李智鵬, 易先中, 陶瑞東, 尤 軍， 張建榮， 許京國

(1.中國石油渤海鉆探工程有限公司第三鉆井工程分公司，天津 300280；2.長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州 434023)

定向井和水平井鉆井常采用“螺桿鉆具+MWD系統(tǒng)”?；瑒鱼@進時，鉆頭依靠螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)動力旋轉(zhuǎn)鉆進。在曲線段和水平段，由于部分鉆具躺在井眼下側(cè)，鉆具與井壁的靜摩擦力增大，給鉆頭施加鉆壓、工具面定向帶來極大困難，頻繁出現(xiàn)滑動托壓，嚴重制約著定向鉆井提速。為了解決該問題，國外數(shù)年前就開始研究滑動鉆進的控制方法，根據(jù)扭矩控制原理，利用頂驅(qū)精確旋轉(zhuǎn)定位的方法，開發(fā)出高效的控制系統(tǒng)，有效解決了快速工具面定向和滑動鉆進托壓的問題[1]。該控制系統(tǒng)已在近千口定向井和水平井鉆井中進行了成功應(yīng)用，機械鉆速和鉆井效率都得到顯著提高[1-2]。截至目前，國內(nèi)尚未開發(fā)出類似的控制系統(tǒng)，仍采用人工控制的方法進行定向鉆進，機械鉆速和鉆井效率很低。為此，筆者在廣泛調(diào)研和充分吸收國外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研究了定向滑動鉆進控制新方法，并著手開發(fā)類似的控制系統(tǒng)。

1 滑動摩擦分析

文獻[3]分析了物體滑動前后靜摩擦力與動摩擦力隨時間變化的規(guī)律。分析認為，摩擦力的大小等于摩擦系數(shù)乘以鉆具與井壁及套管內(nèi)壁累積的側(cè)向接觸力，在井斜角較大的情況下，司鉆下放鉆具施加鉆壓時井眼的靜摩擦力會隨之增大，當下放的重力分量不足以克服井眼的靜摩擦力時會出現(xiàn)托壓，一旦克服井眼的靜摩擦，滑動摩擦?xí)S之減弱。鉆具開始向下滑動時的摩擦系數(shù)稱為靜摩擦系數(shù)，一般靜摩擦系數(shù)比滑動開始后的動摩擦系數(shù)約大25%，如圖1所示。

圖1 物體滑動前后摩擦系數(shù)的變化Fig.1 The analysis of object friction change before and after sliding

2 扭矩控制原理

扭矩與反扭矩對井眼摩阻的影響十分重要?；瑒鱼@進托壓時，由頂驅(qū)驅(qū)動的鉆具左右旋轉(zhuǎn)和鉆具向前運動共同作用產(chǎn)生一個鉆進速度，S.J.Sawaryn等人[4]認為鉆進速度是鉆具沿井眼軌道運動的函數(shù)。左右旋轉(zhuǎn)鉆具可以降低井眼的軸向摩阻，在理想工具面時，鉆具從地面旋轉(zhuǎn)至井下鉆具的某一位置，在該位置上鉆具旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的扭矩對抗井壁摩擦，使鉆具停止旋轉(zhuǎn)；同時，由鉆頭產(chǎn)生的反扭矩向上傳送至鉆具的某一位置，該位置就是克服井底鉆具組合和下部鉆具反扭矩的位置，該位置被稱為干擾點，干擾點與鉆頭之間的區(qū)域稱為干擾區(qū)。如果從地面旋轉(zhuǎn)鉆具使其進入了干擾區(qū)，就會影響工具面角。

為了避免地面旋轉(zhuǎn)鉆具使其進入干擾區(qū)，需根據(jù)每次現(xiàn)場作業(yè)采集的鉆進扭矩和鉆頭懸空扭矩，經(jīng)過精確計算控制鉆具左右旋轉(zhuǎn)。在理想工具面時，要達到不影響工具面就必須控制好扭矩和鉆具旋轉(zhuǎn)的深度。Eric Maidla等人[5]研究了控制旋轉(zhuǎn)扭矩對鉆具深度的影響。圖2描述了旋轉(zhuǎn)扭矩隨時間變化的理論分析情況，圖3為文獻[3]闡述的鉆進托壓時實測的左右旋轉(zhuǎn)扭矩與上扣、卸扣扭矩的分析結(jié)果。對于該項特殊的作業(yè)，左右旋轉(zhuǎn)扭矩遠小于上扣和卸扣扭矩，因此不會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)卸扣的問題。

