垂直钻井系统化解高陡构造难题

       随着我国油气勘探开发面向西部、面向深层，钻井工作近年来在塔里木库车山前却勒和迪那、四川川东、青海柴西等复杂深井钻井过程中遭遇了高陡构造(如上图）防斜打快的世界性难题，已成为钻井工程一个技术“瓶颈”，严重地制约了油气田勘探开发进程与开发效益，研发自动垂直钻井系统迫在眉睫。

        自动垂直钻井系统是一种带有井下闭环控制系统、可实现井下主动纠斜、保持井壁垂直、具有极高技术含量的先进钻井工具。之前该技术只被斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿等几家国外公司掌握。这些公司仅对中国提供高昂的技术服务，不出售产品。

        6年攻关   实现国产

       2005年，渤海钻探工程技术研究院从德国智能钻井公司引进3套垂直钻井系统，开启了国产化序幕。2006年～2007年初，国产系统在新疆塔里木油田迪那204井和迪那3井进行了两次先导性试验，针对存在的问题和技术缺陷，研究院先后对发电机、动密封等进行了多项技术改进。

        2008年5月和2009年3月，改进后的垂直钻井系统先后在塔里木油田的克深5井和吐北4井进行了两次技术攻关试验，最终定型新系统的设计方案，开始着手研制具有渤海钻探品牌的BH-VDT5000垂直钻井系统，2009年11月，该系统在新疆库尔勒检测维修技术服务中心总装完成；次年12月起先后在新疆塔里木油田克深3井和克深203井进行现场应用，出色完成了技术服务任务。

       2011年5月，BH-VDT5000垂直钻井系统经中国工程院罗平亚院士、苏义脑院士以及国内钻井界资深专家、领导组成的专家组评定，确认达到国际先进水平，并与正式发布使用（见图1）。

        针对技术难点

        敲定核心部分设计

       垂直钻井系统由供电和信号上传系统（包括短节、主阀、发电机和电路4部分）与井下闭控制环系统（包括机械、液压和测量控制电路3部分）两个子系统组成，其外形结构见图2。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，这些导向滑块便牢牢地支撑在井壁上，并防止工具体旋转，给钻头一个侧向力，使钻头回到垂直方向。液缸工作原理如图3所示。

        系统方案设计 研究人员将系统分为井下闭环控制系统与供电和信号上传系统两部分加以研究。据市场调研并考虑到成本因素，最终确定了系统的技术参数：最高压力为60MPa，最高耐温定125℃，扭矩达30KNm，最大钻压为400KN，最大转速250rpm，井斜控制精度达0.1°。

        系统确定井下闭环控制系统最大电流为2A，工作电压为24V，供电模块输出电压为32V，输出功率为160W。采用NC56螺纹连接，过渡中心管连接在井下闭环控制系统端，方便拆装避免切线。

        垂直钻井系统总装后，通过水力测试平台验证调试整体系统性能。

        井下闭环控制系统的研究  井下闭环控制系统主要由工具本体、井斜测量系统、电子控制系统、液压系统、动密封、压力补偿系统以及导向块所组成。

        井斜测量系统采用了高精度三坐标重力加速度计，井斜测量精度可达到±0.01°；

        电子控制系统是工具的大脑，当工具的井斜测量系统检测到井斜以后向电子控制系统发出信号，由电子控制系统控制位于井壁高边处的电磁阀打开，液压传递至活塞令活塞伸出顶在导向块上，导向块推在井壁上产生纠斜力。为了提高电磁阀的安全系数以及使用寿命和效率，将电磁阀设计为整体集成式；

        液压系统是使工具能够产生导向压力的重要系统，最初通过中心轴的机械驱动方式无法满足市场需求，为了适应砾岩等复杂地层的钻井市场需求，将液压泵的驱动形式设计为电马达驱动，一举解决了这一技术问题；

