垂直钻井技术
Power—V垂直钻井技术及现场应用研究
［ 稿日期］２１ ０ 收 ０ ２— ４—１ ２ ［ 作者简介］徐超 （ ９ ６一 ，男 ，２ １ １８ ） ０ ０年大学毕业 ，硕士 生，现主要从事钻井工艺方面的研究工作。
第 ９卷 第 １ ｏ期
徐 超 等 ：Ｐ ｗｅ－ 垂 直 钻 井 技 术 及 现 场 应 用研 究 ｏ ｒ Ｖ
１ ２ 工 作 原 理 ．
开泵 后 ，发 电机 发 电 ，陀 螺测 量 到井底 的井 斜 角
表 １ Ｐ ｗ ｒＶ 系 统 工 作 尺 寸 ｏ ｅ＊
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 ，Ｃ 内 部 的 Ｕ 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 危 ！ 反方 向。如果 需 要调 整这 个控 制轴 的方 位 角 ，可 以 由 ｛ 勺 地 面工程 师 给 Ｐ ｗｅ ｅ ｒＶ发 送命 令 方 法是 ：按 照一 定 的时 间 编 排方 式 ，在不 同 的时 问 开不 同 的工 作 排 一 量 ，Ｃ 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 Ｕ 个 指 令相 符 ，就开 始执 行这 个 新 的工作 指令 。
系统和 Ｖ ｒＴ ａ ｅｔ ｒｋ系统 ３种 。下 面 ，笔者将重 点对 Ｐ ｗｅ Ｖ系统 进行 概述 。 ｉ ｏ ｒ －
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
深井超深井、复杂结构井垂直钻井技术是石油勘探开发领域的重要技术之一。
它们的出现极大改善了油气勘探开发的效率和经济效益。
深井超深井钻井技术是指在地表以上一定的深度处，往下打井到一定深度或者目标层位的技术，一般来说，井深超过5000米即可被称为深井，而超过7000米则被称为超深井。
深井超深井钻井技术‘已经得到了广泛的应用。
而且随着技术的不断进步，钻井深度也不断提高。
它能够在原本难以开采天然气与石油的深水网底、沙漠等极端环境下进行勘探开发，具有能源资源的利用效果显著、社会经济效益极高等特点。
复杂结构井垂直钻井技术是指地质复杂，井身难度大，钻头易损坏等状况下的垂直钻井技术。
当地层结构复杂，井筒度偏大，井壁易坍塌等因素影响钻井井筒的直度和位置，这时候就需要采用复杂结构井钻井技术。
它能够充分发挥钻井设备的功能，保证钻井效率和安全性，并且能够在各种地质环境下顺利实施。
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
深井、超深井和复杂结构井垂直钻井技术是油气勘探与开发领域中的关键技术，它们的应用能够有效提高油气资源的开采效率和效益。
本文将从深井钻井技术、超深井钻井技术和复杂结构井钻井技术三个方面进行探究。
深井钻井技术是针对井深较大的油气井而设计的一项钻井技术。
一般而言，当井深超过3000米时，我们称为深井。
而在深井井段的钻进过程中，由于岩石力学性质的改变，钻井速度变慢，井漏、井塌等问题也随之增加。
深井钻井技术需要考虑钻井液体系的设计与优化、钻具与井眼之间的匹配、钻头的选择与设计等问题。
深井井下环境恶劣，对工具设备和井下作业人员有更高的要求，深井钻井技术还需要关注井下作业的安全性。
而复杂结构井钻井技术则是指针对复杂地质条件下的油气井而开发的钻井技术。
复杂地质条件包括但不限于水平井、斜井、S形井、复杂沉积层等。
针对这种类型的井，传统的垂直钻井技术往往难以达到预期的效果。
复杂结构井钻井技术需要解决的问题包括井眼的稳定性、钻进路径的控制、横向钻井技术的应用等。
通过合理的设计和技术手段，可以提高复杂结构井的构建效率和完整程度，从而提高油气资源的开采效益。
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术【摘要】深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在油气开采中具有重要意义。
本文从技术概述、特点、介绍、原理和关键技术等方面对这些钻井技术进行了探究。
深井超深井钻井工程具有高温高压、井深大、技术复杂等特点，复杂结构井更是面临地质构造复杂等挑战。
垂直钻井技术在解决这些问题中发挥着重要作用。
未来，技术研究将持续推动深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的发展，并对油气开采产生深远影响。
对这些技术进行深入研究，了解其发展趋势以及对油气产业的影响至关重要。
