几种常用垂直钻井系统使用效果对比
基于提高质量效率的垂直钻具浅谈
《基于提高质量效率的垂直钻具浅谈》摘要：为解决直井特别是高陡构造条件下的突出井斜问题，降低油气开发成本、提高油气采收率，有效解决防斜打快的问题，通过多种垂直钻具系统的设计研制，可以有效解决井身质量问题，切实提高钻井效率，机电液一体化自动垂直钻井工具，能够自动探测倾斜情况，并在钻头上自动产生一个附加的降斜力，总之，垂直钻具系统可以有效解决高陡构造钻进过程中井身质量与钻井速度的矛盾，提高机械钻速，降低钻井成本杨民进【摘要】针对传统的防斜打直工具不能有效解决井身质量和钻井速度之间的矛盾，以及地质因素和钻井工况对防斜打快提出的新要求，对机械式自动垂直钻井工具、捷联式自动垂直钻井系统、闭环自动垂直钻具、机电液一体化自动垂直钻井工具、西部钻探垂直钻井系统等进行了论述，以为解决钻进过程中的井斜问题，提高钻井速度，降低钻井成本提供钻具参考。
【关键词】钻具系统垂直钻具现代防斜打直技术的核心是解决井身质量和钻井速度之间的矛盾。
为解决直井特别是高陡构造条件下的突出井斜问题，降低油气开发成本、提高油气采收率，有效解决防斜打快的问题，通过多种垂直钻具系统的设计研制，可以有效解决井身质量问题，切实提高钻井效率。
一、机械式自动垂直钻井工具机械式自动垂直钻井工具工作原理：工具上端和下端分别与钻柱和钻头相连。
若井眼发生倾斜，配重就会在其自身重力作用下，稳定在倾斜井眼的低边，上盘阀的扇形偏心流道则稳定在井眼高边。
当上盘阀上的扇形偏心流道与下盘阀上的导流孔重合时，钻柱内、外高低压流体间的通道被打开，高压钻井液进入活塞缸，推动活塞靠向高边井壁，井壁的反作用力使得钻头在井眼低边井壁上的切削量增加。
同时，钻柱内、外高低压流体间的通道被关闭，高压钻井液不能驱动活塞靠向井壁，因此钻头在井眼低边井壁以外区域的切削量不会增加。
钻柱持续旋转过程中上述过程循环往复，钻头会增加在井眼低边井壁上的切削量，实现钻进过程中对井斜的适时修正。
机械式自动垂直钻井工具能够自动感应井斜并进行主动纠斜，可以有效地减少钻柱所受的摩擦力和阻力，使所形成的井眼更光滑，有利于降低卡钻风险。
垂直钻井工具
垂直钻井系统简单的说是导向钻井的简化版，像Power-V工具只要把参数设定成相关的就可以成为一个垂直钻井系统。
目前世界上广泛使用的垂直钻井系统主要有：德国的ZBE，斯伦贝谢的Power-V和VertiTrack三种。
ZBE是德国smart drilling公司产品，是世界上最早研究旋转导向钻井系统的公司。
ZBE系统主要有连接钻头和钻柱的轴、发电机、电子控制系统、斜向仪，MWD脉冲发生器、导向滑块、液压泵、外壳组成。
测斜仪检测到井斜后，将信号传输到电子控制系统，电子控制系统将激发导向液缸产生动作，将导向滑块推出并支撑在井壁，并防止外壳旋转，给钻头一个侧向力，使钻头导向。
Power-V系统是一套全自动化的旋转导向垂直钻井系统。
在钻进时会自动追踪地心引力，当井斜超过规定值后，自动设定和调整工具侧向力，在工具全旋转状态下伸缩块沿井斜高边方向频繁推出，给钻具一个侧向力，纠正井斜。
主要由两大部件组成：控制单元（CU）和偏置单元(BU)。
VertiTrack是一个模块化钻井系统，包括导向系统、MWD测量短节和一个高性能动力短节X-Treme。
V ertiTrack是一种滑动式的垂直钻井系统，有3个导向块，成120度夹角，通过不同导向块的组合实现导向力的改变。
预应力弹簧作用下的伸缩块在液压驱动下实现连续的过程控制，不受钻井参数影响同时不受地层性质影响。
目前国内很多研究机构都研制过相关产品，胜利研究院、克拉玛依研究院、张绍槐教授等都进行过或者正在进行相关研究，但是限于国内材料水平和制造工艺的瓶颈，这些产品总的来说跟国外还是有的一定的差距，主要表现井下服役时间，纠斜能力、抗高温性能等方面。
