Development and Field Test of BH-VDT3000 Vertical Drilling System
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摘要:
针对BH−VDT3000垂直钻井系统研制过程中遇到的技术问题，利用平衡趋势造斜率预测方法，分析了影响BH−VDT3000垂直钻井系统纠斜能力的因素及其影响规律，系统分析了BH−VDT3000第一代样机现场试验失败的原因，给出了第二代样机的结构、钻具组合及钻进参数优化方案，并进行了现场试验。理论研究及现场试验结果表明，推靠式垂直钻井系统的钻头侧向力指向井眼低边时有利于纠斜，钻头转角指向高边时不利于纠斜，选择钻具组合与钻井参数（含推靠力）时需要平衡二者对钻进趋势的影响，否则会失去纠斜能力；BH−VDT3000垂直钻井系统直径小、刚度低，若采用与大尺寸垂直钻井系统相同的钻具组合，极有可能失去纠斜能力；整体缩短导向头长度、导向翼肋与稳定器之间的距离，有助于提升中等尺寸垂直钻井系统的井斜控制能力。
Abstract:Based on the technical problems encountered during the development of BH-VDT3000 vertical drilling system (VDS), the influencing factors and rules of its straightening capability were analyzed by the prediction method of equilibrium trend build-up rate. The reasons for the field test failure of the first-generation BH−VDT3000 prototype were comprehensively analyzed, thereafter the optimization scheme of the structure, bottom-hole assembly (BHA), and drilling parameters of the second-generation prototype were proposed. Field tests were also conducted. The theoretical research and field test results show that the bit lateral force of the push-the-bit VDS pointing to the low side of the borehole has positive impact on straightening, and the bit tilt angle pointing to the high side has passive impact on straightening. Their influences on the drilling trend should be balanced when selecting the BHA and drilling parameters (including the push-the-bit force), otherwise, the straightening capability will be lost. Because BH-VDT3000 VDS has a small diameter and low stiffness, it is very likely to lose the straightening capability if the same BHA of a large-size VDS is used. Shortening the overall length of the steering sub and the distance between the steering pads and the stabilizer can improve the straightening capability of the medium-size VDS.
