中石化中原石油工程有限公司管具公司 河南濮阳 475331
摘要：钻探工程中，井斜一直是制约钻进速度和钻孔质量的重要因素，特别是高陡构造地层条件下，突出的井斜问题不仅造成机械钻速低，钻井周期长，钻井成本高，有时甚至成为能否顺利进行钻探施工的关键因素。基于此，本文从石油钻井和地质钻探两方面阐述了自动垂直钻井技术的原理及优点，按照不同结构及工作原理对自动垂直钻井工具做出分类，并简要分析了各类工具的优缺点等进行了分析，仅供参考。
关键词：自动垂直钻井工具；分类；井斜控制；发展趋势；建议
一、自动垂直钻井技术概述
自动垂直钻井技术将满眼钻具加压快钻与钟摆钻具吊打纠斜的特点融为一体，将高效与优质有效结合。该技术源于1988年的德国大陆超深井科学钻探计划（KTB）。由于垂直钻井技术的应用，KTB曾钻出了当时世界上最为垂直的钻孔［1］。自动垂直钻井技术作为旋转导向技术的鼻祖，其导向纠斜原理与旋转导向技术相同。近几年，随着旋转导向技术的进步，为解决高陡构造、断层与盐层等复杂易斜地质条件下的深井防斜打快难题，自动垂直钻井技术得到了快速发展。经过多年研究与应用，该技术展现出了如下优点。（1）降低狗腿度，提高井眼质量。（2）减小钻杆与井壁间的摩擦力与阻力，钻压与扭矩传输更加高效，同时亦能降低卡钻风险。（3）降低套管下井时的阻力，减轻钻柱接头对套管的磨损。（4）减轻钻具磨损，解决钻具先期疲劳失效等一系列复杂问题。（5）减少井眼净化问题。（6）提高地质取心资料的真实度。（7）解放钻压，最大限度提高机械钻速，有效解决防斜与打快之间的矛盾，从而降低成本。（8）井下为全自动闭环控制，不需要地面人工控制。
二、国内自动垂直钻井技术发展现状
目前自动垂直钻井技术及其产品基本上被国外几家大公司所垄断。国内中石油、中石化以及中海油三大石油公司均进行了不同程度的研究工作，相继推出了试验样机并在不同区块进行了测试，但是还没有相对成熟的商业化产品投入工程应用中。中石油钻井院的苏义脑院士在国内较早提出了井下控制工程学的概念，并且将钻井工程与自动控制、航天制导等技术相结合，于20世纪90年代就对自动垂直钻井系统做了调研分析与初步研究，在理论及实际方案设计方面都做了大量的工作。中国地质科学勘探研究所和中国地质大学先后承担了“微机自动控向垂钻系统的研究”及“微机自动控向垂钻过程智能检测与控制方法研究”项目，经过5年的研究，进行了测斜技术、液控技术以及无模型自适应纠斜控制算法等方面的理论和试验研究工作。推出了试验样机并进行了测试。中石油钻井院与武汉科技大学合作，提出了自动防斜钻井系统AADDS（AutoAnti-DeviationDrill-ingSystem。在井斜动态测量理论、自动垂直钻具井下流场特性以及液控导向纠斜机构的动态仿真等方面开展了理论和试验研制工作，研制成功了AADDS-1型自动垂直钻井工具的原理样机。中石油西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院研制的311mm垂直钻井系统分别在T82066井和T82065井进行了现场应用试验，取得了一定的效果，表明该系统可实现井下闭环控制，达到自动防斜纠斜目的。但技术尚不成熟，需要进一步对整体结构、电源控制模块、执行机构、液压伺服机构、整体密封性能等进行优化设计，提高使用寿命。中石油渤海钻探公司研制的VDT5000型自动垂直钻井系统在塔里木吐北4井等井应用取得成功。虽然对工具长度、局部结构及连接方式等缺陷进行了优化改进，提高了工具的使用寿命和可靠性、井下安全和操作的灵活性，但是主要的关键技术还需要国外石油公司支撑。中国石化胜利石油管理局钻井工艺研究院自主研发出了捷联式自动垂直钻并系统（AVDS）。采用动态推靠方式实现钻进过程中的主动防斜、纠斜，其中捷联式稳定平台是系统的核心。该系统主要由基于旋转基座的测量短节、井下发电机、无刷力矩电机、旋转变压器和防斜纠斜执行机构等组成。采用全新的捷联算法及高性能的传感器件，将稳定平台与钻铤固联在一起，机械结构简单，易实现。
