劉 偉, 楊曉峰, 張 華

(1中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2國(guó)家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心 3中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 4中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦)

目前實(shí)現(xiàn)定向井、水平井按預(yù)期在地層中鉆進(jìn)主要有以下兩種技術(shù)：一是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，二是滑動(dòng)鉆井技術(shù)，該技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流定向井、水平井井眼軌跡控制手段。該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，較常規(guī)鉆井只增加井下動(dòng)力鉆具和隨鉆測(cè)量?jī)x器；缺點(diǎn)是在滑動(dòng)鉆井過程中，鉆頭以上的鉆柱不旋轉(zhuǎn)，只能沿井眼軸向滑動(dòng)，易出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象，鉆壓不能有效傳遞至鉆頭，導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢，鉆井效率低，或者鉆壓突然釋放導(dǎo)致井下動(dòng)力鉆具制動(dòng)，同時(shí)出現(xiàn)井下復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)也大幅度增加。

為了提高滑動(dòng)鉆井速度和效率，近年來業(yè)界產(chǎn)生了兩種技術(shù)。一種是井下振動(dòng)降摩減阻技術(shù)，通過在距離鉆頭一定距離處加裝一個(gè)或多個(gè)水力振蕩器，在鉆井過程中把部分水力能量轉(zhuǎn)化為“微振動(dòng)”能量，帶動(dòng)與之相鄰的一定范圍內(nèi)的鉆柱“振動(dòng)”，從而消除部分鉆柱與井筒的靜摩擦力，起到一定的提高滑動(dòng)鉆井速度和效率的作用。該技術(shù)在四川油氣田已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了一定效果，但也存在不足。一是水力振蕩器可能失效，導(dǎo)致額外的起下鉆，增加了鉆井時(shí)間和費(fèi)用；二是水力振蕩器的工作能量來至于水力能量，帶來鉆井過程中地面泵壓的增加，限制了其在高密度深井中的應(yīng)用；三是該技術(shù)只能帶動(dòng)與井下振動(dòng)裝置相鄰的一定范圍內(nèi)的鉆柱“振動(dòng)”，不能消除整個(gè)鉆柱的靜摩擦力，導(dǎo)致效果欠佳，甚至沒有。

另外一種技術(shù)就是近年來發(fā)展起來的鉆柱扭擺滑動(dòng)鉆井技術(shù)。通過控制頂驅(qū)帶動(dòng)鉆柱在一定的扭矩或者轉(zhuǎn)動(dòng)角度內(nèi)持續(xù)的正反旋轉(zhuǎn)，改變鉆柱與井壁間的靜摩擦力為動(dòng)摩擦力，進(jìn)而降低滑動(dòng)鉆井摩阻。研究認(rèn)為，一般靜摩擦系數(shù)比動(dòng)摩擦系數(shù)約大25%[1]。

國(guó)外對(duì)鉆柱扭擺快速滑動(dòng)鉆井技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作，率先開展了鉆柱扭擺降低滑動(dòng)鉆井摩阻方面的研究，形成了以斯倫貝謝Slider系統(tǒng)為代表的產(chǎn)品，并進(jìn)行了較大范圍的應(yīng)用[1-4]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)鉆柱扭擺快速滑動(dòng)鉆井系統(tǒng)的研究還處于探索階段，但是已取得了一定進(jìn)展，易先中等對(duì)國(guó)外鉆柱扭擺滑動(dòng)鉆井技術(shù)研究進(jìn)展作了詳細(xì)總結(jié)[5-6]；李智鵬等進(jìn)行了定向控制系統(tǒng)的初步研發(fā)，但還未形成成熟產(chǎn)品[7]；武廣璦等提出了一種采用彎角馬達(dá)實(shí)現(xiàn)工具面自動(dòng)控制的鉆井系統(tǒng)，并開展了初步研制用于室內(nèi)試驗(yàn)[8]；徐文等研發(fā)了基于頂部驅(qū)動(dòng)和井下動(dòng)力鉆具的滑動(dòng)鉆井導(dǎo)向控制技術(shù)(TDDS)，在SNO116-19H井得到了成功應(yīng)用[9]。Slider等鉆柱扭擺系統(tǒng)已在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用且效果明顯，但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還較少，相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料也未見報(bào)道。