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自动垂直钻井系统（简称为“垂钻系统”）是直井防斜打快专用系统和高端钻井装备。目前，国内外已经研制了多种垂钻系统，主要包括斯伦贝谢公司PowerV为代表的动态推靠电控式垂钻系统[1–2]，贝克休斯公司Verti−Trak为代表的静态推靠电控式垂钻系统[3–4]，哈里伯顿公司V−Pilot为代表的静态推靠机械式垂钻系统[5]。国内也研制出了适用于ϕ311.1～ϕ660.4 mm井眼的垂钻系统，主要包括中石化胜利石油工程有限公司捷联式垂钻系统[6–7]，中国石油大学（华东）UPC−VDS垂钻系统[8]，中国石油渤海钻探工程有限公司BH−VDT垂钻系统[9–10]、西部钻探工程有限公司XZXZAVDS垂钻系统[11]、大庆钻探工程公司DQCZ垂钻系统[12]，但是适用于ϕ215.9～ϕ241.3 mm井眼的国产垂钻系统尚处于研制和试验阶段，该尺寸井眼的垂直钻井技术服务长期被国外公司所垄断。
为了满足ϕ215.9～ϕ241.3 mm井段防斜打快的需求，渤海钻探工程有限公司于2022年研制出了BH−VDT3000垂钻系统样机并开展了现场试验。笔者以BH−VDT3000第一代样机现场试验失败原因分析为突破口，深入分析该垂钻系统的纠斜机理、纠斜能力影响因素及影响规律，给出了该垂钻系统结构、钻具组合及钻井参数优选方案，为国内同类垂钻系统研制及应用提供了理论与技术支持。
1. BH−VDT垂钻系统的结构及工作原理
1.1 总体结构
BH−VDT垂钻系统由机械、高压密封、电源供电、电子测量、电源控制、液压执行、信号上传和软件等8个系统组成[13]，如图1所示。机械系统由信号上传短节、驱动轴和壳体等部分构成，并承载其他系统及部件；高压密封系统在不旋转壳体的上下和电路系统的外部，起保护作用；电源供电系统包含涡轮发电机和电源驱动电路，负责发电、整流、向其他设备供电；电子测量系统负责多个传感器信息的收集；电路控制系统根据收集的数据进行计算并输出纠斜指令；液压执行系统执行控制系统发出的指令，按指令控制活塞推动推靠翼；信号上传系统根据井下多传感器和测量数据进行数据编码，控制电磁或者电机驱动脉冲器上传信号；软件系统在井下对需要上传的数据进行编码，在地面利用设备对脉冲信号进行解码。
1.2 工作原理
BH−VDT垂钻系统的工作原理是：钻井液驱动涡轮发电机发电，电流通过整流驱动电路整流（稳压）后输送给下部的测量和控制系统；测量系统持续监测井眼轨迹，当井眼发生偏斜时，经过控制系统分析判断并向液压执行系统发出指令，使位于井壁高边位置的一个或相邻的2个推靠翼肋快速伸出并支撑在井壁上，同时在井壁反作用力下对井眼轨迹进行及时修正[14–15]。控制系统将脉冲信号编码并发送给整流驱动电路，驱动信号上传系统动作产生钻井液脉冲并传至地面，最终由地面软件系统接收并显示实时数据，完成对井斜角、工具工况的实时监测。
2. 第一代BH−VDT3000样机研制与现场试验
2.1 第一代样机设计方案
借鉴大尺寸BH-VDT垂钻系统的研发经验，从以下方面优化了BH-VDT3000样机：1）选用进口高强度无磁不锈钢材料，以提升系统的总体强度；2）将外挂式推靠机构优化为内藏式推靠机构，以提升推靠机构的安全可靠性；3）对井下脉冲发射器进行升级，提高深井、高密度钻井液环境下信号的传输能力；4）优化单总线结构，以降低维护保养难度，增强主轴强度。
2.2 第一代样机现场试验过程
第一代BH−VDT3000样机在塔里木油田博孜3−H5井四开ϕ241.3 mm井段进行了现场试验，试验井段为库姆格列木群盐岩段（包括白色盐岩、膏盐岩、泥质盐岩和泥膏岩）。该次现场试验主要验证样机的以下性能：1）井斜角测量与控制性能；2）内藏式推靠机构在盐膏层的适应性；3）二代脉冲发射器的可靠性；4）低钻井液排量下的供电能力；5）耐温耐压性能。
博孜3−H5井四开ϕ241.3 mm井段钻至井深4 095.00 m时，下入第一代BH−VDT3000样机，钻具组合为ϕ241.3 mm PDC钻头+第一代BH−VDT3000样机+ϕ177.8 mm浮阀+ϕ177.8 mm钻铤×1根+ϕ239.0 mm倒划眼器+ϕ177.8 mm钻铤×11根。2022年7月9日12:50下钻到底，第一代BH−VDT3000样机工作正常，井斜角为0.64°；之后开始钻进，钻压40～80 kN，扭矩6～15 kN·m，顶驱转速60～70 r/min，排量35 L/s，泵压26 MPa；钻至井深4 104.00 m时，随钻监测井斜角增至1.72°，复测井斜角，结果一致；因井斜角异常增大且原因未知，于是起钻检查。第一代BH−VDT3000样机出井后，检查其外观正常。在地面检测其功能，检测结果表明各项功能正常。
下入PowerV 675垂直钻井工具进行纠斜，钻具组合为ϕ241.3 mm PDC钻头+PowerV 675垂直钻井工具+浮阀+ϕ239.5 mm稳定器+坐键接头+无磁钻铤（内置MWD）+限流接头+ϕ239.5 mm稳定器+ϕ177.8 mm短钻铤+扩眼器+ϕ177.8 mm钻铤×12根。钻井参数为：钻压60～80 kN，转速70～80 r/min，排量31 L/s，泵压26 MPa，扭矩6～18 kN·m。纠斜钻至井深4 121.00 m，机械钻速10.00 m/h，井斜角由1.72°降至0.28°，纠斜效果正常。
