李智鵬, 易先中, 陶瑞東, 尤 軍， 張建榮， 許京國(guó)

(1.中國(guó)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(zhǎng)江大學(xué)機(jī)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?dòng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭依靠螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。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(dòng)托壓，嚴(yán)重制約著定向鉆井提速。為了解決該問題，國(guó)外數(shù)年前就開始研究滑動(dòng)鉆進(jìn)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(dòng)鉆進(jìn)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(jìn)行了成功應(yīng)用，機(jī)械鉆速和鉆井效率都得到顯著提高[1-2]。截至目前，國(guó)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(jìn)行定向鉆進(jìn)，機(jī)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(guó)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研究了定向滑動(dòng)鉆進(jìn)控制新方法，并著手開發(fā)類似的控制系統(tǒng)。

1 滑動(dòng)摩擦分析

文獻(xiàn)[3]分析了物體滑動(dòng)前后靜摩擦力與動(dòng)摩擦力隨時(shí)間變化的規(guī)律。分析認(rèn)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(shí)井眼的靜摩擦力會(huì)隨之增大，當(dāng)下放的重力分量不足以克服井眼的靜摩擦力時(shí)會(huì)出現(xiàn)托壓，一旦克服井眼的靜摩擦，滑動(dòng)摩擦?xí)S之減弱。鉆具開始向下滑動(dòng)時(shí)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(dòng)開始后的動(dòng)摩擦系數(shù)約大25%，如圖1所示。

圖1 物體滑動(dòng)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(duì)井眼摩阻的影響十分重要。滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓時(shí)，由頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)的鉆具左右旋轉(zhuǎn)和鉆具向前運(yùn)動(dòng)共同作用產(chǎn)生一個(gè)鉆進(jìn)速度，S.J.Sawaryn等人[4]認(rèn)為鉆進(jìn)速度是鉆具沿井眼軌道運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(duì)抗井壁摩擦，使鉆具停止旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，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(diǎn)，干擾點(diǎn)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(jìn)入了干擾區(qū)，就會(huì)影響工具面角。

為了避免地面旋轉(zhuǎn)鉆具使其進(jìn)入干擾區(qū)，需根據(jù)每次現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)采集的鉆進(jìn)扭矩和鉆頭懸空扭矩，經(jīng)過精確計(jì)算控制鉆具左右旋轉(zhuǎn)。在理想工具面時(shí)，要達(dá)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(duì)鉆具深度的影響。圖2描述了旋轉(zhuǎn)扭矩隨時(shí)間變化的理論分析情況，圖3為文獻(xiàn)[3]闡述的鉆進(jìn)托壓時(shí)實(shí)測(cè)的左右旋轉(zhuǎn)扭矩與上扣、卸扣扭矩的分析結(jié)果。對(duì)于該項(xiàng)特殊的作業(yè)，左右旋轉(zhuǎn)扭矩遠(yuǎn)小于上扣和卸扣扭矩，因此不會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)卸扣的問題。

圖2 旋轉(zhuǎn)扭矩隨時(shí)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(jì)實(shí)測(cè)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(xiàn)[6]描述的方法和文獻(xiàn)[7]介紹的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，著手研發(fā)具有自主知識(shí)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(yàn)的定向工程師和定向司鉆的操作方法設(shè)計(jì)成計(jì)算機(jī)能自動(dòng)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(jì)。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(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的工具面定向和防托壓滑動(dòng)鉆進(jìn)。

3.2 人機(jī)顯示界面

圖5為設(shè)計(jì)的人機(jī)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(dòng)鉆進(jìn)的控制操作指示，以表盤式工具面顯示為中心，黑針、藍(lán)針、黃針分別代表鉆桿角偏移、MWD實(shí)測(cè)工具面和設(shè)計(jì)工具面角度，表盤中深紅色部分為設(shè)計(jì)工具面角度的允許扇區(qū)，藍(lán)色實(shí)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(dāng)前工具面角度的所在位置，并可通過可編程控制器進(jìn)行控制，準(zhǔn)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(cè)工具面的變化。系統(tǒng)可自動(dòng)執(zhí)行，也可人工操作執(zhí)行。

圖4 設(shè)計(jì)的定向滑動(dòng)鉆進(jìn)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(jì)的控制程序，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)接管頂驅(qū)控制，加速或減速頂驅(qū)主軸使其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(biāo)，低速勻速右旋頂驅(qū)至最大扭矩，采集鉆頭離底時(shí)的最大右旋扭矩(Toff-R)；停止鉆具旋轉(zhuǎn)，等待MWD實(shí)測(cè)工具面，確定鉆桿角偏移、實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)工具面角度，以實(shí)測(cè)工具面角度與設(shè)計(jì)工具面角度順時(shí)針之差的角度右旋頂驅(qū)，將工具面準(zhǔn)確設(shè)定在設(shè)計(jì)的工具面角度。

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

2) 控制鉆進(jìn)托壓。以Hw0，以保持最佳壓差和鉆壓滑動(dòng)鉆進(jìn)。

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(dòng)鉆進(jìn)控制程序，控制流程如圖6所示。圖6中，TFd為設(shè)計(jì)的工具面角，(°)；TFt為MWD實(shí)測(cè)工具面角，(°)；Rta為反扭矩角，(°)；W為允許扇區(qū)角度，(°)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

由于筆者設(shè)計(jì)的新定向鉆進(jìn)控制系統(tǒng)尚在研制當(dāng)中，因此以國(guó)外井例來說明該技術(shù)的應(yīng)用效果。

ROC石油公司在中國(guó)天津近海約5 km、平均水深5 m的鉆井平臺(tái)上進(jìn)行鉆井作業(yè)[1]。為了鉆進(jìn)油氣層，井眼軌道幾乎都是三維的，常需復(fù)雜定向，長(zhǎng)時(shí)間定向鉆進(jìn)是為了充分改變井眼方位；根據(jù)設(shè)計(jì)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(jìn)行定向鉆進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)井眼方位角變化大于60°時(shí)，只能用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)來完成，而螺桿鉆具鉆進(jìn)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(jìn)控制系統(tǒng)。

某鉆井平臺(tái)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(duì)比，詳情見表1。

圖6 防托壓滑動(dòng)鉆進(jìn)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(jìn)控制系統(tǒng)的井相比，使用了該系統(tǒng)的井平均機(jī)械鉆速提高了47.7%，可見新定向鉆進(jìn)控制系統(tǒng)可以顯著提高定向控制能力和滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速。而且，定向工程師和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員認(rèn)為，新定向鉆進(jìn)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(jìn)控制系統(tǒng)與未使用井的鉆井參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of drilling parameters before and after adopting the new directional control system

5 結(jié)束語(yǔ)

新定向滑動(dòng)鉆進(jìn)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(huì)增加新的井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)的操作界面簡(jiǎn)單，為定向工程師和司鉆提供了一個(gè)有效的輔助工具?；瑒?dòng)鉆進(jìn)時(shí)，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(dòng)鉆進(jìn)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(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速和鉆井效率，與滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓、工具面定向等傳統(tǒng)做法有關(guān)的非生產(chǎn)時(shí)間得到顯著縮短。在采用“螺桿鉆具+MWD系統(tǒng)”鉆進(jìn)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(chǎng)主要份額的形勢(shì)下，新定向控制系統(tǒng)是提高機(jī)械鉆速和鉆井效率的有效方法，其性價(jià)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(dāng)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(xiàn)
References

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