垂直钻井技术

二、典型的垂直钻井工具
钻具旋转时进行纠斜 (不需滑动钻进) － 主动防斜！ 在钻进时自动感应井斜，并进行自动化纠斜，无线控制、 所有部件都旋转 – “Everything ▪ 降低卡钻风险 ▪ 井眼更平滑 (低狗腿度) ▪ 减少井眼净化问题 ▪ 最大限度提高钻速 解放钻压, 正常钻进提高钻速 可以划眼和倒划眼 Rotates” ▪ 减少摩擦力和阻力 (钻压和扭矩传输更有效)
5. 由于PowerV钻具组合一直在旋转，特别有利于水平井、大斜度 井和3000米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。
涡轮
涡 轮
Steering Actuator Pad
Control Unit
Extension Sub
Bias Unit
二、典型的垂直钻井工具
电子控制部分CU：
CU是PowerV的指挥中枢，它内部有泥浆驱动的发电机，还有陀螺、钻柱 转速传感器、流量变化传感器、震动传感器、温度传感器以及电池控制的时钟 等等。它可以独立于外面的钻铤而旋转或者静止不转。
二、典型的垂直钻井工具 MWD 控制：
MWD 控制系统 精确的井斜测量 (0.01°) 涡轮发电机 液压泵对每个导向垫产生导向压力 传感器 井斜/工具面(X,Y) 温度 工具状态(滑动, 旋转) 交流电压 与地面的双向通讯 闭环系统通过对井眼轨迹的连续修正保持井眼垂直并使钻井效率最大
垂直钻井工具的研究
汇 报 人：张策
目录
垂直钻井技术概述
典型的垂直钻井工具
国内研究现状
方案选择
技术路线
项目进度安排
一、垂直钻井技术概述
垂直钻井是当今世界性钻井难题之一，它具有减少套管层次和套管尺寸、提 高机械钻速、减少钻柱事故的优点。垂直钻井作为主动防斜，其防斜打直效果不 受钻压影响，有利于提高钻速，广泛应用于高陡构造与大倾角等易斜地层和自然 造斜能力强的条件下的深井、超深井和复杂结构井直井段。 自动垂直钻井工具首先源于德国的大陆超深井计划(KTB)。从1986年钻井方案 的设计阶段起，KTB技术管理部门就认识到了垂直钻井系统的重要性。1990年10 月，自动垂直钻井工具第一次在KTB中使用。 第一代:外导向垂直钻井系统VDS-1(它是一个试验性产品)； 第二代:内导向垂直钻井系统VDS-3； 第三代:外导向垂直钻井系统VDS-5。 它们的主要组成部分为(1)泥浆脉冲发生器—把井下的信息传递到地面；(2)传感 器及控制器—测量及决定工具的导向方向；(3)液压控制系统—产生降斜力，纠 正井斜。 后来美国的BAKERHUGHES公司又在此基础上进一步研究发展，形成了一种真正 商业化的自动垂直钻井工具。
二、典型的垂直钻井工具 PowerV实物图
二、典型的垂直钻井工具
二、典型的垂直钻井工具来自旋转导向系统PowerV的优点：
1. 反映和降低了所钻井段的真正狗腿度，使井眼更加平滑； 2. 使用PowerV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 的忽大忽小为是井下事故的隐患，也不利于固井时水泥量的计 算。 3. 由于PowerV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。而使用传统泥浆马达在滑动钻进时除钻头外， 其他钻具始终贴在下井壁上，容易造成卡钻。 4. 在钻进过程中，由于PowerV组合中的所有钻具都在旋转，这有 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。这对于大斜度井、大位移井、水平井意义很大。
二、典型的垂直钻井工具
机械部分BU：
BU是一个纯机械执行装置，主要一个泥浆导流阀和三个由泥浆推动的pad ( 推力块)。 这个导流阀与电子控制部分CU的控制轴相连，其方向由控制轴的方位而定。 有2%-5%的泥浆首先经过这个导流阀分流，然后流向转到该方向上的某个推力块 A，推力块A就伸出，推挤井壁，井壁对钻头产生一个反作用力，这就是所谓的钻 头侧向力，从而把钻头推向地面工程师所需要的方位。该推力块A转过这个位置 后，泥浆的液压作用就转向下一个转到这里来的推力块B，从而推力块B伸出。而 推力块A则会在井壁对其的挤压下缩回去，周而复始，由此实现旋转导向功能。 推力块在那个方位伸出、伸出次数的几率(百分比)都是由地面工程师通过电子控 制部分决定的。对井壁推力的大小是由钻头压降决定的，可以由地面人员通过调 节排量而进行控制。
上涡 轮 磁铁 压力电 缆 磁铁 下涡 轮
上细 轴
二、典型的垂直钻井工具 简要工作原理：
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PowerV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吻合，就开 始执行这个新的工作指令。
二、典型的垂直钻井工具 系统工作原理：
VertiTrak垂直钻井系统在钻进过程中,当MWD重力传感器(距离钻头10m)检 测到有井斜趋势时,既可启动液压控制系统部件,一至两个肋板在液压力的作用下 伸出向井壁施加作用力，作用力大小可以调节，通过井壁对肋板的反作用力强迫 钻头向垂直方向移动,同时MWD传送实时井斜数据到地面系统以方便跟踪和监测。 当井眼完全垂直时,三个肋板全部伸出,并对井壁施加相同的力,将钻头居中,保持 井眼按垂直方向钻进。这一过程自动完成,不需要任何人为干涉。 VertiTrak最大降斜能力可以达到1.5°/30m,通过选择欠尺寸扶正器在钻具组 合中的位置及扶正器外径的大小,可以对预期降斜率的大小进行设定,范围在 1.5°/30m~0.8°/30m之间。在钻进时通过调整钻压、排量等技术参数也可以对 降斜率做适当的微调。