2.3 现场试验失败原因初步分析
现场试验表明，第一代BH−VDT3000样机不仅没有纠斜能力，反而快速增斜，但起钻后检查和测试均无异常；转运至维护保养基地，下载的内存数据与现场试验测斜情况一致，综合测试也表现正常。排除各种原因后，最终认定该次现场试验失利与地层和钻头各向异性无关，最有可能与样机自身结构和钻具组合有关。表1为现场试验与试验前领眼钻进和后续PowerV 675纠斜钻进情况的对比。从表1可以看出，ϕ241.3 mm井眼中BH−VDT3000垂直钻具组合与PowerV 675垂直钻具组合所用钻井参数基本相同，但是稳定器位置有明显差异。
表 1 第一代BH−VDT3000样机现场试验效果对比Table 1. Comparisons of field test results of first-generation BH-VDT3000 prototype井段 钻具组合 钻头类型及新度 钻压/kN 转速/（r·min−1） 段长/m 井斜角/（°） 机械钻速/（m·h−1） 领眼段 光钻铤 JZ牙轮钻头，新度100% 80～120 70 24 0.44～0.64 1.78 ϕ241.3 mm井段 BH−VDT3000钻具组合 DBS锥齿PDC钻头，新度100% 40～80 60～70 9 0.64→1.72 17.64 ϕ241.3 mm井段 PowerV 675钻具组合 DBS修复PDC钻头，新度100% 40～60 60～70 17 1.72→0.28 10.00 注：BH−VDT3000钻具组合中只有一个单稳定器，稳定器在BH−VDT3000上方，与推靠翼肋的距离16.00 m；PowerV 675钻具组合中有2个稳定器，下稳定器在PowerV 675上方，与推靠翼肋的距离约4.60 m。 3. 第一代BH−VDT3000样机现场试验失败原因分析
考虑BH−VDT3000垂钻系统与推靠式旋转导向钻井系统（简称“推靠式旋导系统”）的结构和工作原理基本相同，笔者等人借鉴国产推靠式旋导系统研制及应用相关研究成果，深入分析了第一代BH−VDT3000样机现场试验失败的原因。
3.1 垂钻系统纠斜能力失效机理分析
BH−VDT钻具组合的受力、弯曲变形及钻进趋势预测方法如图2所示。
BH−VDT垂钻系统采用推靠式调控方法，纠斜钻进时从井眼高边施加推靠力，将下部钻柱推向井眼低边方向，迫使钻头切削下井壁，钻头侧向力指向井眼低边，有利于纠斜；同时，钻头与稳定器之间的钻柱在推靠力和钻具自重作用下向井眼低边弯曲，迫使钻头转角（Ab）指向井眼高边，不利于纠斜[16]。BH−VDT垂钻系统能否纠斜取决于钻头侧向力的纠斜作用是否超过钻头转角的增斜作用。若钻头侧向力的纠斜作用超过钻头转角的增斜作用，钻进趋势方向指向井眼低边（钻进趋势角Ar < 0），最终表现为纠斜；若钻头转角的增斜作用超过钻头侧向力的纠斜作用，钻进趋势方向指向井眼高边（钻进趋势角Ar > 0），最终表现为增斜。为了确保BH− VDT3000垂钻系统具有纠斜能力，必须增大钻头侧向力的纠斜作用，抑制钻头转角的增斜作用。
不同尺寸BH−VDT垂钻系统纠斜能力的模拟结果表明：大尺寸BH−VDT钻具组合（如BH−VDT6000）中下部钻柱的直径较大、刚度较高，在推靠力作用下不容易弯曲变形，该情况下即使在垂钻系统与稳定器之间接1根钻铤，钻头转角也比较小，钻头侧向力的纠斜作用始终大于钻头转角的增斜作用，BH−VDT垂钻系统最终表现为纠斜；小尺寸BH−VDT钻具组合（如BH−VDT3000）中下部钻柱的直径较小、刚度较低，该情况下若采用与大尺寸BH−VDT垂钻系统相同的钻具组合，钻柱在推靠力作用下更容易弯曲变形，钻头转角会明显增大，导致钻头转角的增斜作用超过钻头侧向力的纠斜作用，最终表现为增斜，且推靠力越大，钻头转角越大，增斜越明显。
3.2 第一代样机纠斜能力模拟分析
采用平衡趋势造斜率预测方法直接预测BH−VDT3000垂钻系统的井斜变化率，并以此作为纠斜能力评价指标。平衡趋势造斜率预测方法的基本原理和求解方法见文献[17–20]。
3.2.1 模拟分析条件
基于试验井所用钻具组合及钻井参数，拟定模拟分析条件：推靠翼肋与钻头的距离为1.24 m；稳定器与推靠翼肋的距离为16.10 m；稳定器的直径为239.5 mm；推靠合力为24 kN；钻头各向异性指数为0.02；钻压为60 kN；初始井斜角为0.60°；井眼扩大率为0。
3.2.2 稳定器与推靠翼肋距离对纠斜能力的影响
