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国产自动垂直钻井系统技术突破与现场应用
伊明;赵继斌;方弘廉;李振宝;武智
【期刊名称】《钻采工艺》
【年(卷),期】2024(47)2
【摘要】自动垂直钻井系统是集机、电、液一体的智能闭环钻井工具,具有主动防斜、解放钻压、提高井筒质量的技术优势,已成为高陡构造等易斜井段钻井防斜打
快的核心装备之一。
西部钻探公司自2010年研发成功三翼推靠式自动垂直钻井系统以来,通过试验应用逐步完善,在控制理论、系统结构设计上已经有所突破,但没有实现规模产业化应用,主要问题在于工具系统工作寿命低、近钻头井斜测不准、质
量不稳定等。
近两年,针对这些问题,西部钻探公司通过系统分析与现场试验,进行机械零部件结构改进、控制程序优化等,使得工具工作寿命、质量稳定性等大幅提升。
在塔里木油田、新疆油田、青海油田等现场应用验证,工具寿命稳定突破至150 h
以上,为国产自动垂直钻井系统的成熟应用与推广提供技术价值。
【总页数】10页(P159-168)
【作者】伊明;赵继斌;方弘廉;李振宝;武智
【作者单位】中国石油西部钻探工程技术研究院;中国石油西部钻探玉门钻井公司【正文语种】中文
【中图分类】F42
【相关文献】
1.国产自动垂直钻井系统在鸭K1-1H井的试验应用
2.国产自动垂直钻井系统的改进与优化
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5.国产捷联式自动垂直钻井系统安顺1井应用成功
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70西部探矿工程2019年第2期UPC-VDS 垂直钻井系统在迪北105X 井的试验余丽彬役徐华冬」，孔存荣食马静'(1.中国石油西部钻探定向井技术服务公司，新疆乌鲁木齐830026；2.中国石油西部钻探玉门钻井公司，甘肃酒泉735000)摘 要：针对迪北105X 井地层造斜能力强、井斜难以控制等问题，引入钻进时能自动感应井斜并进行主 动纠斜的国产UPC-VDS 垂直钻井系统，并制定相应的技术措施，现场试验取得了良好的稳斜效果： 关键词:垂直钻井系统；防斜打直；山前构造中图分类号:TE21文献标识码:A 文章编号:1004-5716(2019)(.)2-007()-03迪北105X 井位于塔里木盆地库车坳陷东部依奇 克里克构造带迪北斜坡上。
该区块紧邻天山，地表为山地,地势北高南低,构造主要受北部断层封堵形成断 鼻型构造 地层自然造斜力强,钻井过程中如果没有有效的防斜措施极易发生井斜。
常规直井防斜钻具组合,常常是用牺牲钻压来换取小井斜,用牺牲钻速来换 取井身质量"，已不能满足该区块钻直井的需要。
为了 控制好井斜,该区块已完钻的迪北101井至迪北104井 均使用了 Power-V 垂直钻井系统控制井斜，但因Power-V 垂直钻井系统成本高，为提高低油价环境下的竞争力.在迪北区块的迪北105X 井直井段试验了UPC-VDS 垂直钻井系统，试验井段井斜控制在0.09。
〜1.1。
〜0.7。
，同时为UPC-VDS 垂直钻井系统在该区块的应用积累了经验。
1 UPC-VDS 垂直钻井系统简介1.1 UPC-VDS 垂直钻井系统结构与工作原理aUPC-VDS 机械式垂直导向钻井系统由井斜感应系统、导向控制系统和信号传输系统3个子系统组成(见图1)。
工作原理为：井斜感应系统确定井底的井斜角和井斜方位角.然后驱动执行机构锁定井眼高边。
在井眼高边，导向控制系统推靠巴掌伸出推靠井壁,井壁的反作用力则将钻头推向低边，而在井眼的其他位置，侧 向推靠机构则不工作，实现在钻进过程中对井斜的修正。
文章编号：1000 − 7393(2020)06 − 0684 − 07 DOI: 10.13639/j.odpt.2020.06.003“垂直钻井工具+等壁厚螺杆”提速钻具组合先导性试验——以库车山前高陡构造克深A 井为例张端瑞1 文涛1 蒲磊2 迟军1 周小君1 梁红军1 赵彩庭21. 中国石油塔里木油田公司；2. 洲际海峡能源科技有限公司引用格式：张端瑞，文涛，蒲磊，迟军，周小君，梁红军，赵彩庭. “垂直钻井工具+等壁厚螺杆”提速钻具组合先导性试验——以库车山前高陡构造克深A 井为例［J ］. 石油钻采工艺，2020，42（6）：684-690.摘要：为有效解决库车山前井因高陡构造、高含砾石及地层各向异性导致的井斜控制难、钻头涡动及钻具黏滑问题，塔里木油田在克深A 井盐上高含砾石地层康村组、吉迪克组应用了“垂直钻井工具+等壁厚螺杆”提速钻具组合。
优选了适用于库车山前地区的输出功率高、性能稳定、处理复杂能力强的螺杆钻具，并通过钻柱力学及水力学优化设计解决了与垂直钻井工具的配套问题，实钻过程可用钻压高、扭矩平稳、机械钻速快，能够有效控制井斜并改善钻头涡动、钻具黏滑等非正常钻进状态，达到了解放钻压、保护钻头和提高破岩效率的目的，相比邻井同层位同井段机械钻速、单趟钻进尺分别有75%~262%、51%~134%的提高。
验证了“垂直钻井工具+等壁厚螺杆”钻具组合在库车山前高陡含砾地层的提速应用可行性，可在库车山前井盐上地层规模推广使用。