塔里木油田一项垂直钻井新技术应用成功
塔里木油田一项垂直钻井新技术应用成功
佚名
【期刊名称】《吐哈油气》
【年(卷),期】2006(011)001
【摘要】一项专门针对塔里木山前构造复杂地质条件引进的垂直钻井新技术——ZBE5000垂直钻井系统，日前在迪那204井应用获得成功。
从实钻数据显示，该系统仪器共入井3次，最小井斜仅0．1°，设备正常工作时，井眼几乎可以达到垂直。
同时，应用该技术，单只钻头进尺相当于邻井迪那203井的3倍。
【总页数】1页(P48)
【正文语种】中文
【中图分类】TE254.3
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1.垂直钻井系统在塔里木油田应用效果及对比分析 [J], 刘磊;刘志坤;高晓荣
2.浅谈塔里木油田克深区块垂直钻井提速技术 [J], 于建克;张仪;周小东;李盟国;李丰宝;詹有虎
3.塔里木油田成功应用油钻杆氮气钻完井新技术 [J],
4.宝山钢铁股份有限公司开发的超级13Cr钻杆在塔里木油田成功应用 [J], 赵鹏
5.测井新技术在塔里木油田气藏描术中的应用 [J], 赵军;李进福
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国内外地质钻机性能介绍与比较
国内外地质钻机性能介绍与比较(2009年)1.国内钻机概况国内地质勘探钻机、水文水井钻机和小型石油钻机，如：TK.3型立轴钻机、TSJ.1000型水源钻机、TSJ.2000钻机、GZ-2000钻机、ZJ20/1350石油钻机等。
小型石油钻机实例：本钻井工程为煤层气产能井钻井工程，工程甲方为晋煤集团蓝焰公司以及中石油华北油田沁水盆地煤层气勘探开发公司。
井身结构：全井分一开、二开，一开深度20m-50m（达到基岩10m以下），孔径311.15mm；二开至完井，孔深400m-1200m，孔径215.9mm。
目的与任务，获取目的煤层的埋深、厚度、煤岩及煤质特征，为后期产气提供基本参数依据。
2）坑道钻机我国煤矿坑道钻探作业的主导机型为全液压动力头式坑道钻机。
具有钻进效率高、工艺适应性强、操作安全、解体性好、易搬迁等特点。
目前，国内全液压动力头式钻机的生产厂家较多，钻进能力从几十米到上千米，已形成多个系列。
ZDY6000LD(A)型履带式全液压坑道钻机ZYL-6000全液压坑道钻机。
钻进示意图配套钻杆◆目前煤矿井下所用的钻杆种类主要有外平钻杆、螺旋钻杆两种。
➢外平钻杆是最常用的一种类型，适用于井下常规钻进作业和稳定组合钻具定向钻进。
现有的规格主要有φ42，φ50，φ63·5，φ73，φ89 mm等，具体钻杆参数及配套钻头见下表。
➢螺旋钻杆主要用于满足松软煤层钻进和本煤层大直径救援孔的排粉需要。
螺旋钻杆接头形式多采用插接方式。
可方便处理钻进过程中因塌孔、喷孔、掉块等形成的卡钻、埋钻等孔内事故。
目前常用的规格主要有:φ78，φ88，φ100，φ110，φ130 mm等。
叶片式螺旋钻杆、浅槽螺旋钻杆两种。
晋城赵庄矿50 mm×1 000 mm的浅槽螺旋钻杆叶片、插接式螺旋钻杆配套钻头➢煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工钻头一般以硬质合金和金刚石复合片(PDC)钻头为主。
硬质合金钻头一般只适用于本煤层、泥岩等低硬度地层的浅孔施工，目前大多数煤矿为提高钻进效率、节省起下钻时间，一般都采用PDC钻头。
国产自动垂直钻井系统的改进与优化
服 务价 格 昂贵 ， 造成 钻井 成本居 高不 下 。 了降低 钻井 为
成 本 、 破 国外公 司的垄 断 ， 国石 化 自主研 发 了捷 联 打 中
外 径 ２ ８ ｍ， 用 井 眼尺 寸 ３ １ ｑ 总 长 ７４ ２ ．ｍ 适 ６ １ ． ｍｎ， ２ ．２ｍ，