【关键词】深井超深井、复杂结构井、垂直钻井技术、钻井工程、技术研究、发展趋势、油气开采impact。
1. 引言1.1 深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的重要性深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在油气勘探开发中具有重要意义。
随着地表资源逐渐枯竭和人们对能源需求的不断增加，对深层油气资源的开发已成为当前的热点。
而深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的运用则是实现这一目标的关键。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术可以有效提高油气采收率。
由于深层油气资源埋藏深度较大，常规钻井技术无法满足长距离的油气开采需求。
而深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在探查前景、确定井位和提高产量方面有着独特的优势，可以有效提高采收率。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术可以减少工程风险。
深井钻井过程中会遇到高温高压、地层变化、井下环境等复杂情况，如果采用传统的钻井技术难以应对这些挑战。
而深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术具有更高的适应性和可靠性，可以有效降低工程风险。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术在油气勘探开发中具有重要意义，对提高采收率、减少工程风险等方面都有着积极的影响。
深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术的研究和应用具有重要意义和广阔发展前景。
1.2 研究背景随着石油和天然气资源的逐渐枯竭，人们对深层油气资源的开发需求日益增加。
深井、超深井和复杂结构井成为当前油气勘探与开发的重要领域，但其钻井技术的复杂性和困难度也相应增加。
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术深井超深井和复杂结构井的垂直钻井技术是钻井领域的重要研究课题，它们是对地下资源勘探和开发提出了更高的技术要求。
深井超深井主要指的是井深超过3000米的油气井，而复杂结构井则是指存在大量非均质地层或者构造复杂的地质条件下的井筒钻井工程。
本文将就深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术进行深入探讨。
一、深井超深井垂直钻井技术深井超深井钻井技术是油气勘探和开发领域的重点研究方向之一，因为地下资源的开发需求越来越多地转向深层资源。
在深井超深井垂直钻井中，最关键的技术挑战之一是井深带来的高温、高压和高硬度地层，这对井下作业的钻头、钻柱和钻井液等设备都提出了更高的要求。
而且，在深井超深井钻井中，井眼稳定和排屑及井环环空的完整性等问题也是需要解决的难题。
目前，针对深井超深井的垂直钻井技术主要有以下几个方面的研究：1. 高温高压钻井技术：高温高压环境下的固体控制、液相控制、井下设备选择等方面的技术研究和应用；2. 钻柱设计优化：传统的钻井钻具在高深度井钻造施工能力上存在局限性，因此需要研发更加稳定可靠的高深度钻具；3. 钻井液技术：针对深井超深井的地层条件，研究开发适应高压、高硬度地层的钻井液技术，以保证井钻的正常运行；4. 井下设备研发：研发适应深井超深井井下环境的各种井下设备，包括测井工具、定向钻井仪器等。
通过以上技术的研究和应用，可以有效解决深井超深井井下作业中遇到的各种问题，提高井深井的施工效率和成功率。
复杂结构井的钻井工程是指勘探开发中遇到非均质地层或者构造复杂的地质条件下的井筒钻井工程，这类井种在勘探开发中的比例逐年增加。
复杂结构井垂直钻井技术的发展也是为了满足对地下资源勘探和开发的需要。
复杂结构井钻井中，井筒的方向、倾角和弯曲度都不断变化，因此在施工过程中需要克服更多的困难和挑战。
1. 定向钻井技术：通过改变钻头参数、采用不同的钻头类型、优化钻柱结构等手段，实现对井筒方向的控制。
TruTrak垂直钻井系统技术参数
转定子瓣数比
5/6
钻头转速
80-185 rpm
无负荷压降
220 psi(15 bar)
工作压差
1,160 psi(80 bar)
工作扭矩
16,450 ft-lbs(22,300 Nm)
工作输出功率
575 HP (430 kW)
最大压差
1,450 psi(100 bar)