       由于井下闭环控制系统的特殊结构，系统中心轴旋转，但工具外壳本体相对于地层静止，因此需要研究动密封技术，通过使用高强度密封O圈、减小动密封间隙、并加装硬质尼龙挡刷，防止钻井液中的杂物进入缝隙破坏密封O圈，解决了动密封失效以及使用寿命短的问题；

        压力补偿系统主要是起到平衡工具内外压力的作用，通过研究并改进压力交换区的胶囊强度和增加钻井液滤网等方式，有效提高了工具的使用寿命；

        导向块是工具工作纠斜的重要部件，它是完全暴露在钻井液中，并通过推靠井壁来进行纠斜。因此，通过增加导向块金属的耐磨强度以及增强导向块与工具本体的连接方式，使工具的使用寿命得到极大提高；

        针对中心轴和集电环的结构研究设计了自锁装置，完善了集电环的装配工艺，解决了相对滑动的问题，同时将信号线的传输方式由总线传输改为分线传输，提高了系统内部信号传输的稳定性，也便于信号和供电故障的排查工作。

        供电和信号上传系统的研究  供电和信号上传系统的具体研究分为供电系统研究、信号上传系统研究和集成短节设计。

        根据供电系统的技术要求，采用涡轮发电和多路并行160W大功率电路成功解决供电问题。在研制过程中采用了逆变技术的消振电路、电路过载保护设计、不带电容储能模块的驱动模块设计、提高电源寿命的负载均衡技术；

        信号上传系统由限流环座、限流环、主阀保护套、主阀及控制阀等部件组成。传输方式采用钻井液正脉冲方式。主阀的运动由驱动电路和控制阀控制，主阀与限流环的相对位置能够影响钻柱内部钻井液液柱压力，在地面通过连续检测立管压力的变化，实现了信号的上传；

        设计的供电和信号上传系统总长2.8m，将电源模块和驱动模块做成电路板采取焊接方式集成至系统外壳上，实现了系统工具的集成化。

        结构设计：将电源模块、驱动模块安放到钻铤壁上，外壳设计为电路仓与发电机外壳，从而达到缩短系统长度，提高抗冲蚀能力的目的。为了简化结构，将发电机的壳体集成到集成短节外壳，系统转换套与发电机相连，脉冲器主阀部分仍就独立。

        强度校核：选择钻进工况下受载荷的情况对该外壳进行设计计算，先根据轴向压缩载荷进行设计，再根据轴向压缩载荷、扭转载荷以及压力载荷，利用第四强度理论，对设计结果进行校核。选取电路仓部分和发电机外壳作为危险截面，校核其受压缩载荷时的强度。

        经计算，校核结果显示短节满足强度要求。采用有限元软件对集成短节进行应力和位移分析，满足强度要求。

        检测维修工艺技术研究  垂直钻井系统装配完毕后，需要对其进行室内充油测试，以确保其功能的正确运行以及工作的稳定性。因此，对测试方式进行了针对性的研究。所开发出的测试方式主要包括充油测试、压力脉冲控制系统测试和地面整体水力测试。

        其中，充油测试主要针对井下闭环控制系统，压力脉冲控制系统测试主要针对供电及信号上传系统，地面整体水力测试则是针对整体垂直钻井系统工具。

        现场施工工艺技术 通过几年来的现场试验和应用，形成了适合山前高陡构造的“现场施工工艺技术”，该技术主要包含钻井参数和钻具组合设计；系统入井前检查；垂直钻井系统出、入井操作技术等八个方面的技术。

        技术创新   硕果累累

        通过几年的攻关研究，渤海钻探工程技术研究院研制了具有渤海品牌的垂直钻井系统4套，经现场试验，性能指标达到了设计要求。研究人员对动密封、压力补偿器和导向块等进行的优化研究，提高了垂直钻井系统的寿命；

