PowerV 旋转导向垂直钻井系统
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 －
旋转导向钻井智能钻井介绍 Auto Trak,Power Drive, Geo Pilot
目录
旋转导向钻井技术概况
背景：为克服滑动导向技术的不足，从20世纪80 年代后期，国际上开始研究旋转导向钻井技术。 发展：20世纪90年代初期,多家公司形成了商业化 的旋转导向技术，目前有三种比较成熟导向系统。 组成：旋转导向钻井系统实质上是一个旋转导向 工具与测量传输仪器（MWD/LWD）联合组成的井下 闭环工具系统。 应用：非常适合目前开发特殊油藏的超深井、高 难度定向井、水平井、大位移井和水平分支井等。
3、动态指向式旋转导向钻井工具
4、基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统 5、指向式旋转导向钻井工具
动态推进式旋转导向钻井工具
• 胜利油田承担国家“863”计划“旋转导向钻井系统关键
技术研究”后,与西安石油大学联合开发 • 原理：斯伦贝谢的PowerDrive基本一样。
• 现状：进行了20 多次的地面试验,2006 年8 月在营122斜
动态指向式旋转导向钻井工具
由海洋石油工程股份有限公司及西南石油大学，结合了哈 里伯顿的Geo–Pilot的指向式结构和斯伦贝谢的Power Drive的随钻的下盘阀结构，提出了动态指向式旋转导向
钻井工具的设计思想,目前还停留在理论阶段。
基于旋转导向钻进方式的可控弯接头系统
由西安石油大学机械工程学院中原油田第三采油厂在CNPC
典型旋转导向钻井工具介绍
• Baker Hughes推出的Auto Trak不旋转外筒式 闭环自动导向钻井系统。
• Schlumberger Anadrill公司的Power Drive
全旋转导向钻井系统。 • Sperry-Sun 产品服务公司推出的Geo-Pilot 旋转导向自动钻井系统。
1.Auto Trak 旋转导向钻井系统
Power_V垂直钻井技术在川东探区的应用
Power V垂直钻井技术在川东探区的应用1、Power V垂直钻井技术黑池1井在应用黑池1井自2004年11月29日20:50开始下入PowerV工具，下钻井深477.74米，至2005年1月19日9:30停止使用起钻(起钻井深2154.75米)，累计使用牙轮钻头13个，累计进尺1677. 01米，累计纯钻进时间916.22小时，平均机械钻速1.83米/小时。
截止至2005年2月23日，黑池1井钻至井深2618.32米，二开进尺2219.74米，平均机械钻速1.34米/小时。
没有使用P owerV垂直钻井技术的井段有542.73米，平均机械钻速0.74米/小时。
使用PowerV垂直钻井技术的井段有1677.01米，平均机械钻速1.83米/小时，机械钻速提高147.30%。
井身质量控制良好，井斜控制在1.6°之内。
2、Power V垂直钻井技术普光7井在应用PowerV从1710.97m入井，钻至井深2401.26m，总进尺733.53m，总纯钻时间398小时，平均机械钻速1.84米/小时。
而在下PowerV之前采用螺杆复合钻劲，平均机械钻速只有1.36米/小时，相比之下机械钻速提高35%。
在PowerV服务期间，2300米之前，井斜角基本控制在1度以内。
通过两口井使用（PowerV）系统情况来看，采用垂直导向钻井（PowerV）系统钻井与常规方法钻井相比，机械钻速能大幅度提，井身质量也得到了极大的改善。
3、2005年Power V垂直钻井技术应用计划2005年计划在大湾1井、普光11井使用Power V垂直钻井技术，使用井段：300m～2000m。
1、大湾1井1)井号：大湾1井。
2)井别：预探井。
3)井位⑴井位坐标: 纵(X)3 500 987 横(Y)18 764 136（初测）。
⑵地面海拔：680m(初测)。
⑶地理位置：四川省宣汉县毛坝镇六村九组⑷构造位置：四川盆地川东断褶带大湾—雷音铺背斜带大湾构造中部⑸测线位置：普光－毛坝三维Inline859 Crossline442交点4)设计井深：5995m5)目的层：以下三叠统飞仙关组三～一段(T1f3-1)、二叠系长兴组（Tp2ch）为主要目的层，兼探石炭系黄龙组、二叠系下统茅口组～栖霞组(P1m～P1q)、下三叠统嘉陵江组二、四段(T1j2、T1j4)、上三叠统须家河组(T3x)、下侏罗统自流井组一段（J1z1）、中侏罗统千佛崖组（J2q）及沙溪庙组（J2s）。
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。
旋转导向系统PowerV简介
斯伦贝谢旋转导向系统PowerV简介一. PowerV 简介和应用范围PowerV是斯伦贝谢公司发明的一种旋转导向系统的产品名称，它只是斯伦贝谢旋转导向系统PowerDrive家族中的一员。
所谓旋转导向系统，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，但相对于泥浆马达，PowerDrive有非常明显的优点，稍后进行比较。
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。
二. 旋转导向系统PowerDrive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。
例如：用泥浆马达打30米井段，滑动钻进15米，转动钻进15米，井斜角增加4度，得到平均狗腿度4度/30米。
实际上，转钻15米井斜角几乎没有变化，这15米的实际狗腿度是零；而4度的井斜角变化是由滑钻15米产生的，这15米的实际狗腿度是8度/30米。
而用PowerV在同一设置下打出的每一米都是同样均匀和平滑的，减少了井眼轨迹的不均匀度，从而减少了在起下钻和钻进过程中钻具实际所受的拉力和扭矩，减少了以后下套管和起下完井管串的难度。
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，大大降低了卡钻的机会。
而使用传统泥浆马达在滑动钻进时除钻头外，其它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。
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。
旋转导向钻井技术(简版)
指向式 23口井 占74.2%
推靠式 7口井 占 22.6%
即用推 靠式又 用指向 式1口井， 占3.2%
从市场统计来看，指向式比推靠式旋转导向工具更能适应
现在市场需求。
垂直钻井工具
Schlumberger 公司的Power V*系统
Power V * 是一个闭环工作的旋转导向系统，该系统 可以自动保持井眼垂直状态而几乎不需要任何地面的干 预措施，与PowerDrive Xtra 类似，主要由偏置单元和 控制单元两部分组成。
12 ¼ in.