最大扭矩
20,600 ft-lbs(27,900 Nm)
工作钻压 12 1/4"-14 3/4" 16"-28"
最大钻压 12 1/4"-14 3/4" 16"-28"
最大工作温度
最大静液压
最大含沙量
性能参数
X-treme 驱动模块
最大堵漏材料
工具排量
最大有效导向力
低排量
528-925gpm(2,000-3,500 lpm) 最大井斜
正常排量
661-1,162gpm(2,500-4,400lpm) 最大造斜率
在较硬低层表现也非常出色可靠
■ 运用AutoTrak® 三维控制原理及其模块化系统
像VertiTrak一样，TruTrak是不需要旋转上部钻具来控制 轨迹的。所需要的方位信息是通过传感器短节来获取 的，这种采用模块化接口的短节可在井场很容易的拆 装。另外配有的井斜传感器(可选配伽马传感器)和 TruTrak传感器(可测得近钻头井斜、井下温度、肋板压 力、振动和状态特征参数等信息)一起相互通讯并将相应 参数及时通过泥浆脉冲发回地面系统。
传----钻带配感铤有合器短M模接W块D 探管的
利用TruTrak地面系统发出的指令可以实现:
■ 自动保持垂直钻进 ■ 用全部或部分的导向力增斜或降斜 ■ 在稳斜模式下实现自动化的稳斜钻进 ■ 在稳斜模式下调整相应侧向力来调整方位 ■ 使肋板缩回本体
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术
探究深井超深井和复杂结构井垂直钻井技术深井超深井和复杂结构井是石油勘探开发领域中的难点和重点。
为了提高井深和提高钻井效率，高效、安全、可靠的垂直钻井技术显得尤为重要。
深井超深井钻井技术是指针对超过5000米或更深井深的垂直钻井而言的，在这个范围内，钻井面临的挑战有：高温高压、地层钻进难度大、极易发生事故、井底钻头易受损等。
为了解决这些问题，人们采用了下面的方法：1. 确定合适的钻井液体系结构。
钻井液的质量会对井的钻进效率起到重要的影响，特别是在深井超深井钻井时。
2. 优化钻井工艺，特别针对井口、井筒以及井底的情况进行优化，减少阻力，提高钻进效率。
3. 高效地利用井眼以及钻头的各种功能，例如：钻头可以作为测井工具、地层样品采集工具等。
4. 使用新型的测井技术。
利用高分辨率测井工具，如多频声波测井技术、多角度声波测井技术等。
复杂结构井钻井技术，是指在非垂直井管内钻孔的技术，例如斜井、水平井、方向钻井等。
这种钻井技术常常被应用于开采层状、层状粘土、页岩、煤制气等井型。
为了解决复杂结构井钻井时面临的困难，例如遇到高压、高温、高地层压力、高气水比、钻柱损坏等问题，我们可以采用下面的方法：1. 应用高压钻井液。
因为在水平井、斜井中钻井时，井眼形状复杂，液体能流阻力加大，因此需要使用高压钻井液，以弥补这种能流阻力。
2. 选择合适的防护装置。
为了防止顶部的岩石物质落入井眼，我们需要使用合适的防护装置，如套管、电缆保护管、钢丝绳内钢管等。
3. 选择合适的钻井工具。
钻井工具优化可以提高钻进速度、延长钻头使用寿命、减少钻柱损坏等问题。
4. 积极采用新型的钻井技术。
例如利用地下导向仪、方向钻井技术等。
总之，深井超深井和复杂结构井的钻井技术与传统钻井工艺有很大不同点，需要我们采用先进的钻井技术，才能充分发挥其巨大的生产潜力。
垂直钻井技术在川东北探区的应用
的 时 间 浪 费 所 冲 淡 ， 以 优 选 高 转 速 耐 磨 型 钻 头 至 所
关 重 要 。 选 择 在 高 转 速 、 钻 压 下 连 续 钻 进 时 间 较 应 大 长 的 钻头 ， 研磨 性 较强 的地 层 ， 注 意 钻头 保 径 ， 在 应 必 要 时 应 选 择 金 刚 石 保 径 。 合 ＰＤＣ 钻 头 的 地 层 要 适 优 先 选 用 ＰＤＣ 钻 头 。 ３ ４ 要 保 证 相 应 的 设 备 配 套 能 力 。 直 钻 井 工 具 由 ． 垂
③ 地 层 硬 ， 石 可 钻 性 级 值 大 部 分 大 于 ６级 。 据 ＪＩ 岩 根 Ｉ
仅 钻 井 周 期 长 而 且 极 易 发 生 井 下 复 杂 事 故 ， 重 制 严
约 了 川 东 北 地 区 的 天 然 气 勘 探 开 发 进 程 ， 何 提 高 如
东 北探 区的地 层特 点 ， 东 北地 区是适 合 应 用垂 直 川 钻井 技术 的 。
关 键词 ： 东北 ｝ 直钻井 ｝ 川 垂 高陡 构 造 ｝ 倾 角地 层 ｝ 械 钻 速 Ｉ 斜 打 快 大 机 防
川 东 北 地 区 陆 相 地 层 属 于 高 陡 构 造 ， 石 硬 度 岩 高 、 钻 性 差 、 层 倾 角 大 ， 斜 很 难 控 制 ， 用 常 规 可 地 井 采 纠 斜 钻 具 组 合 吊打 ， 重 制 约 了 钻 井 速 度 的提 高 。 严 又