支 撑 翼块 尺寸 （ 伸 出／ 出 ）９ ． ／２ ．８ 未 伸 ２ ９７ ｍｍ ３ ２ ２ ５ ｍｍ。 巴
稳 定平 台测 控短节 输 出井斜 角 、井斜 工具 面 角 的精度 不足。 特别 是在 黏滑 条件 下引起 的钻 铤震 动 ， 钻铤转 速 不 均匀 ， 而输 出井斜 、 从 井斜 工具 面与 静态 测量 的数据
差别较 大 靠机 构不 能在 准确 的位 置进行 推 靠 ， 成 推 造
纠斜 、 防斜 的 目的。 转变压 器在伺 服 短节 中作为 无刷 旋 力矩 电机 的角 度传 感器 ，对无 刷力矩 电机 的转 子位 置
［ Ｏ 徐 泓 ． １］ Ｖｒ Ｋ垂 直 钻 井 系 统 在 大 湾 １井 的应 用 ｌ］ 采 工 艺 ，０ ０ ３ Ｊ． 钻 ２ １ ，３
进行 检测 ．完 成对 无刷 力矩 电机 的换 相 控制 和盘 阀角
度 控 制
系统 降斜效 率 降低 。
总之 ． 从试 验情 况看 ， 国产捷 联 式 自动 垂 直钻 井 系 统 的纠斜效 果不 好 ， 提速 效果亦 不 明显 ， 要 从 系统结 需
防斜 纠斜 执行 机构 主要 由盘 阀组件 和推 靠组 件组
测 控 短 节上 安装 有 采 集板 、 向板 、 定 电机 板 、 表 加
势为 先降斜 ， 稳斜 ， 再 最后 是缓慢 增斜 状态 。原 因是稳
定平 台发 电机 端 Ｋ ｌ 密封磨 损较 严重 ． 转密 封面 已 ａｓ ｉ 旋
垂直钻井技术
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
垂直钻井系统
25
0.20 0.19 0.18 0.20 0.12 0.19 0.17 0.06 0.06 0.19
307.81 179.56 13.59 275.35 241.01 316.78 293.01 132.98
10 13 15 17 11 13 12 12
25 115.60 25 1121.28 1150.00 1179.33 1207.93 1236.64 1265.29 1294.29 1351 1380 1409 1437 0.06 0.19 0.16 0.12 0.19 0.15 0.09 0.03 0.15 0.10 0.09 64.54 4.14 197.91 218.63 60.60 20.15 122.91 275.98 93.50 181.21 13.69 25 25
AGIP
180 180
945.38 972.94
0.20 0.06
67.64 72.69
25 25
0.19 0.17 0.17
142.30 214.75 24.02
15 10 10
1005.10 1033.74 1062.28 1092.03
0.19 0.20 0.17 0.09
263.65 275.17 187.57
时间深度－进度曲线
0
300
600
900
1200
井深 (m)
1500
1800
钻头掉牙 轮，打捞
2100
2400
断钻具
2700
3000
0
10
20
30
40
50
60
70 80 Days
90
100 110 120 130 140 150 160 Kela2 实钻
国产自动垂直钻井系统在鸭K1-1H井的试验应用
２ ． ２ 自动 垂 直钻 井 系统选择
该 井 直 井段 二 开 为 ３ １ １ ｍｍ井 眼 ， 为 此选 择 与 井 眼 配 套 的 自动 垂 直钻井 工具 。 ３ １ １ ｍｍ 自动垂直 钻井 系统 参数 如下 ：
井 眼尺 寸 ： ３ １ １ ｍｍ ； 侧 向力 ： １ ７ ． ６ ～２ ０ ． １ ｋ Ｎ； 工
提高 了井眼轨迹的控制精度 ， 还节约 了调整钻具所用