模拟稳定器与推靠翼肋不同距离下第一代BH−VDT3000钻具组合的井斜变化率，结果见图3。从图3可以看出，BH−VDT3000钻具组合的纠斜能力随着稳定器与推靠翼肋距离增大而显著降低；稳定器与推靠翼肋距离小于8.00 m时，井斜变化率小于0，有纠斜能力；稳定器与推靠翼肋距离大于9.00 m后，井斜变化率大于0，不仅不纠斜，反而会增斜。
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图 3 稳定器与推靠翼肋距离对第一代样机纠斜能力的影响Figure 3. Influence of distance between stabilizer and push-the-bit pads on straightening capability of first-generation prototype现场试验时，BH−VDT3000钻具组合中稳定器与推靠翼肋的距离为16.10 m，实际钻进井段长9.00 m，井斜角从0.64°增至1.72°，增斜率3.60°/30m，模拟增斜率为2.76°/30m，现场试验与模拟的增斜率基本一致。
分析结果表明，BH−VDT3000钻具组合下部钻柱的直径小、刚度低，若稳定器与推靠翼肋的距离与大尺寸BH−VDT钻具组合相同（稳定器与推靠翼肋的距离为16.10 m），极有可能导致BH−VDT3000垂钻系统失去纠斜能力。实际上，与BH−VDT3000钻具组合相当的PowerV钻具组合的稳定器与推靠翼肋的距离仅有4.60 m。
3.2.3 钻压对纠斜能力的影响
模拟不同钻压下，第一代BH−VDT3000钻具组合的井斜变化率，结果见图4。从图4可以看出：第一代BH−VDT3000钻具组合的纠斜能力随着钻压增大而显著降低；钻压小于30 kN时，有纠斜能力；钻压大于40 kN不仅不纠斜，反而会增斜。
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图 4 钻压对第一代样机纠斜能力的影响Figure 4. Influence of weight-on-bit on straightening capabilityof first-generation prototype现场试验时钻压为40～80 kN，井斜角快速增大，与模拟结果完全一致。
3.2.4 推靠力对纠斜能力的影响
模拟不同推靠力下，第一代BH−VDT3000钻具组合的井斜变化率，结果见图5。从图5可以看出，第一代BH−VDT3000钻具组合中稳定器与推靠翼肋的距离为16.10 m，无论从井眼高边向井眼低边施加多大推靠力，均无纠斜能力，并且推靠力越大，增斜越快。这表明，第一代BH−VDT3000钻具组合下部钻柱的直径小、刚度低，若稳定器与推靠翼肋的距离较远、推靠力较大、钻压也较大时，极有可能导致BH−VDT3000垂直钻井系统失去纠斜能力，并且推靠力越大，增斜越快。
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图 5 推靠力对第一代样机纠斜能力的影响Figure 5. Influence of push-the-bit force on straighteningcapability of first-generation prototype4. 第二代BH−VDT3000样机及现场试验
4.1 第二代样机改进方案
根据前述模拟结果，设定BH−VDT3000垂钻系统的研制目标为：在钻压120～150 kN、推靠力10～15 kN条件下，纠斜率能够达到−0.5°/30m～−1.0°/30m。纠斜能力预测分析表明，要实现该目标，必须将稳定器与推靠翼肋的距离缩短至3.00 m以内，将稳定器下移至井下闭环控制系统和供电与信号上传系统之间、并与之前的导向头整合到一起。第二代BH−VDT3000样机的总体结构如图6所示，稳定器与推靠翼肋的距离2.78 m，最大推靠力16 kN。
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图 6 第二代BH−VDT3000样机的总体结构Figure 6. Overall structure of second-generation BH-VDT3000 prototype4.2 第二代样机纠斜能力模拟预测
4.2.1 模拟分析条件
参考ϕ241.3 mm井眼PowerV钻具组合及钻井参数，拟定模拟分析条件：推靠翼肋与钻头的距离为1.24 m；稳定器与推靠翼肋的距离为3.00 m；稳定器的直径为239.5 mm；推靠合力为14 kN；钻头各向异性指数为0.02；钻压为120 kN；初始井斜角为1.0°；井眼扩大率为0。