随 着 川 东 北 探 区 多 口井 的 空 气 钻 井 技 术 的应 用
成 功 ， 气 钻井 技术在 提 高机械 钻速方 面 ， 空 已经 是 一
项 较 为 成 熟 的 钻 井 技 术 。但 空 气 钻 井 技 术 防 斜 效 果
不好 ， 且适 用 有 很 大 的局 限 性 ， 压或 高 渗地 层 、 而 高
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转导向系统基础上发展起来的，于2002年推出。
Pad 开
Pad 关
Control Shaft
Disk Valve
PowerV 产品规格
PowerV 最大转速 (rpm)
475
650 250
675 220
825 220
稳定器
钻头
（二）VDS垂直钻井系统
20世纪90年代初，德国KTB项目组与Eastman Teleco公司联合 研究开发的垂直钻井系统 VDS （ Vertical Drilling System ）。 KTB井深6710m处，井斜仅 1°，位移 < 4 m 2006 年德国 Eastman Teleco 公司为了打开中国的市场，通过 北京的一家代理公司给了中石油华北油田钻采院三套 17-1/2″ 井眼的垂钻系统进行试用； 使用情况，井斜控制的效果较好，只要垂钻系统工作，井斜 基本0.3°～0.5°之间；一次下井的使用时间在80h～100h，通 过更换密封件后可继续使用。
Baker Hughes 公司的Verti-Trak系统
1999 年 Baker Hughes INTEQ 公 司在 SDD 的基础上 经过改进完善推 出商业化应用的Verti-Trak直井钻
Motor Drive Train &S Control Section Steering Sect
井系统。 VertiTrak最大降斜能力可以达
900/1100 220
200
最大作业温度 (°C) 125/150* 125/150* 125/150* 最大钻头钻压 (Klbf) Max 50 Max. 65 Max. 65 最大钻头扭距 (Kft-lbs) 4 排量 (gpm) 16 220-400 320-650 480-1900
125/150*125/150* Max. 65 Max. 65 16 16 48
320-650 480-1900 600-800 600-800 20,000 20,000 20,000
规定钻头压降 (psi) 600-800 600-800 600-800 最大作业压力 (psi) 20,000 20,000
垂直控制系统
适用井眼尺寸 (in.)
自动化 自动化
5.75-6.5 7.825
自动化
自动化
自动化
12.25-22
8.5- 9.87 10.625
* High Temperature version available
PowerV特点
钻具旋转时进行纠斜 (不需滑动钻进) 所有部件都旋转 – “Everything Rotates”
减少摩擦力和阻力 (钻压和扭矩传输更有效) 降低卡钻风险 井眼更平滑 (低狗腿度) 减少井眼净化问题
最大井斜 0.5 度
PowerV 井段
马达/MWD 井段
PowerV 实例2: 阿联酋
Drilled Well 9,000
9,142 MD – 9,140 TVD 1.5o drift - 40’ departure
（二）复合钻进防斜技术
• 胜 和 1 井 •地层倾角70°以上 •井斜8°-10°； •轻压吊打、制约钻速 •偏轴、柔性钟摆钻具防斜、效果不明显
（二）复合钻进防斜技术
井段 项目 （m） 进尺
m
平均 单只 钻头 进尺
单只 钻头 进尺 提高
（m）
(%)
96.8
平均 钻速 m/h
对比 提高 %
行程 钻速
划眼工作模式（Ribs-off），该工作模式下三个 翼肋全部收回；具体操作：先停泵 90s ，再开泵 到规定的排量将此排量保持1min以上，在不停泵 的情况下，将排量提高至正常排量。
自动闭环控制井斜,并随钻测量井斜、 井温及井下工具工作状态等参数。
上行通讯
井下VTK工具 MWD
井下闭环控制 导向力/目标井 斜
最大限度提高钻速
在钻进时自动感应井斜进行自动化纠斜 解放钻压, 正常钻进提高钻速
可划眼和倒划眼
最终大幅度降低每米成本
钻压减小
转速增大
排量增大
增大纠斜效果
一般情况下,由于排量受地面设备及 钻井液携岩能力影响，调整纠斜效果措施多 采用降低钻压和增大转盘转速。
PowerV 实例1: 北海
钻进约 2600米 的 井段
•平均使用寿命为42.2h •井斜角一般不超过1°，保持在0.5° 以下 •在地层倾角达到30～60º 的高陡地区 成功应用