0-8 deg/30m 50-250 rpm 5,678 gal/min 47.5 ton 30,000 psi 175 deg C * 350 ton 无限制No limitations 垂直Vertical
钻头压降Bit Pressure Drop
最Hale Waihona Puke 造斜角度Minimum KO angle
二、国外主要旋转导向钻井系统
大尺寸系统
随着世界范围内深水勘探开发的迅速发展，提高 上部井段的钻井效率的需求越来越强烈，从而促进 了用于大尺寸井眼（ Ø444.5mm 和 Ø463.6mm）的旋 导工具的开发。 斯伦贝谢公司与BP公司合作，历时9个月，于2002 年初推出了大尺寸Power Drive旋导系统。
和大位移井， 2000 年至今，已在中国南海、渤海湾和陆 上成功完成30多口大位移井作业，最大测深超8000m，其 中南海某区块大位移井位垂比4.58居国内之首。
二、国外主要旋转导向钻井系统
国内应用：
塔河油田TK238H井
TK238H 井 设 计 井 深 5111.76m , 实 钻 井 深
5177m , 造斜点 4163m , 水平段 300m , 成功穿 越油层276m，机械钻速15.68m/h。 斜井段及水平段平均狗腿度 3.88°/30m,而 常规水平井平均狗腿度为 10°/30m 以上 , 很好 的控制了井眼的光滑度,实际钻井周期50d,节约 钻井周期27d, 创造塔河油田水平井钻井周期最 短记录。
POWERV简介
POWERV 简介
示意图
POWERV 是一种旋转导向工具，它可用于在旋转钻进中实现对井斜和方位的控制。
该系统是有控制器和偏置器两部分组成的，其中控制器是由一根无磁钻挺及固定在内部轴乘上的控制部件组成的，该控制部件轴向固定在无磁钻挺内，并通过以下部件实现其控制作用。
1.可以在空间及在钻挺内部进行测量定位的内部传感器。
2.电子扭距仪用来实现磁力刹车。
控制部件机械连接于一个偏置装置。
偏置装置（BU）
偏置装置有三个支撑块组成，它可以通过泥浆压力的作用使其伸缩来作用于井壁—从而达到实现改变钻井方向的目的。
控制部件可以通过控制装在偏置装置内的一个旋转阀，该旋转阀在偏置装置中的相对位置来决定使那一个支撑块来作用与地层。
通过将控制部件控制在一个特定的角度上，当偏置装置旋转时能使不同的支撑块来作用于同一个方向的地层，这样就可以使钻进朝同一个固定方向进行，从而达到降斜和控制井眼轨迹的目的。
斜口引鞋控制旋转阀
旋转阀
控制部件的控制是通过对所需要的角度与从磁力计和重力加速计等所得到的角度进行比较来实现的。
BHA的导向方位是通过对控制部件与地层的相对角度来控制的。
当控制部件起出井眼后，可以输出自动存储在内部存储器内的数据并进行分析，通过对数据的详细分析可以了解工具的工作情况。
通过顶部可对其编程，输入指令及导出数据。
降斜措施:
1.提高转盘转速，每提高一转，多作用于井壁3次；
2.提高排量（泵冲）以提高对井壁的作用力-降斜力；
3.减少钻压，降低增斜力；。
垂直钻井技术
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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：
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 PowerV实物图
二、典型的垂直钻井工具
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831.70 861.00 889.12 918.00
降低卡钻风险 低狗腿度) 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
Rotates”
减少摩擦力和阻力 (钻压和扭矩传输更有效) 钻压和扭矩传输更有效)
解放钻压, 解放钻压, 正常钻进提高钻速 可以划眼和倒划眼 提高井身质量， 提高井身质量，降低每米成本
Schlumberger Public Schlumberger Public
2002 World’s First 6” RSS Run PowerDrive475 drills 4712ft of 6 1/8” hole in 1 run
1999
2000
2001
2002
大位移井世界记录
Schlumberger Public Schlumberger Public
• M-16SPZ井, Wytch farm, UK. 完钻井深11278米，水平位移10,728米，垂深1637 米 123 天完钻并下完套管 • XJ24-3 A14井，Phillips，南中国海， 完钻井深9236米，水平位移8062米，垂深2985米
斯伦贝谢旋转导向家族
• 斯伦贝谢旋转导向系统－PowerDrive家族：
♣ PowerV－旋转导向垂直钻井系统 旋转导向垂直钻井系统
Schlumberger Public Schlumberger Public
♣ PD Xtra－定向井/水平井旋转导向系统 ♣ PD Vortex－与泥浆马达一体化的旋转导向系统 ♣ PD X5－带有方位伽玛测井水平井旋转导向系统 ♣ PD Exceed－适用于造斜比较困难地层的旋转导向系统
180
25 945.38 972.94 0.20 0.06 67.64 72.69 25 25 1005.10 1033.74 1062.28 1092.03 0.19 0.20 0.17 0.09 263.65 275.17 187.57 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 25
Schlumberger Public Schlumberger Public
机械偏置单元－ PowerV 机械偏置单元－BU
Schlumberger Public Schlumberger Public
PowerV 入井前实际照片
Schlumberger Public Schlumberger Public
