顶驱软扭矩系统现状及发展趋势

2017-10-24蒋建华

中国设备工程 2017年19期

关键词：钻柱钻具钻井

蒋建华

（中国石油长城钻探顶驱技术分公司，北京 100101）

顶驱软扭矩系统现状及发展趋势

蒋建华

（中国石油长城钻探顶驱技术分公司，北京 100101）

随着国际石油钻井市场竞争日益加剧，对钻井装备的要求越来越高，顶驱（顶部驱动钻井装置）已成为海外石油钻井设备的标准配置。为了充分发挥顶驱在钻井作业中的优越性，顶驱软扭矩系统随之应运而生。近年来的海外石油钻井市场，对顶驱软扭矩系统的需求越来越多，在一些招标合同中，明确要求配备顶驱软扭矩系统。本文分析了顶驱软扭矩系统的应用现状，提出了未来的发展趋势。

石油钻井；驱动设备；控制系统；研究现状；发展趋势

顶驱在钻井作业中具有较强的钻井事故处理能力和提高钻井时效的优越性，因而成为国际钻井作业中的重要装备，国内不少钻机在进行钻井作业时也配置了顶驱。为了充分发挥顶驱的优越性，有效规避井底钻具粘滑现象的发生，从而减少井下复杂情况，顶驱软扭矩系统随之应运而生，而且得到越来越多的认可。

1 顶驱软扭矩系统的应用现状

1.1 顶驱软扭矩系统的发展

（1）粘滑现象。钻井过程中通常会发生钻具粘滑现象，即井底钻具介于完全粘着接触和滑动接触之间的一种运动形式。正常旋转钻井时，钻柱保持恒定转速，随着井底摩擦阻力的增大，井底钻具会“粘附”在井底，这种“粘附”会一直持续到钻具扭矩超过钻具的静态扭矩，此时钻具会突然松开并快速旋转，钻具此时的瞬时旋转速度高达钻具正常旋转速度的3～5倍，随后钻具转速又会逐渐降低,直到钻具再一次因扭矩过大而停滞。钻井过程中的这种现象,即为钻具的粘滑现象，表现为顶驱输出扭矩呈锯齿形波动和井底钻具转速急剧震动。钻具粘滑经常伴随井下震动，损伤钻头，缩短钻头寿命，也会引起井下仪器（MWD/LWD）失效，这不仅会增加钻井作业成本，而且会大大增加钻井作业风险。

（2）软扭矩系统的出现。为了解决钻具粘滑的问题，钻井作业现场采用了提高钻头转速，减小钻压、改善钻井液润滑性能等措施，但效果并不理想。为此，许多专家和工程技术人员做了大量的研究工作，建立了基于钻柱扭转的钻柱粘滑振动数学模型，得到钻柱粘滑振动的一般规律，并提出了钻柱软扭矩系统的控制方案。荷兰EP（Electroproject）公司和美国 NOV（National Oilwell Varco）公司就是基于这种方案，开始合作开发，后来又在此基础上独自研究发展出了各自的软扭矩系统。软扭矩系统是基于钻具粘滑现象作用机理而研发的，通过降低钻具的临界转速，可有效地规避钻具粘滑现象的发生。

1.2 顶驱软扭矩系统的工作原理

（1）顶驱软扭矩系统理论背景。顶驱是一套多功能电力驱动装置，与钻头通过钻柱相连接，钻柱在钻头和顶驱之间就像一根扭矩弹簧产生形变。在顶驱和钻柱之间模拟一个扭矩弹簧和阻尼器模型，通过适时调整顶驱转速对钻柱产生的弹性势能进行适当补偿调节，即可达到降低钻柱弹性势能的积蓄，从而抑制井底钻具粘滑现象的发生，获得相对平滑的扭矩曲线。顶驱软扭矩系统理论背景如图1所示。

（2）工作原理。目前顶驱软扭矩系统主要有两种控制方案，其硬件构成基本相同，只是在原顶驱系统外增加了一套顶驱主电机控制器的软扭矩控制系统，和顶驱系统的PLC并联控制顶驱主电机控制器，在不使用顶驱软扭矩系统的情况下，不会对顶驱原系统造成影响，如图2所示。

一种方案是通过井下钻具组合计算出一个刚度系数KF和阻尼系数CF的参数值，将这两个参数值输入顶驱软扭矩系统，由软扭矩系统和顶驱本身的PLC并联控制顶驱的电机控制器，当这两个参数值离预期值不太远时，软扭矩系统就能控制顶驱电机进行速度调节，输出合理的转速，抑制井底钻具粘滑现象的发生。EP公司和NOV公司的软扭矩系统均采用这种方案。

