到地面监测系统，实现实时跟踪和分析?当钻头回到垂直方向上，井眼实现完全垂直的情况后，三个肋板将全部伸出，并施加同样大小的力，使钻头保持居中的状态，保持井眼实现垂直钻进?这一纠斜的过程，Verti Track自动垂直钻井系统能够独立自主完成，不需要人为的进行操作干预。

Verti Track自动垂直钻井系统可以调节稳定器欠尺寸稳定器外径的大小和其在钻具组合中的位置，将预期降斜率在（0.8～1.5）°/30m之间进行设定。如果在钻进时需要微调降斜率，则需要调整钻压、排量等技术参数。

3 Verti Trak自动垂直钻井系统特点

3.1 Vert iTrak自动垂直钻井系统适用性

Vert iTrak自动垂直钻井系统适用于大倾角地层、断层带（山前构造、硬地层）、盐层、使用PDC钻头井斜倾向的情况等。要求井身结构“瘦”时也可以使用该系统，但是此时井眼位置需要十分准确，同时要求套管层数减少。

3.2 Verti Trak自动垂直钻井系统的优点

Vert iTrak自动垂直钻井系统是斯伦贝谢公司最为先进的钻井技术，相较于常规的防斜纠斜钻井技术而言具有以下诸多优点：

（1）降低了扭矩振动，减少了脱扣掉钻具的风险，降低了扭矩和摩擦阻力，减少了沾滑运动，避免了憋钻，同时大幅度减小了钻具和套管的磨损。

（2）释放了钻压，提高了机械钻速，降低了井眼狗腿度，提高了井壁稳定性。

（3）降低钻井成本。缩短了钻井时间，降低了时间成本;减少了井场面积，使用较小的站地面积，降低了地面建设的成本，同时对环境的影响也能降低到最小;井身结构比较“瘦”。因此在钻井时破岩量大大降低，同时泥浆费用、环保费用和钻头费用都能够大大减少。同时比较少的套管层数能够大大提高固井效率。

3.3 Verti Trak自动垂直钻井系统的局限性

Vert iTrak自动垂直钻井系统虽然具有很多的优点，但是其依旧有很多局限性，具体表现在以下几个方面：

（1）对设备要求比较高，在深度钻井时需要较高泵压，需要较为频繁的修泵，刺钻具发生概率偏高;又因泵压比较高，一定程度上限制了其排量，较低了泥浆上返速度，导致其携砂性不能充分发挥，起钻时比较困难。

（2）在软硬交错地层滑动钻进时，该系统修正井壁会有所不及，井壁容易不规则，导致下钻时比较困难。

（3）为了使起下钻时所用时间减少，该系统X-treme动力节需要恰当的钻头来配合使用。

（4）该系统钻速受钻井液密度影响严重，为了提高钻速可以降低其密度;同时该系统容易被大固相颗粒损坏。

4 结论

（1）该系统能在高陡构造?断层?盐层?井壁稳定性差的井段等工况中钻出高质量的井眼?其主要在断层（山前和硬地层）、大倾角地层、盐层以及使用PDC 钻头有井斜的倾向等情况时使用。

（2）该系统在大倾角地层红1井和山前井秋南1井的应用中充分说明了其不光具有良好的纠斜防斜性能，同时能够起到释放钻压、提高机械钻速、缩短钻井周期、降低成本等优点，但任对设备要求高、下起钻较难、对钻井液要求高等局限性。

参考文献：

[1] 孙峰.捷联式自动垂直钻井系统稳定平台技术研究[D].青岛，中国石油大学（华东），2012：1-2.

[2] Lubinski A.Factors Affecting the Angle of Inclination and Dog Legging in Rotary Bore Holes[J].Drilling and Production，Practice，1953，22：21-2