定向滑动钻进控制新方法研究
2014-09-04李智鹏易先中陶瑞东张建荣许京国
李智鹏, 易先中, 陶瑞东, 尤 军， 张建荣， 许京国
(1.中国石油渤海钻探工程有限公司第三钻井工程分公司，天津 300280；2.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023)
定向井和水平井钻井常采用“螺杆钻具+MWD系统”。滑动钻进时，钻头依靠螺杆钻具的旋转动力旋转钻进。在曲线段和水平段，由于部分钻具躺在井眼下侧，钻具与井壁的静摩擦力增大，给钻头施加钻压、工具面定向带来极大困难，频繁出现滑动托压，严重制约着定向钻井提速。为了解决该问题，国外数年前就开始研究滑动钻进的控制方法，根据扭矩控制原理，利用顶驱精确旋转定位的方法，开发出高效的控制系统，有效解决了快速工具面定向和滑动钻进托压的问题[1]。该控制系统已在近千口定向井和水平井钻井中进行了成功应用，机械钻速和钻井效率都得到显著提高[1-2]。截至目前，国内尚未开发出类似的控制系统，仍采用人工控制的方法进行定向钻进，机械钻速和钻井效率很低。为此，笔者在广泛调研和充分吸收国外相关技术的基础上，自主研究了定向滑动钻进控制新方法，并着手开发类似的控制系统。
1 滑动摩擦分析
文献[3]分析了物体滑动前后静摩擦力与动摩擦力随时间变化的规律。分析认为，摩擦力的大小等于摩擦系数乘以钻具与井壁及套管内壁累积的侧向接触力，在井斜角较大的情况下，司钻下放钻具施加钻压时井眼的静摩擦力会随之增大，当下放的重力分量不足以克服井眼的静摩擦力时会出现托压，一旦克服井眼的静摩擦，滑动摩擦会随之减弱。钻具开始向下滑动时的摩擦系数称为静摩擦系数，一般静摩擦系数比滑动开始后的动摩擦系数约大25%，如图1所示。
图1 物体滑动前后摩擦系数的变化Fig.1 The analysis of object friction change before and after sliding
2 扭矩控制原理
扭矩与反扭矩对井眼摩阻的影响十分重要。滑动钻进托压时，由顶驱驱动的钻具左右旋转和钻具向前运动共同作用产生一个钻进速度，S.J.Sawaryn等人[4]认为钻进速度是钻具沿井眼轨道运动的函数。左右旋转钻具可以降低井眼的轴向摩阻，在理想工具面时，钻具从地面旋转至井下钻具的某一位置，在该位置上钻具旋转摩擦产生的扭矩对抗井壁摩擦，使钻具停止旋转；同时，由钻头产生的反扭矩向上传送至钻具的某一位置，该位置就是克服井底钻具组合和下部钻具反扭矩的位置，该位置被称为干扰点，干扰点与钻头之间的区域称为干扰区。如果从地面旋转钻具使其进入了干扰区，就会影响工具面角。
为了避免地面旋转钻具使其进入干扰区，需根据每次现场作业采集的钻进扭矩和钻头悬空扭矩，经过精确计算控制钻具左右旋转。在理想工具面时，要达到不影响工具面就必须控制好扭矩和钻具旋转的深度。Eric Maidla等人[5]研究了控制旋转扭矩对钻具深度的影响。图2描述了旋转扭矩随时间变化的理论分析情况，图3为文献[3]阐述的钻进托压时实测的左右旋转扭矩与上扣、卸扣扭矩的分析结果。对于该项特殊的作业，左右旋转扭矩远小于上扣和卸扣扭矩，因此不会出现反转卸扣的问题。
图2 旋转扭矩随时间变化的理论分析结果Fig.2 Results of theoretical analysis of rotary torque vs time
图3 通过液压计实测的旋转扭矩和上扣、卸扣扭矩Fig.3 Rotary torque,makeup and breakout torque measured by a hydraulic gauge
3 新定向控制系统的开发
笔者通过深入研究文献[6]描述的方法和文献[7]介绍的现场应用效果，着手研发具有自主知识产权的定向控制系统。该控制系统配有显示器，顶驱可编程控制器内装有一套控制程序，定向司钻可以通过显示屏直接向顶驱输入指令和操作干预；控制干预包括控制顶驱转速、扭矩、角偏移和旋转方向等。控制程序是将最有经验的定向工程师和定向司钻的操作方法设计成计算机能自动执行的操作程序。
3.1 系统控制架构
控制系统由可编程控制器、一组传感器、显示器、钻具左右旋转控制器和控制软件组成，可编程控制器与顶驱共用。图4为系统的架构设计。图4中，所有组件协同工作，能够实现转速、扭矩、旋转方向和钻杆角偏移的精确控制，最终实现快速准确的工具面定向和防托压滑动钻进。
3.2 人机显示界面
图5为设计的人机显示界面。该界面为用户提供各种相关钻井参数和滑动钻进的控制操作指示，以表盘式工具面显示为中心，黑针、蓝针、黄针分别代表钻杆角偏移、MWD实测工具面和设计工具面角度，表盘中深红色部分为设计工具面角度的允许扇区，蓝色实心圆为重力工具面。显示界面可让定向工程师和司钻清晰地知道当前工具面角度的所在位置，并可通过可编程控制器进行控制，准确旋转顶驱主轴调整和控制工具面角度，跟踪监测工具面的变化。系统可自动执行，也可人工操作执行。
图4 设计的定向滑动钻进控制架构Fig.4 Control architecture designed for directional slide drilling
3.3 控制组件
控制组件执行用户设计的控制程序，系统运行时接管顶驱控制，加速或减速顶驱主轴使其转动到指定位置，紧急情况下系统可迅速停止或关闭，顶驱主轴减速至停止，主轴刹车自动刹死。
3.4 基本控制方法
1) 快速工具面定向。上提钻头至距井底5～8 m的位置，循环钻井液至钻进流速，采集大钩静重和循环泵压，以钻具中性扭矩为零坐标，低速匀速右旋顶驱至最大扭矩，采集钻头离底时的最大右旋扭矩(Toff-R)；停止钻具旋转，等待MWD实测工具面，确定钻杆角偏移、实测与设计工具面角度，以实测工具面角度与设计工具面角度顺时针之差的角度右旋顶驱，将工具面准确设定在设计的工具面角度。