圖2 旋轉(zhuǎn)扭矩隨時間變化的理論分析結(jié)果Fig.2 Results of theoretical analysis of rotary torque vs time

圖3 通過液壓計實測的旋轉(zhuǎn)扭矩和上扣、卸扣扭矩Fig.3 Rotary torque,makeup and breakout torque measured by a hydraulic gauge

3 新定向控制系統(tǒng)的開發(fā)

筆者通過深入研究文獻[6]描述的方法和文獻[7]介紹的現(xiàn)場應(yīng)用效果，著手研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的定向控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)配有顯示器，頂驅(qū)可編程控制器內(nèi)裝有一套控制程序，定向司鉆可以通過顯示屏直接向頂驅(qū)輸入指令和操作干預(yù)；控制干預(yù)包括控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、扭矩、角偏移和旋轉(zhuǎn)方向等?？刂瞥绦蚴菍⒆钣薪?jīng)驗的定向工程師和定向司鉆的操作方法設(shè)計成計算機能自動執(zhí)行的操作程序。

3.1 系統(tǒng)控制架構(gòu)

控制系統(tǒng)由可編程控制器、一組傳感器、顯示器、鉆具左右旋轉(zhuǎn)控制器和控制軟件組成，可編程控制器與頂驅(qū)共用。圖4為系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計。圖4中，所有組件協(xié)同工作，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速、扭矩、旋轉(zhuǎn)方向和鉆桿角偏移的精確控制，最終實現(xiàn)快速準確的工具面定向和防托壓滑動鉆進。

3.2 人機顯示界面

圖5為設(shè)計的人機顯示界面。該界面為用戶提供各種相關(guān)鉆井參數(shù)和滑動鉆進的控制操作指示，以表盤式工具面顯示為中心，黑針、藍針、黃針分別代表鉆桿角偏移、MWD實測工具面和設(shè)計工具面角度，表盤中深紅色部分為設(shè)計工具面角度的允許扇區(qū)，藍色實心圓為重力工具面。顯示界面可讓定向工程師和司鉆清晰地知道當前工具面角度的所在位置，并可通過可編程控制器進行控制，準確旋轉(zhuǎn)頂驅(qū)主軸調(diào)整和控制工具面角度，跟蹤監(jiān)測工具面的變化。系統(tǒng)可自動執(zhí)行，也可人工操作執(zhí)行。

圖4 設(shè)計的定向滑動鉆進控制架構(gòu)Fig.4 Control architecture designed for directional slide drilling

3.3 控制組件

控制組件執(zhí)行用戶設(shè)計的控制程序，系統(tǒng)運行時接管頂驅(qū)控制，加速或減速頂驅(qū)主軸使其轉(zhuǎn)動到指定位置，緊急情況下系統(tǒng)可迅速停止或關(guān)閉，頂驅(qū)主軸減速至停止，主軸剎車自動剎死。

3.4 基本控制方法

1) 快速工具面定向。上提鉆頭至距井底5～8 m的位置，循環(huán)鉆井液至鉆進流速，采集大鉤靜重和循環(huán)泵壓，以鉆具中性扭矩為零坐標，低速勻速右旋頂驅(qū)至最大扭矩，采集鉆頭離底時的最大右旋扭矩(Toff-R)；停止鉆具旋轉(zhuǎn)，等待MWD實測工具面，確定鉆桿角偏移、實測與設(shè)計工具面角度，以實測工具面角度與設(shè)計工具面角度順時針之差的角度右旋頂驅(qū)，將工具面準確設(shè)定在設(shè)計的工具面角度。

圖5 新定向控制系統(tǒng)的的人機顯示界面Fig.5 Display interface designed for human-computer control device