Verti-Trak结构示意图
VertiTrak工作模式
钻进工作模式 (Steer Mode) ：该工作模式下有 1
个或 2 个翼肋在液压的作用下伸出；具体操作：
先停泵90s，再在一分钟内开泵到钻进的排量。
造斜步骤
第 1步:钻直井眼
造斜步骤
第 2步:将1号肋板对到造斜 方向
需要的造斜方向
造斜步骤
第 3步:下传指令
Flow Rate (l/min)
Kick-off Mode
Flow50/75V
0
5
Time (min)
需要的造斜方向
造斜步骤
第 5步:开始造斜
需要的造斜方向
二、Schlumberger公司的PowerV系统
塔式 钻具 钟摆 钻具
55～66
7.8～17
40～ 100
30～ 50 120～ 300
57～66
13～18
复合 钻进
钟摆 钻具 VTK
52～80
50～65
10～18
16
1487～ 2378
55～57
进尺763.84m，纯钻 17～21.5 250.67h。钻速 3.05m/h
龙深-1井井斜测值图
m/h
对比 提高
%
三开复合 钻进井段
三开复合 钻进前井 段
1820～ 3118.24
949
104
2.17
197
1.67
165
1183.5 ～1820
636
53
0.73
0.63
（二）复合钻进防斜技术
毛 坝 1 井
• 可钻性差、倾角大
• 井斜难以控制 • Φ311.2mm井段钻速0.39~ 1.86m/h • 复合钻进 • 纠斜打快试验
（三）Baker Hughes 公司的Verti-Trak系统
九 十 年 代 德 国 KTB 工 程 项 目 结 束 后
Agip公司与 Baker Hughes INTEQ公司在 VDS系
统基础上合作研制的新一代自动直井钻 井系统SDD。 现场试验证明， SDD 装置能够非常精 确地保持井眼垂直，并取得较高的机械 钻速和可靠性。
胜利钻井院自主研发
全旋转自动垂直钻井系统
（一）前苏联的HCY防斜装置
小刚度钻铤 轴向滑动 配合面 中心管 外壳 8米 异径接头
七十年代后期，前苏联为解决乌克 兰茅地复杂地层井斜问题，研究开发了 HCY装置。 它由外壳和心管两大部分组成；外 壳不承受钻压和扭矩，刚度大，起扶正 作用，防止失稳现象的发生；心管用于 传递钻压、扭矩和循环钻井液； 由于该工具的刚度大，在地层造斜 趋势不是特别强的地层条件下应用具有 良好的防斜效果；HCY装置在乌克兰茅地 极复杂地区应用效果显著：井斜变化率 未超过 0.3°/100m ，机械钻速和钻头进尺 提高1.5－2倍；
井斜
0 1400 VTK 入井 1500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
平均机械钻速 3.15 米 / 时，普通钻具组合
平均机械钻速 0.5米 / 时。
1600
1700
钟摆钻具井段1
机速提高5.3倍。
1800
井斜测线如图所示，
测深 (米 )
1900
钟摆钻具井段2
2000
VTK 钻井最大井斜大多
2700
2500
2300
2100
1900
1700
Байду номын сангаас
井段340- 2800米 泥浆密度: 1.33-1.7 平均机速:3.97米/时, 提高7.8倍 井斜保持在1度以内
MD, Meter
1500
1300
1100
900
700
500
300
垂直钻井技术新进展- VertiTrak Plus
钻完垂直段后可启动造斜 模式 一个导向翼收回,并指向 造斜方向 需与MWD配合使用。
Pulse
Alterna
到1.5度/30米。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
Hyd
Inclinome Electornic
大小进行设定，范围在1.5－0.8度
/30米之间。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。
Stee Ribs
自动垂直钻井技术
（Vertical Drilling Tech.）
目 录
一、国内外井斜控制新技术
二、国外自动垂直钻井系统及应用 三、国内自动垂直钻井研发情况
一、国内外井斜控制新技术
（一）偏轴防斜钻具
（二）复合钻进防斜技术 （三）自动垂直钻井系统
自动垂直钻井系统可有效地解决大钻压与井斜控制的 矛盾，在高陡构造硬地层钻进中，既可达到加大钻压提高
Vertitrak 实例2
Baker Hughes 公司的Verti-Trak系统
龙深1井不同井段的钻进参数及对应的机械钻速
井眼 尺寸 施工井段 （mm） （m～m） 钻进参数