在安顺1井取得了很好的应用效果，然而由于其测控系统相对复杂，限制了工具的使用寿命。
三、技术研究难点及关键点分析
1. 井斜方位的动态测量技术
目前国内对井斜的测量基本上都属于静态测量的范畴，是指在钻柱静止的情况下测量井斜和方位。这种测量方式周期长，抗扰动性能差，不具有实时性，不满足于自动垂直钻井工具井下闭环系统的要求。自动垂直钻井系统要求对井斜及方位角在钻柱旋转的动态条件下实时测量，由于井下钻柱振动等复杂状况的影响，传感器测量信号在动态情况下基本被噪声所淹没，为动态实时测量造成了很大的困难。然而要实现井下闭环，就首先要完成动态测量，这个问题成为研发垂直钻井系统最关键的环节之一。
2. 井下执行机构的小型化设计
在孔底狭小的环形空间内，自动垂直钻井系统要完成机电液一体化的联合闭环控制，所有的液压元件、机械执行机构、电子器件等都受到一定的尺寸限制，设计难度大增加，如何完成孔底执行机构的小型化、简易化是垂钻技术研发的重点与难点之一。
3. 工具可靠性及使用寿命
纵观国内研制的垂直钻井系线，除了测控系统精度相对国外系统较低外，系统的可靠性和使用寿命是限制其进一步现场应用的主要原因之一。垂直钻井系统配备有大量的电子元件和液压装置，在钻井过程中会受到高温高压以及振动的影响，稳定性受到极大考验，即使国外成熟的产品，主流工作时间也在120h左右。提高设备使用寿命，进而提高钻井效率，降低钻井成本，将成为研究重点及难点之一。
四、存在问题及发展方向
通过对国内外现有技术进行分类与对比，总结出如下尚存的技术问题。（1）现有垂钻工具多为石油钻井设计，执行机构大多采用液动活塞式，直径普遍偏大（仅适用于140mm及以上直径的井眼），然而深部地质钻探井眼一般采用P级或H级，直径在130mm以内，因此现有工具不能满足深部地质钻探小井眼钻进的需求。（2）现有垂钻工具没有考虑岩心钻探特点，由于尺寸空间限制，工具内部为实心设计，未设计有取心装置，仅能配合全面钻进钻头，不能搭配取心钻头进行提钻取心或绳索取心。（3）现有垂钻工具无法克服纠斜精度与耐温耐压能力之间的矛盾。电控式垂钻工具纠斜精度较高，但耐温耐压能力较差。机械式垂钻工具耐温耐压能力较高，但纠斜精度受井下振动和零部件摩擦等复杂环境影响较大。因此现有工具不能完全满足深部钻井高温、高压和强震的要求，轴承系统和密封等关键机械零部件的耐温、耐压及抗磨损能力亟需提高。（4）有关机械式垂钻工具的研发与应用比电控式垂钻工具少，相关理论研究亟待补充。
结束语
最近几年国内对自动垂直钻井技术研究投入较多，取得了一定的成果，但总的来说，国内研发的垂钻工具普遍还无法达到大量生产应用的水平，相关核心技术尚未解决，工具普遍稳定性较低，寿命较短。所以，对于机械式垂钻工具，未来应对偏重平台在井下复杂环境下的响应规律进行研究，并探索相应的误差抑制补偿方法，以此提高工具的井斜控制精度。
参考文献：
［1］冉恒谦，张金昌，等．地质钻探技术与应用研究［J］．地质学报，2011，85（11）：1816-1821．
［2］廊启龙，等．旋转导向钻井技术最新进展及发展趋势［J］．石油机械，2013，41（7）：1-6．