二、典型的垂直钻井工具 VertiTrak 的缺点：
泵压较高，修泵较频繁，容易刺钻具；因泵压较高，泵的排量受到一定限制， 上返速度偏低，泥浆的携砂性无法达到要求，造成起钻困难。 软硬交错的地层，滑动钻进时不能及时修正井壁，造成井壁不规则，起下钻困 难。 为了使VertiTrak垂直钻井技术充分发挥其作用，需要选择合适的钻头来匹配Xtreme 动力节，减少起下钻所消耗时间。 钻井液密度对钻速的影响较大，钻井液的密度降低有利于提高钻速。 钻井液中的大的固相颗粒有可能造成VertiTrak垂直钻井工具的损坏。
高推力 (每片3吨) 可靠的 类似于AutoTrak旋转导向技术 模块化设计 可靠的独立液压驱动 提供不受钻井参数和地层特性影响的连续井斜控制
X-treme 动力节：
强大的功率和扭矩输出——比常规泥浆马达高60% 更高的效率 独有的予成型定子技术 降低了90% 的橡胶用量 • 更低的磨阻 • 更小的变形 寿命更长,使用次数更多
二、典型的垂直钻井工具 PowerV工作后的实物图：
二、典型的垂直钻井工具 PowerV组成部分和工作原理简介：
PowerV主要有两个组成部分，它们分别是上端的Control Unit (电子控制部分， 简称CU) 和下端的Bias Unit (机械部分，简称BU)。在两者中间还有一个辅助部 分Extension Sub(加长短接，简称ES)
各种传感器及电子控制板
系统工作模式：
钻进工作模式(SteerMode) ，钻进工作模式工作下有1~2个肋板在液压的作用下 伸出； 划眼工作模式(Ribs~off Mode)，划眼工作模式工作下三个肋板全部收回。 此两种工作模式可以很方便地通过控制开泵后2 min内的排量来进行设定。
二、典型的垂直钻井工具 导向肋板：
提高井身质量，降低每米成本
二、典型的垂直钻井工具 PowerV的局限性：
1. 对泥浆密度要求比较严格，必须在PowerV下井之前从甲方哪里得到下一趟钻泥 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PowerV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。本型号PowerV的工作排量范围通常为38－76升/秒，但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 PowerV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PowerV的作用，达不到预期效果。它 的工作范围为600－800psi, 650-750psi 之间比较理想。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0－240转/分，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。 6. PowerV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。
加长短接ES：
内部装有一个泥浆滤网，负责过滤分流后驱动机械部分BU当中推力块(pad) 的泥浆。
二、典型的垂直钻井工具
控制轴
Disk Valve
二、典型的垂直钻井工具
扶正器支点
推力扳Pad伸出， 推顶上井壁
从而使钻头产生一个指向 下井壁的侧向力
二、典型的垂直钻井工具
二、典型的垂直钻井工具
Pad out
二、典型的垂直钻井工具 VertiTrak 的优势：
降低了扭转振动 减低了脱扣掉钻具的风险 降低了扭矩和磨阻 避免憋钻 钻具与套管的磨损最小 减少了总的机械损耗 释放钻压，提高机械钻速，缩 短钻井周期 降低成本 较少的钻井时间 减少了井场面积 较小的站地面积 最小的环境影响 ”瘦”井眼比大井眼 降低了破岩量 较低的泥浆费用和环保费 用 较低的钻头费用 固井效率提高 可减少套管层数
二、典型的垂直钻井工具
2. PowerV 垂直旋转导向系统
PowerV 是斯伦贝谢公司旋转导向系统PowerDrive家族的一员。 旋转导向系统，是指让钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才 能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能。旋转导向系统广泛用于使用泥 浆马达进行滑动钻进时比较困难的深井、大斜度井、大位移井、水平井、分枝井 (包括鱼刺井)，以及易发生粘卡的情况。
一、垂直钻井技术概述
目录
垂直钻井技术概述
典型的垂直钻井工具
国内研究现状
方案选择
技术路线
项目进度安排
二、典型的垂直钻井工具
1. VertiTrak 垂直钻井系统
VertiTrak 系统综合了Auto Trak 的导向执行机构、 高性能的 X-TREME 马达及MWD实时上传技术的 一种闭环垂直钻井系统。 MWD控制短节由重力传感器、控制电路、涡轮 发电机、脉冲发生器以及液压控制系统组成。涡轮 发电机给整个系统供电，并同时驱动液压泵。MWD 通过重力加速计监测井眼的偏斜;液压控制系统通过 控制阀将液压传递到合适的1-2个肋板上,使其在井 壁上产生一个3t的反作用力,从而使井眼回到垂直方 向。MWD上传的数据包括：井斜、温度、液压力、 交流电压以及导向块的工作状况。 泥浆马达是BakerHughes公司新型高性能大功 率的X-TREME系列马达。融合了Navi-Drill技术， 输出功率比普通泥浆马达高60%。 导向执行机构的推力块相当于常规马达的近钻 头稳定器，其伸缩由液压控制系统控制，通过控制 阀将液压力传递到相应的推力块。