关键词：高陡构造；垂直钻井；等壁厚；螺杆；涡动；黏滑；提速中图分类号：TE242 文献标识码： APilot test on the ROP-improvement BHA of vertical drilling tool & screw rod with equal wall thickness: A case study on Well Keshen A in the high-steep structure of Kuqa piedmont areaZHANG Duanrui 1, WEN Tao 1, PU Lei 2, CHI Jun 1, ZHOU Xiaojun 1, LIANG Hongjun 1, ZHAO Caiting21. PetroChina Tarim Oilfield Company , Korla 841000, Xinjiang , China ;2. Intercontinental Strait Energy Technology Co. Ltd., Beijing 100088, ChinaCitation: ZHANG Duanrui, WEN Tao, PU Lei, CHI Jun, ZHOU Xiaojun, LIANG Hongjun, ZHAO Caiting. Pilot test on the ROP-improvement BHA of vertical drilling tool & screw rod with equal wall thickness: A case study on Well Keshen A in the high-steep structure of Kuqa piedmont area ［J ］. Oil Drilling & Production Technology, 2020, 42(6): 684-690.Abstract: The wells in Kuqa piedmont area suffer the problems of difficult hole deviation control, bit swirling and drilling tool stick-slip caused by high-steep structure, high conglomerate content and formation anisotropy. In order to solve these problems effectively, Tarim Oilfield applies the bottom hole assembly (BHA) of “vertical drilling tool + screw rod with equal wall thickness ”for rate of penetration (ROP) improvement in Kangcun Formation and Jidike Formation of supra-salt formation with high conglomerate content in Well A of Keshen . The positive displacement drill with high output power, stable performance and strong complex situation treatment ability suitable for Kuqa piedmont area is selected, and its matching problem with the vertical drilling tool is solved based on the optimization design of drill string mechanics and hydromechanics. In the process of actual drilling, the available weight on bit (WOB) is high, the torque is stable and the ROP is high, so hole deviation is controlled effectively and abnormal drilling第一作者: 张端瑞(1989-)，2015年毕业于中国石油大学(华东)油气井工程专业，硕士，现从事钻井工程技术研究与管理工作。
捷联式自动垂直钻井系统稳定平台测试台架静、动态特性的数值模拟【摘要】根据捷联式自动垂直钻井系统稳定平台的需要，设计了铝制桁架结构的测试台架，并建立了桁架模型，分析其静强度、稳定性、固有频率和频率响应分析。
【关键词】铝制桁架屈曲分析模态分析频响分析要完成复杂井眼轨迹，尤其是真正实现井下闭环控制，传统的钻井工具已不能满足要求，必须研制更加灵活的全方位可调的旋转导向井下工具，其核心是能在旋转状态下按控制指令动作改变作用在钻头上的合力或改变钻具偏心程度的稳定平台装置。
稳定平台装置实际上是一个测控单元，含有磁通门、重力加速度计、速率陀螺、微处理器以及相关的各种电路。
它可以检测接收各种信号，通过一定的算法计算得出正确的数据，并发出指令操纵执行机构完成各种动作。
作为捷联式自动垂直钻井系统的重要组成部分，稳定平台内含磁通门等磁性敏感元件，为了模拟自动垂直钻井系统在井下的工作状态，其地面试验设备不仅要能够模拟钻铤的工作状态等条件，还必须满足磁场隔离，即捷联式稳定平台磁通门安装位置1m范围内无磁性材料。