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — １ ２ — ３ １ 修 回 日期 ： ２ ０ １ ４ 一 Ｏ 卜１ ３
具外径 ： ３ ０ ８ ｍｍ ； 最 大抗 拉 强 度 ： ２ １ ０ ０ ｋ Ｎ； 工 具 内
第一作者简介 ： 田径 （ １ ９ ８ ２ 一 ） ， 男（ 汉族 ） ， 甘肃 明勤人 ， 工程师 ， 现从事钻井工程技术 、 钻井施工工艺 等方 面的研究 和管理 工作 。
然方位稳定在 ２ ０ ０ 。 ～２ ３ ５ 。 ， 常规钻井方式 即使轻压 吊打 也无 法满 足井 身质 量控 制要 求 ， 前 期 在 该 区 块 应 用 Ｐ Ｏ ＷＥ Ｒ －Ｖｎ 垂直 钻井系统井 身质量控制好 ， 但 费 用
高； 在 鸭 Ｋｌ 一１ Ｈ井 使 用 自主 研 发 的垂 直 钻 井 系统 ， 井 斜控制在 １ ． １ 。 以 内， 释放钻压 ， 机 速 同 比提 高 ６ ５ ． ２ ７ ％， 为 区块 直井 段 防斜 打 陕找 到 了新途 径 。
摘 要： 玉 门油 田鸭 Ｋ区块 第三 系地 层 ， 自然 方位稳 定 ， 地 层倾 角大 ， 地 层 易斜 ， 用常规 钻 井 方式 即使
轻压 吊打也满足 不 了井身质量控 制要 求。在对比 国产和 国外 自动垂 直钻井 系统基础上 ， 在鸭Ｋ１ — １ Ｈ 试 验 应 用 国产 自动 垂 直钻 井 系统 工具 ， 井斜 控 制 在 １ ． １ 。 以 内， 释 放 了钻 压 ， 同 比邻 井机 速提 高
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几种常用垂直钻井系统使用效果对比
作者单位：渤海钻探第三钻井公司70146钻井队
作者姓名：王涛李文王言泉
摘要：塔里木山前高陡构造属于易斜区域，地层倾角大多在15°∽80°，且地层各项异性差异大，岩性软硬交错，自然造斜能力极强。
为解决高陡构造防斜与提高钻速之
间的矛盾，自1993年起塔里木油田开展了高陡构造防斜快打技术，经过将近20年的
摸索与推广，目前塔里木山前构造垂直钻井技术已经十分成熟，本文将重点介绍在塔
里木山前构造应用的三种垂直钻井技术。
关键词：高陡构造、垂直钻井、Power-V系统、VertiTrak系统、BH-VDT5000系统
Abstract: high and steep structures in Tarim Piedmont belongs to the inclined area, dip in 15 ° ~ 80 ° mostly, and the formation anisotropy differences in lithology, staggered hard
soft, natural deflecting ability. To solve the contradiction between high and steep structural
anti deflection and improving ROP, since 1993 the Tarim Oilfield was high and steep
structural anti deviation and fast play technology, through research and promotion of nearly
20 years, the Tarim piedmont tectonic vertical drilling technology has been very mature, this
paper introduces three kinds of vertical drilling technology in Tarim piedmont tectonic the
application of.