2) 控制鉆進托壓。以Hw0，以保持最佳壓差和鉆壓滑動鉆進。

3.5 控制流程

在系統(tǒng)顯示界面的協(xié)助下執(zhí)行防托壓滑動鉆進控制程序，控制流程如圖6所示。圖6中，TFd為設(shè)計的工具面角，(°)；TFt為MWD實測工具面角，(°)；Rta為反扭矩角，(°)；W為允許扇區(qū)角度，(°)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

由于筆者設(shè)計的新定向鉆進控制系統(tǒng)尚在研制當中，因此以國外井例來說明該技術(shù)的應(yīng)用效果。

ROC石油公司在中國天津近海約5 km、平均水深5 m的鉆井平臺上進行鉆井作業(yè)[1]。為了鉆進油氣層，井眼軌道幾乎都是三維的，常需復(fù)雜定向，長時間定向鉆進是為了充分改變井眼方位；根據(jù)設(shè)計的井眼軌道，通常采用螺桿鉆具與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向相結(jié)合的方式進行定向鉆進?，F(xiàn)場作業(yè)的經(jīng)驗表明，當井眼方位角變化大于60°時，只能用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)來完成，而螺桿鉆具鉆進的效果很差，甚至無法完成全井定向；為了降低鉆井成本，采用了新定向鉆進控制系統(tǒng)。

某鉆井平臺在相同目的層鉆了2口井：采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆成了A井，采用“螺桿鉆具+新定向鉆進控制系統(tǒng)”鉆成了B井，A井和B井的方位角變化均超過69°，井斜角超過了55°，如圖7所示。

由圖7可知，在井斜角、位移和方位角變化適度的情況下，新定向鉆進控制系統(tǒng)完全能取代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)完成全井定向鉆井作業(yè)。

將應(yīng)用了新定向鉆進控制系統(tǒng)的13口井的鉆井參數(shù)，與未使用該系統(tǒng)的10口類似井對比，詳情見表1。

圖6 防托壓滑動鉆進控制流程Fig.6 Slide drilling control procedure for off WOB preventing

由表1可知，與未使用新定向鉆進控制系統(tǒng)的井相比，使用了該系統(tǒng)的井平均機械鉆速提高了47.7%，可見新定向鉆進控制系統(tǒng)可以顯著提高定向控制能力和滑動鉆進機械鉆速。而且，定向工程師和現(xiàn)場作業(yè)人員認為，新定向鉆進控制系統(tǒng)是定向鉆井作業(yè)最佳的輔助工具。

表1 使用了新定向鉆進控制系統(tǒng)與未使用井的鉆井參數(shù)對比Table 1 Comparison of drilling parameters before and after adopting the new directional control system

5 結(jié)束語

新定向滑動鉆進控制系統(tǒng)是基于頂驅(qū)的地面控制系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)無需添加任何新的井下工具，因此不會增加新的井下作業(yè)風險。該系統(tǒng)的操作界面簡單，為定向工程師和司鉆提供了一個有效的輔助工具?；瑒鱼@進時，使用該系統(tǒng)可以改善鉆壓傳遞，提高工具面的控制能力，有效解決滑動鉆進托壓、工具面調(diào)整與控制等技術(shù)難題，由此顯著提高滑動鉆進機械鉆速和鉆井效率，與滑動鉆進托壓、工具面定向等傳統(tǒng)做法有關(guān)的非生產(chǎn)時間得到顯著縮短。在采用“螺桿鉆具+MWD系統(tǒng)”鉆進的三維復(fù)雜定向井和水平井中，新定向控制系統(tǒng)已被證明發(fā)揮了重要作用。在目前定向井、水平井和大位移井占據(jù)石油鉆井市場主要份額的形勢下，新定向控制系統(tǒng)是提高機械鉆速和鉆井效率的有效方法，其性價比優(yōu)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于任何“螺桿鉆具+MWD系統(tǒng)”的定向鉆井作業(yè)。當然，這一技術(shù)和方法還需深入研究、不斷完善，以能規(guī)?；瘧?yīng)用。

參考文獻
References

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[5] Eric Maidla,Marc Haci.Understanding torque:the key to slide drilling directional wells[R].SPE 87162,2004.

[6] Colin Gillan,Boone S G,Leblanc M G,et al.Applying computer based precision drill pipe rotation and oscillation to automate slide drilling steering control[R].SPE 148192,2011.

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