1 测试台架设计及静强度分析稳定平台测试试验台架由台架、起竖摇摆机构、驱动装置、模拟负载装置、测量检测装置等部分组成，如图1。
由于磁敏感元件磁通门位于稳定平台中心位置，所以台架为无磁材质即可满足要求，设计中采用2A12铝制角铁焊接台架。
台架通过起竖摇摆机构实现空间姿态的变化，同时承受稳定平台、驱动装置和模拟及检测装置的重量，以及稳定平台旋转过程中的振动载荷。
当台架在水平状态时，起竖摇摆机构为台架的固定点，不考虑起竖摇摆机构受理情况，则台架各个方向的自由度为全约束。
桁架的受力主要是安装在其上的设备重力，同时桁架的自重也需要考虑进去，桁架在水平状态时，其最大应力为24.6MPa，最大位移为11.6mm；查表得到2A12的许用应力为240MPa，可见该结构足以满足强度要求，其最大位移也在工程使用的允许范围内。
2 台架稳定性分析结构的稳定性分析，也称为屈曲分析，是结构分析的一个重要部分。
永川页岩气水平井优快钻井关键技术研究李林;王存新;罗朝东【摘要】永川区块地层古老、可钻性差、页岩储层埋藏深、非均质性强,导致钻井过程中出现机械钻速慢、安全风险高等难题.为实现该区域的高效开发,开展了井身结构优化研究、采用Power-V垂钻工具和减震工具提高大尺寸井眼机械钻速、优选混合钻头和低转速大扭矩螺杆穿越须家河组难钻地层、使用高造斜率旋转导向工具ATK-Curve配合近钻头方位伽马提高钻遇率,实现了永川地区页岩气水平井钻井提速,加快了页岩气勘探开发步伐.【期刊名称】《钻采工艺》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】2页(P105-106)【关键词】页岩气;水平井;优快钻井;关键技术【作者】李林;王存新;罗朝东【作者单位】中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院;中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院;中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院【正文语种】中文重庆永川区块龙马溪组页岩气资源量达1 347.57×108 m3，是中石化增储上产的重点探区。
根据中石化“十三五”规划，该区块计划部署10个钻井平台50口井，建成产能10×108 m3。
2015年完成了YY1井直导眼和YY1HF侧钻水平井施工作业，折算水平井钻井周期为203.2 d，经济效益差。
为了提高经济效益，在新一轮的试验井中，通过优化井身结构，优选动力钻具、个性化钻头及旋转导向工具等方式，为高效、快速开发该区域页岩气井探索出一种新方法。
一、永川页岩气水平井钻井技术难点永川龙马溪组页岩气埋深3 900～4 200 m，较涪陵地区平均深约1 000 m，区域地质结构复杂，差异性大，实测弹性模量10～30 GPa、泊松比0.33、抗压强度40～70 MPa、抗张强度3～8 MPa，目的层龙马溪组属高压区，压力系数达1.70[1]。
前期钻井作业存在以下技术难点：(1)一开Ø444.5 mm井眼长约2 000 m，且沙溪庙组地层砂泥岩互层频繁，易井斜，钻进蹩跳现象严重，钻压无法释放，机械钻速低，钻井周期长。
自动垂直钻井系统BHA力学分析的二维模型杨春旭;韩来聚;步玉环;赵金海【摘要】为了指导自动垂直钻井工具的研究开发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,结合自动垂直钻井工具的BHA的一维力学模型,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的二维力学模型,得到了自动垂直钻井系统的BHA的二维力学方程.确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出了钻头侧向力和钻头转角的计算公式,应用建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度.同时,也可计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过研究钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2010(032)001【总页数】5页(P26-30)【关键词】自动垂直钻井系统;纵横弯曲法;井斜控制;钻头侧向力【作者】杨春旭;韩来聚;步玉环;赵金海【作者单位】胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营,257017;胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营,257017;中国石油大学石油工程学院,山东东营,257061;胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营,257017【正文语种】中文【中图分类】TE928Abstract:In order to direct the research & development and feld