一、鉆柱扭擺控制系統(tǒng)優(yōu)選

鉆柱扭擺滑動(dòng)鉆井控制系統(tǒng)以Schlumberger公司的Slider系統(tǒng)和Canrig公司的ROCKIT系統(tǒng)最為代表。其中Slider系統(tǒng)為Schlumberger的專利技術(shù)，通過控制頂驅(qū)帶動(dòng)鉆柱按設(shè)定的扭矩限制值順時(shí)針、逆時(shí)針依次重復(fù)扭擺來提高滑動(dòng)鉆井效率和控制工具面。Slider已在國(guó)外進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，包括在美國(guó)非常規(guī)天然氣中完成了超過800口水平井，在美國(guó)路易斯安那州外大陸架上、沙特阿拉伯 Khurais油田大位移水平井以及墨西哥海灣都有成功應(yīng)用，且效果明顯，同時(shí)該系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了與北石頂驅(qū)的匹配和應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，所以優(yōu)選Schlumberger公司的Slider系統(tǒng)，來控制頂驅(qū)帶動(dòng)鉆柱扭擺降摩減阻。

Slider系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩部分組成見圖1。

圖1 Slider系統(tǒng)連接示意圖

1.硬件部分

硬件部分包括地面控制系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)以及各種連接線纜，地面控制系統(tǒng)與頂驅(qū)司鉆操作臺(tái)連接，并通過司鉆操作臺(tái)向頂驅(qū)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)帶動(dòng)鉆柱順時(shí)針、逆時(shí)針交替轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，僅需向司鉆控制箱接入信號(hào)線和少量的程序修改。

2.軟件部分

Slider軟件包括人機(jī)交換軟件和PLC控制軟件等，分別預(yù)裝在人機(jī)界面系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)之中，用于提供用戶向控制系統(tǒng)輸入扭矩等控制參數(shù)，包括左右擺動(dòng)峰值扭矩、沖擊扭矩、左右旋轉(zhuǎn)峰值配比等。工作情況下，Slider系統(tǒng)直接控制地面鉆柱在給定的扭矩范圍內(nèi)按設(shè)計(jì)好的速度和模式，順時(shí)針、逆時(shí)針往復(fù)旋轉(zhuǎn)鉆柱，用戶通過軟件調(diào)整地面鉆柱旋轉(zhuǎn)扭矩范圍，使得在鉆柱所受的摩擦阻力減小的同時(shí)確保井下動(dòng)力鉆具工具面穩(wěn)定。在搖擺過程中，為修正工具面的角度，司鉆可以通過發(fā)起扭矩脈動(dòng)來左右轉(zhuǎn)動(dòng)(左右搖晃)或沖撞工具面，通過右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)的方式對(duì)工具面進(jìn)行修正。

3.工作原理

鉆柱扭擺滑動(dòng)鉆井時(shí)，井下鉆柱軸向摩擦阻力分布狀態(tài)有3個(gè)典型區(qū)間[10]，即地面扭擺作用區(qū)、中部靜摩擦阻區(qū)和下部動(dòng)力鉆具反扭矩作用區(qū)。在滑動(dòng)鉆井過程中，地面扭擺作用區(qū)代表了井下鉆柱受地面扭擺運(yùn)動(dòng)影響的范圍，通過改變?cè)搮^(qū)鉆柱與井壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)，將靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦，大幅降低滑動(dòng)鉆井過程的鉆柱軸向摩擦阻力。Slider系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過調(diào)整頂部鉆柱的左右擺動(dòng)扭矩峰值，盡可能的擴(kuò)展地面扭擺作用區(qū)的長(zhǎng)度，最大限度實(shí)現(xiàn)降低摩阻的功能。施加給鉆柱的擺動(dòng)扭矩峰值由操作人員根據(jù)工具面穩(wěn)定情況設(shè)置，不通過計(jì)算獲取。