Keywords: high and steep structures, vertical drilling, Power-V system, VertiTrak system, BH-VDT5000 system
1几种常用垂直钻井系统
1.1 Power-V系统的特点及工作原理
Power-V是斯伦贝谢公司开发的一套“全自动化”旋转导向垂直钻进工具，其主要分两部分
组成，上端电子控制部件Control Unit和下部机械偏置部件Bias Unit，在车间已用计算机编
好程序CU部分用来实际生产过程中的测斜及数据传输。
利用水力冲击控制下端巴掌伸缩导向块
推顶到井壁，从而迫使钻头有力地切削井壁，完成边钻进边测斜的目的。
该工具在钻进时会自动
追踪地心引力（自动感应井斜），如果发现井斜超过设定的范围（直井中通常是0.5°）时，自
动设定和调整工具侧向力，在工具全旋转状态下，伸缩块沿井斜高边方向频繁推出，使得钻具获
得一个侧向力，使井眼轨迹快速返回垂直状态。
针对高陡构造地层，可以实现全压钻进，同时钻
具旋转有利于提高井眼清洁和井眼质量，是一种具有广泛适用性的自动防斜快打技术。
1.2 VertiTrak系统的特点及工作原理
VertiTrak系统是贝克休斯旗下的一个模块化的钻井系统，包括导向系统、MWD测量短节和一个高性能动力短节X-Treme。
图1 VertiTrak系统组成示意图
VertiTrak的导向系统执行部分分为三轴向可伸缩导向块。
三个导向块相位差为120°。
通过不同导向块的组合实现导向力的改变。
导向块可以提供足够的侧向力，伸缩块在液压驱动下实现连续的过程控制，既不受钻井参数的影响，也不受地层性质的影响。
VertiTrak系统是一种滑动式的垂直钻井自动导向系统，三个伸缩块作用在井壁上，其本身及上部钻具组合并不旋转。
当需要防斜钻进工作时，有1-2个巴掌在液动作用下伸出，产生一个作用于井眼高边的3T反作用力，从而使井眼保持垂方向的垂钻进。
当需要划眼时，系统可被设置为“ribs off”模式，此时伸缩块处于收缩状态，整个系统可被地面旋转驱动，但为了减少对工具的损害，旋转的时间必须尽可能减少。
1.3 BH-VDT5000系统的特点及工作原理
BH-VDT5000垂直钻井系统，具有实时监测、主动纠斜的功能。
主要由井下闭环控制系统、自
发电及信号上传系统、地面接收信号及解码系统三部分组成。
井下闭环控制系统由驱动轴、壳体、导向块、导向液缸、井斜测斜仪、电子控制系统等组成；自发电及信号上传系统主要由发电机、脉冲发生器、电子控制系统等组成；地面接收信号及解码系统主要由传感器、信号线、信号解码
器和微机终端组成。
是集机电液一体化形式的自动垂直钻井系统。
BH-VDT5000垂直钻井系统的纠斜原理：闭环内的测斜仪监测到井斜以后，将信号传输到电
子控制系统，电子控制系统将激发导向液缸产生动作，将相应位置的导向滑块推出并紧紧贴靠在井壁上，给钻头一个侧向力，使钻头回到垂直方向。
2.现场使用三种垂直钻进技术的对比
迪北103井是塔里木盆地库车坳陷东部依奇克里克构造带迪北斜坡上的一口评价井，行政隶属于新疆阿克苏地区库车县。
该区紧邻天山，地表为山地，地势北高南低，地面海拔在1600～3000m之间。
迪北103井基本数据表
井身结构设计图
表1 迪北103井二开井段垂直钻进效果
2013年7月1日，
3.综上所述
1、Power-V、VTK以及BH-VDT5000三大垂直钻进系统在正常的情况下都可以有效的控制井斜钻成垂直井，同时提高机械钻速。
相比而言Power-V系统控制井斜和提高机械钻速的性能要优越其他。
2、VTK系统工具仪器故障率高，系统配套性差，相比之下在山前不太适用。
3、BH-VDT5000由于外径大，刚性强，大井眼起下钻过程中阻卡现象较严重。
但其具有近钻头测斜的优势，同时安装配套简单减少了辅助接头的使用，同时该系统传输信号较稳定。
4、Power-V与VTK系统都需要增加3-5MPa的压降而造成泵压上升、排量下降。
目前在用的机泵条件很难兼顾山前的井下复杂情况。
5、总体来讲Power-V和VertiTrak系统技术较成熟，稳定性好。
由于是进口设备，使用成本较高。
参考文献
[1] 张丽萍，秦虹.迪北103井钻井工程设计.新疆：中国石油天然气股份有限公司塔里木油田公司，2013.02-19.
[2] 吴奇，等.复杂深井钻井技术及应用，2009.11：96-98。