4.2.2 钻井参数对纠斜能力的影响
限定第二代BH−VDT3000样机结构和钻具组合不变，仅模拟推靠力和钻压对纠斜能力影响，结果见图7和图8。从图7可以看出：在推靠力不变的情况下，第二代BH−VDT3000样机的纠斜能力随着钻压增大而迅速降低；钻压为120 kN、推靠力分别为10和15 kN时，纠斜率分别约为−0.60°/30m和−0.87°/30m。从图8可以看出：在钻压不变的情况下，第二代样机的纠斜能力随着推靠力增大而近似线性增大；推靠力为15 kN、钻压分别为120和180 kN时，纠斜率分别约为−0.87°/30m和−0.17°/30m。
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图 7 钻压对第二代样机纠斜能力的影响Figure 7. Influence of weight-on-bit on straightening capabilityof second-generation prototype![]()
图 8 推靠力对第二代样机纠斜能力的影响Figure 8. Influence of push-the-bit force on straighteningcapability of second-generation prototype4.3 第二代样机现场试验过程
第二代BH−VDT3000样机在塔里木油田ManS71−H5井三开进行了现场试验，试验井段地层为石炭系，岩性为泥岩和砂岩，主要验证第二代BH−VDT3000样机的控斜、纠斜性能。
4.3.1 现场试验过程
ManS71−H5井三开ϕ241.3 mm井段钻至井深4 575.00 m时，接入第二代BH−VDT3000样机进行垂直钻井试验，钻具组合为ϕ241.3 mm PDC钻头×0.39 m+第二代BH−VDT3000样机×7.87 m+ϕ177.8 mm单向保护接头×0.49 m+ϕ177.8 mm钻铤×136.53 m。
下钻至井深15.00 m进行浅层测试，第二代BH−VDT3000样机工作状态正常，于是下钻至井底开始钻进，钻压80～100 kN，转速85～95 r/min，扭矩10～15 kN·m，工作排量34～38 L/s，钻至井深
4601.00 m时，井斜角由入井时的0.50°降至0.10°，纠斜效果良好；继续纠斜钻进，多次出现托压情况。钻至井深4 654.00 m时，井下信号突然消失，尝试排除故障未果，决定起钻检查。第二代BH−VDT3000样机出井后，检查发现是井下通讯系统故障导致无信号。4.3.2 现场试验效果
第一和第二代BH−VDT3000样机现场试验效果对比见表2。其中，ManS71−H5井井深4 575.00 m处的静态井斜角为0.50°，下入第二代BH−VDT3000样机钻进26.00 m后静态井斜角降至0.10°，之后动态井斜角基本稳定在0.10°～0.40°，纠斜效果良好，与PowerV垂直钻井系统的井斜控制水平相当。第一和第二代BH−VDT3000样机的现场试验均采用单稳定器钻具组合，主要差别在于第二代BH−VDT3000样机集成了稳定器，稳定器与推靠翼肋的距离由16.10 m缩短至2.78 m。与博孜3−H5井对比，该井试验过程中采用的钻压、转速等钻井参数更大，第二代BH−VDT3000样机入井后井斜角快速降低，达到了试验预期效果，也标志着BH−VDT3000垂直钻井系统研制成功。
表 2 第一和第二代BH−VDT3000样机现场试验效果对比Table 2. Comparison of field test results of first-generation and second-generation BH-VDT3000 prototypes井名 钻压/kN 转速/（r·min−1） 扭矩/（kN·m） 排量/（L·s−1） 试验井段/m 进尺/m 工作时间/h 井斜角/（°） 入井 出井 博孜3−H5井 40～80 60～70 6～15 35 4 095～4 104 9 0.5 0.64 1.72 ManS71−H5井 80～100 85～95 7～18 34～38 4 575～4 665 90 25.0 0.50 0.36 5. 结论与认识
1）推靠式垂钻系统的钻头侧向力指向井眼低边，有利于纠斜，钻头转角指向高边，不利于纠斜，选择钻具组合与钻井参数时需要平衡钻头侧向力与钻头转角对钻进趋势方向的影响，否则会导致垂钻系统失去纠斜能力。
2）BH−VDT3000垂钻系统直径小、刚度低，若采用与大尺寸垂钻系统相同的钻具组合，极有可能失去纠斜能力，并且推靠力越大，增斜越快。
3）与现有大尺寸BH−VDT垂钻系统相比，缩短导向头长度、推靠翼肋与稳定器之间距离，适当控制推靠力和降低钻压有助于提升中等尺寸BH−VDT垂钻系统的井斜控制能力。