16,500 Begin Kick Off with PowerDrive 16,898 MD – 16,894 TVD .3o drift - 103’ departure
0
1,500
实例4: PowerV 实例4: 利
TF
180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180 180
实例2: PowerV 实例2: 阿联酋
PowerV 井段
Schlumberger Public Schlumberger Public
马达+ 马达 MWD 井段
实例3: PowerV 实例3: 洲
Drilled Well 9,000 9,142 MD – 9,140 TVD 1.5o drift - 40’ departure
PowerV 推力扳 伸/缩 示意 图
Pad 开
Pad 关
PowerV 降斜原理
扶正器支点
Schlumberger Public Schlumberger Public
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
Schlumberger Public Schlumberger Public
PowerV 的导向控制阀
控制轴
Disk Valve
Schlumberger Public Schlumberger Public
的电子控制单元－ PowerV 的电子控制单元－CU
Schlumberger Public Schlumberger Public
的电子控制单元－ PowerV 的电子控制单元－CU
意大
1784 0.15 303.68 15 1813 1842 1872 1901 0.12 0.10 0.06 0.09 244.56 16.57 223.43 89.67 20 1998 2065 2102 0.19 0.17 0.17 142.30 214.75 24.02 10 2131 2159 2187 2218 2247 2275 2304 2332 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 12 2363 183.87 13 2391 193.51 13 2420 2478 2507 0.04 0.15 0.08 209.83 229.39 289.43 14 12 12 10 13 15 17 11 13 12 15 10 20 20 20
南美
• •
9,000ft 常规钻具组合在 9,000ft 开始自然造斜 在 10,518ft 井斜为 4 度, 起钻换 10,518ft PowerV
Schlumberger Public Schlumberger Public
10,500
Trip for PowerV 10,518 MD – 10,515 TVD 4.0o drift - 91’ departure Drilling Vertical 11,527 MD – 11,523 TVD .1o drift - 102’ departure Max Drift with PowerV 12,804 MD – 12,800 TVD .2o drift - 102’ departure
Schlumberger Public Schlumberger Public
500,000
200
400,000 150 300,000 100 200,000 50 100,000
Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2
PowerV 导向控制图
• 81个命令 • 可编辑 • 存储在CU内 • 通过排量可 改变设 置
Schlumberger Public Schlumberger Public
实例1: PowerV 实例1:
北海
钻进约 2600米的井 2600米的井 段， 最大井斜 0.5 度
Schlumberger Public Schlumberger Public
• 井眼范围 井眼范围：5 7/8“－18 ¼”
斯伦贝谢旋转导向系统工作量统计
Schlumberger Rotary Steerable Experience
1,000,000 Footage Drilled per Quarter 900,000 Average MTBF 350 800,000 300 700,000 250 600,000 400
12,000
• • •
10,766ft 在 10,766ft 井斜降至 0.5 度 在 11,527ft 井斜降至 0.1 度 11,527ft 3680ft ft, 一趟下钻打完井段 3680ft, 最大井斜和水 平移位 0.2 度和 1ft
13,500
15,000
T.D. section – Casing Point 15,207 MD – 15,203 TVD .03o drift - 103’ departure
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
斯伦贝谢旋转导向系统发展史
1999 PowerDrive participates in drilling worlds longest ERD well at Wytch Farm 2001 World Record #1 PowerDrive675 drills 17,283ft of 8.5” hole in 1 run Nov 2001 PowerDrive drills more than 1.3m ft in 12 months July 2002 PowerDrive1100 & PowerDrive 475 services commercialized
Schlumberger Public Schlumberger Public
2000 PowerDrive becomes fastest expanding and most successful rotary steerable service in the world