        2010年9月，承压密封短节、信号传输导线转向连接工具和垂直钻井系统地面整体测试装置共获得3项国家实用性专利，垂直钻井工具达到Q/SYBHZ 0902-2011产品技术标准；

        研究院在新疆库尔勒建立了垂直钻井系统的检测维修基地，建制了经验丰富的现场技术服务和检测维修队伍，现已对外实施了多井次施工和检修，充分保障了现役垂直钻井系统的连续工作。在工作过程中，研究院形成了垂直钻井系统现场施工和检测维修工艺技术，编制了垂直钻井系统各项操作规程；

        在垂直钻井系统的研制过程中，研究院还实现了多项创新：

        在国内首创地面水力测试系统，实现了试验方式的创新：垂直钻井系统地面整体测试装置，能有效地模拟现场工况，可满足地面1小时以上测试时间的要求，保障工具入井后正常工作，提高生产服务效率。

        国内首创探管式变为钻铤式的集成短节设计，实现了系统结构创新，解决了仪器抗冲刷问题，缩短了仪器长度，维护更加方便。

        国内首次采用多路并行的160W大功率电源设计、提高电源寿命的负载均衡技术以及双重功能的电路封装技术，实现了电路设计的创新：为了满足垂直钻井系统对功率的需求，设计了4块功率板。电源功率模块多路并行设计，用在井下仪器在国内是首次；在设计中采用了负载均恒技术，动态调整每个电源的输出电流，来提高电源的工作寿命和可靠性；采用电路封装技术起到散热和减震的功效。

       现场应用   性能卓著

        2006年BH-VDT5000垂直钻井系统首次在塔里木油田进行现场应用。截止2012年2月，共进行了10口井的试验和推广应用，详见图4、表1，累计进尺16,011.1m，工具累计入井时间4,057.5h，系统正常工作井段井斜角小于0.5°，机械钻速较常规邻井提高了150%以上。

        在迪那3井和吐北4井的施工过程中，垂直钻井系统钻遇大段、大块坚硬的砾岩地层，厚度达800m，地层含大量鹅卵石，导致跳钻和蹩钻现象严重，地面可见水龙头的剧烈跳动，整个井场响彻着金属撞击的巨大声响，扭矩变化较大，在0～20KNm之间跳动。钻头复合片齿被崩断，恶化了井下工作条件，这种地层是其它公司垂直钻井工具没有经历过的。最终系统经受住了严峻的考验，在迪那3井纯钻457.83h，进尺1837m，正常工作井段井斜一直控制在0.5°以内；在吐北4井单趟在砾岩井段纯钻63h，进尺171m，井斜始终控制在0.37°以内，证明了系统良好的性能和对砾岩的适应能力。

        表2是与国外工具对比结果：在总进尺相当，且都采用转盘钻情况下，BH-VDT5000垂直钻井系统在平均机速，单日最高进尺等指标上，均高于国外垂直钻井系统，但与使用顶驱的国外垂直钻井系统相比，平均机速相当。

       提升技术水准 

        占有产业优势

        BH-VDT5000垂直钻井系统创新研发实现了垂直钻井高端技术的国产化，打破了国外的技术垄断，形成了拥有自主知识产权的技术产品，促进了行业的科技进步，使中国跻身于世界最高钻井技术水平行列；

        在单趟入井时间、单日最高进尺，单趟最高进尺等性能指标上，该国产自动垂直钻井系统均达到了世界顶尖水平。它的成功应用，提高了速度，降低了勘探开发成本，迫使国外产品的技术服务价格降低40%左右；

        该系统的成功研制加快西部油气勘探开发进程，彻底解决了高陡构造防斜打快的技术难题，保障国家西部油气勘探开发战略实现。目前渤海钻探公司正在加快垂直钻井系统的系列化和产业化进程，力争到2013年完成垂直钻井系统的系列化，在“十二五”末，拥有各种规格的垂直钻井系统31套，建设垂直钻井服务队伍17支，实现年产值达到1亿元的目标。