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图 3 稳定器与推靠翼肋距离对第一代样机纠斜能力的影响
Figure 3. Influence of distance between stabilizer and push-the-bit pads on straightening capability of first-generation prototype
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图 4 钻压对第一代样机纠斜能力的影响
Figure 4. Influence of weight-on-bit on straightening capabilityof first-generation prototype
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图 5 推靠力对第一代样机纠斜能力的影响
Figure 5. Influence of push-the-bit force on straighteningcapability of first-generation prototype
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图 6 第二代BH−VDT3000样机的总体结构
Figure 6. Overall structure of second-generation BH-VDT3000 prototype
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图 7 钻压对第二代样机纠斜能力的影响
Figure 7. Influence of weight-on-bit on straightening capabilityof second-generation prototype
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图 8 推靠力对第二代样机纠斜能力的影响
Figure 8. Influence of push-the-bit force on straighteningcapability of second-generation prototype
表 1 第一代BH−VDT3000样机现场试验效果对比
Table 1 Comparisons of field test results of first-generation BH-VDT3000 prototype
井段 钻具组合 钻头类型及新度 钻压/kN 转速/（r·min−1） 段长/m 井斜角/（°） 机械钻速/（m·h−1） 领眼段 光钻铤 JZ牙轮钻头，新度100% 80～120 70 24 0.44～0.64 1.78 ϕ241.3 mm井段 BH−VDT3000钻具组合 DBS锥齿PDC钻头，新度100% 40～80 60～70 9 0.64→1.72 17.64 ϕ241.3 mm井段 PowerV 675钻具组合 DBS修复PDC钻头，新度100% 40～60 60～70 17 1.72→0.28 10.00 注：BH−VDT3000钻具组合中只有一个单稳定器，稳定器在BH−VDT3000上方，与推靠翼肋的距离16.00 m；PowerV 675钻具组合中有2个稳定器，下稳定器在PowerV 675上方，与推靠翼肋的距离约4.60 m。 
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表 2 第一和第二代BH−VDT3000样机现场试验效果对比
Table 2 Comparison of field test results of first-generation and second-generation BH-VDT3000 prototypes
井名 钻压/kN 转速/（r·min−1） 扭矩/（kN·m） 排量/（L·s−1） 试验井段/m 进尺/m 工作时间/h 井斜角/（°） 入井 出井 博孜3−H5井 40～80 60～70 6～15 35 4 095～4 104 9 0.5 0.64 1.72 ManS71−H5井 80～100 85～95 7～18 34～38 4 575～4 665 90 25.0 0.50 0.36
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