二、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

四川油氣田磨溪-高石梯區(qū)塊大斜度井、水平井具有井深(5 000 m以上)、裸眼段長(zhǎng)(2 000 m)、鉆井液密度高(2.0 g/cm3以上)特點(diǎn)，造斜井段普遍存在滑動(dòng)鉆井“托壓”現(xiàn)象，鉆井效率低。針對(duì)以上工程特點(diǎn)，優(yōu)選斯倫貝謝公司的Slider系統(tǒng)在高石區(qū)塊進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。

1.應(yīng)用井基本情況

GS001-XX井是部署在高石梯區(qū)塊的一口開發(fā)井，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 井眼軌跡數(shù)據(jù)表

2.應(yīng)用情況

應(yīng)用井段：4 832.88～5 035 m。

鉆具組合：?215.9 mm PDC+?172 mm 1.5°彎螺桿+回壓凡爾+?165.1 mm無磁鉆鋌+?172 mm無磁懸掛短節(jié)+?127 mm加重鉆桿+?165.1 mm隨鉆震擊器+?127 mm加重鉆桿+?127 mm鉆桿。

井斜：16.7°～54°。

Slider正式運(yùn)轉(zhuǎn)前，先將鉆頭提離井底，旋轉(zhuǎn)鉆具測(cè)試空載扭矩，按不超過空載扭矩值的50%設(shè)置Slider初始左擺扭矩/右擺扭矩，并在Slider作業(yè)過程中隨時(shí)調(diào)整，在工具面穩(wěn)定的情況下，增大設(shè)置扭矩，擴(kuò)展地面扭擺作用區(qū)的長(zhǎng)度從而最大限度的降低滑動(dòng)摩阻。GS001-XX井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置左擺扭矩/右擺扭矩分別為4 000 N·m和2 000 N·m，隨著井深的增加，通過動(dòng)態(tài)判斷，調(diào)整地面扭矩峰值達(dá)到最佳的擺動(dòng)降摩阻效果。

3.應(yīng)用效果分析

使用Slider系統(tǒng)期間工具面穩(wěn)定，工具面調(diào)整迅速，未出現(xiàn)靜摩擦力瞬間釋放導(dǎo)致鉆壓突然增大等情況，滑動(dòng)鉆井“托壓”現(xiàn)象得到大幅改善，鉆壓一直維持在70～80 kN，應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速提高約18%，總體提速效果明顯(圖2)。

圖2 滑動(dòng)鉆進(jìn)工具面穩(wěn)定

三、結(jié)論及建議

(1)Slider通過持續(xù)正反旋轉(zhuǎn)鉆柱，能夠有效減輕由于鉆柱靜止導(dǎo)致的滑動(dòng)鉆井“托壓”現(xiàn)象，進(jìn)而提高鉆井速度和滑動(dòng)鉆井效率，特別適合于長(zhǎng)水平段水平井或大位移井。

(2)Slider扭矩的設(shè)置來自于工程師經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)嘗試，可開展鉆柱扭擺力學(xué)研究，開發(fā)配套軟件，優(yōu)化初始扭矩設(shè)置，進(jìn)一步提高鉆柱扭擺降摩減阻效果。

[1]Maidla E, Haci M, Jones S, Cluchey M, Alexander M, Warren T. Field proof of the new sliding technology for directional drilling [C]//SPE/IADC Drilling Conference ,23-25 February 2005, Amsterdam, The Netherlands. DOI: http://dx. doi. org /10.2118/ 92558-MS.

[2]Maidla E, Haci M. Understanding torque: The key to slide drilling directional wells[C]//IADC/SPE/ Drilling Conference, 2-4 March 2004, Dallas, Texas, USA, DOI: http://dx.doi.org/ 10.2118/87162-MS.

[3]Colin Gillan, Scott Boone, Gregory Kostiuk, et al. Applying precision drill rotation and oscillation to slide drilling problems[R].SPE 118656,2009.

[4]Gillan C, Boone S G, LeBlanc M G, Picard R P, Fox R T. Applying computer based precision drill pipe rotation and oscillation to automate slide drilling steering control[C]//Canadian Unconventional Resources Conference,15-17 November 2011,Alberta,Canada,DOI:http://dx.doi.org/10.2118/ 148192-MS.

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