图5 新定向控制系统的的人机显示界面Fig.5 Display interface designed for human-computer control device
2) 控制钻进托压。以Hw
3.5 控制流程
在系统显示界面的协助下执行防托压滑动钻进控制程序，控制流程如图6所示。图6中，TFd为设计的工具面角，(°)；TFt为MWD实测工具面角，(°)；Rta为反扭矩角，(°)；W为允许扇区角度，(°)。
4 现场应用
由于笔者设计的新定向钻进控制系统尚在研制当中，因此以国外井例来说明该技术的应用效果。
ROC石油公司在中国天津近海约5 km、平均水深5 m的钻井平台上进行钻井作业[1]。为了钻进油气层，井眼轨道几乎都是三维的，常需复杂定向，长时间定向钻进是为了充分改变井眼方位；根据设计的井眼轨道，通常采用螺杆钻具与旋转导向相结合的方式进行定向钻进。现场作业的经验表明，当井眼方位角变化大于60°时，只能用旋转导向系统来完成，而螺杆钻具钻进的效果很差，甚至无法完成全井定向；为了降低钻井成本，采用了新定向钻进控制系统。
某钻井平台在相同目的层钻了2口井：采用旋转导向系统钻成了A井，采用“螺杆钻具+新定向钻进控制系统”钻成了B井，A井和B井的方位角变化均超过69°，井斜角超过了55°，如图7所示。
由图7可知，在井斜角、位移和方位角变化适度的情况下，新定向钻进控制系统完全能取代旋转导向系统完成全井定向钻井作业。
将应用了新定向钻进控制系统的13口井的钻井参数，与未使用该系统的10口类似井对比，详情见表1。
图6 防托压滑动钻进控制流程Fig.6 Slide drilling control procedure for off WOB preventing
由表1可知，与未使用新定向钻进控制系统的井相比，使用了该系统的井平均机械钻速提高了47.7%，可见新定向钻进控制系统可以显著提高定向控制能力和滑动钻进机械钻速。而且，定向工程师和现场作业人员认为，新定向钻进控制系统是定向钻井作业最佳的辅助工具。
表1 使用了新定向钻进控制系统与未使用井的钻井参数对比Table 1 Comparison of drilling parameters before and after adopting the new directional control system
5 结束语
新定向滑动钻进控制系统是基于顶驱的地面控制系统，使用该系统无需添加任何新的井下工具，因此不会增加新的井下作业风险。该系统的操作界面简单，为定向工程师和司钻提供了一个有效的辅助工具。滑动钻进时，使用该系统可以改善钻压传递，提高工具面的控制能力，有效解决滑动钻进托压、工具面调整与控制等技术难题，由此显著提高滑动钻进机械钻速和钻井效率，与滑动钻进托压、工具面定向等传统做法有关的非生产时间得到显著缩短。在采用“螺杆钻具+MWD系统”钻进的三维复杂定向井和水平井中，新定向控制系统已被证明发挥了重要作用。在目前定向井、水平井和大位移井占据石油钻井市场主要份额的形势下，新定向控制系统是提高机械钻速和钻井效率的有效方法，其性价比优于旋转导向系统，该系统可用于任何“螺杆钻具+MWD系统”的定向钻井作业。当然，这一技术和方法还需深入研究、不断完善，以能规模化应用。
参考文献
References
[1] Colin Gillan,Scott Boone,Gregory Kostiuk,et al.Applying precision drill pipe rotation and oscillation to slide drilling problems[R].SPE 118656,2009.
[2] Eric Maidla,Marc Haci,Daniel Wright.Case history summary: horizontal drilling performance improvement due to torque rocking on 800 horizontal land wells drilled for unconventional gas resources[R].SPE 123161,2009.
[3] Eric Maidla,Marc Haci,Scott Jones,et al.Field proof of the new sliding technology for directional drilling[R].SPE 92558,2005.
[4] Sawaryn S J,Thorogood J L.A compendium of directional calculations based on the minimum curvature method[R].SPE 84246,2003.
[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.
[7] Roberto H Tello Kragjcek,Abdullab S Al-Dossary,Waleed G Kotb,et al.Successful application of new sliding technology for horizontal drilling in Saudi Arabia[J].Saudi Aramco Journal of Technology,2011(Fall):28-33.