application of automatic vertical drilling tools and also provide the theoretical criterion for optimum design of the automatic vertical drilling bottom hole assembly (BHA), and on base of the research and analysis of the structural features and operating principles and also combined with 1-D mechanical model of automatic vertical drilling BHA, the 2-D mechanical model of the automatic vertical drilling BHA was built up using crisscross bending method. The boundary condition between the up cut-point and bit was built, the equation for bit side force and rotation angle calculation was derived. The bending defection at each point on the beam and introvert torque at stabilizer pivot point can be accurately calculated by using the established mechanical model. At the same time, for a given condition, the bit side force and rotation angle can be calculated, and how the drilling parameters will affect the build-up ability during vertical drilling can be obtained through the research of how the bit side force and rotation angle will change if the drilling parameters change. This will provide theoretical criterion for the feld application of automatic vertical drilling tools.Key words:automatic vertical drilling system; crisscross bending method; hole deviation control; bit side force自动垂直钻井系统一维力学模型［1］只能分析直井和斜直井眼中的底部钻具组合的受力特征和造斜特性，对于二维井身中的井眼曲率对钻头侧向力和自动垂直钻井工具的造斜性能的影响规律无法提供有效可靠的分析方法。
XZ-AVDS自动垂直钻井系统工具在金221区块的应用1.西部钻探工程技术研究院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，8300002.西部钻探准东钻井公司，新疆克拉玛依市，834000摘要：西部钻探工程技术研究院自主研发的XZ-AVDS自动垂直钻井系统适用Φ311.2-Φ444.5mm井眼、耐温150℃、耐压140MPa，累计在现场应用五万余米，工具综合性能稳定，满足现场应用需求。
为完善尺寸序列，满足防斜提速，提升公司在工程技术服务高端市场的核心竞争力，公司研制了适用Φ215.9/Φ241.3mm井眼、耐温175℃、耐压140MPa的自动垂直钻井系统，选择在新疆油田金221区块金XX井三开进行首次试验。
试验结果证明，自动垂直钻井系统工具将井斜整体控制在0.5°以内，保证了井身质量，应用效果良好，标志着公司小尺寸垂钻研制项目由研发向现场试验取得实质性迈进。
关键词：西部钻探，垂直钻井系统，防斜打直1、φ215.9/241.3mm自动垂直钻井系统研制的背景塔里木富满区块油气资源储量丰富，是油田勘探开发重点方向，是西部钻探公司重点服务目标区块，该区块面临高温、高钻压井斜控制困难等防斜打快难题，“螺杆+垂钻”成为一种常规防斜提速应用模式。
目前，公司自主研发的XZ-AVDS自动垂直钻井系统适用Φ311.2-Φ444.5mm井眼、耐温150℃、耐压140MPa，在尺寸规格、耐温性能、挂接螺杆高转速适用性等方面无法满足现场需求。
针对这一问题，公司决定研制适用Φ215.9/Φ241.3mm井眼、耐温175℃、耐压140MPa的自动垂直钻井系统，完善尺寸序列，满足防斜提速，提升公司在工程技术服务高端市场的核心竞争力。
针对高温、高转速、小井眼给垂直钻井工具带来挑战，开展机械结构小型化设计、测控传电路设计、非接触能量通讯等方面的攻关，完成Φ215.9/Φ241.3mm自动垂直钻井系统样机室内组装测试工作。
为充分验证工具性能选择在新疆油田金221区块金XX井三开进行首次现场试验。