另一种方案是通过实时检测顶驱电机的扭矩和速度，提前预测井下钻具运转趋势，根据预测的趋势判断是否需要对系统进行补偿，利用一个速度补偿信号作为系统的反馈补偿，在反馈补偿的作用下使得顶驱扭矩得到改变，经过改善的扭矩使得井底钻具转速远离粘滑区域，从而规避井底钻具的粘滑现象发生。部分国内公司研究开发的顶驱软扭矩系统就采用这一方案。

图1 顶驱软扭矩理论背景

图2 顶驱系统和软扭矩系统组成示意图

1.3 顶驱软扭矩系统现状

（1）顶驱软扭矩系统产品。目前最为成熟的顶驱软扭矩系统主要有EP公司的EPST（Electro Project Soft Torque）系统和NOV公司的SOFT SPEED系统，在国内外钻井现场均在使用。近几年来，国内顶驱制造商也相继开发出了自己的顶驱软扭矩系统，如北京的北石顶驱、四川的宏华顶驱、辽宁的天意顶驱、山东的景宏顶驱等，但目前均处于试验试用阶段，并没有得到较多现场的应用检验。EP公司和NOV公司软扭矩系统现场使用效果曲线如图3所示。在软扭矩系统起动前，顶驱扭矩呈锯齿形周期波动，转速平稳；在软扭矩系统刚启动时，顶驱扭矩波动幅度开始逐渐减小，但转速会有较大波动；在软扭矩系统启动约20s后，系统进入正常工作状态，顶驱扭矩和转速均基本平稳，对井底钻具出现的粘滑现象具有良好的抑制效果。

（2）顶驱软扭矩系统的优点。第一，可有效降低粘滑卡钻的概率，使井下钻具组合在理想的转速和钻压下工作。第二，减轻钻进过程中的钻柱振荡程度，提升钻进速度和井眼质量，缩短钻井周期。第三，减轻钻头等的磨损，减少起下钻次数。第四，使钻进作业平稳，减小对顶驱的冲击和震动，延长顶驱使用寿命。第五，提高钻井作业的安全性，可显著降低钻井综合成本。第六，软扭矩系统易于安装，只需用2根数据线与顶驱电控房进行连接即可。

（3）使用中存在的问题。第一，系统互换性差，一套软扭矩系统安装到一台顶驱上使用后，就不能直接换到另一台顶驱上使用。第二，顶驱软扭矩系统只能用于交流顶驱和现代直流顶驱。第三，顶驱软扭矩系统对井深和钻具配置有一定的要求。第四，在使用过程中，要随着井深的变化对软扭矩系统参数进行相应的调整。第五，软扭矩系统计算出来的参数可能不够准确，需要作适当的调整。

图3 顶驱软扭矩系统开启前后曲线对比

（4）使用现状。①顶驱软扭矩系统目前在国内外钻井市场应用并不普遍，但有迅速普及的趋势。去年以来，国内外钻井招标活动中，多数都要求配备顶驱软扭矩系统。去年我公司在阿曼市场、阿尔及利亚市场和国内市场共配备了9套NOV公司和EP公司的软扭矩系统。②目前的顶驱软扭矩系统都需要对井下钻具组合的动态参数进行精确分析，由系统计算出参数，或者根据经验估算出可能的参数并由人工输入，再根据系统实际表现进行适当修正，以达到理想效果。同时，钻柱转速需要大于一个临界速度，软扭矩系统才能起作用。③EP公司和NOV公司从20世纪90年代初期就开始试验应用，目前已有了各自基本成熟的软扭矩系统。国内外钻井作业现场应用的大都是这两家公司的软扭矩系统。我国的顶驱软扭矩系统研究起步较晚，已有数家顶驱制造商开展这方面的工作，目前还都处于试用阶段。

2 顶驱软扭矩的发展趋势

2.1 将成为钻井设备的标准配置

顶驱软扭矩系统是依据钻具粘滑现象作用机理而研发，通过合理使用，可有效地规避井底钻具粘滑。国内外钻井作业现场证实，此系统能消除钻具粘滑现象，有效减少卡钻事故、保护顶驱和钻具、提高作业时效等。从我公司去年配备的9套软扭矩系统的实际使用效果来看，应用软扭矩系统可减少40%的粘滑现象发生，同时可提高机械钻速20%。其良好的应用效果已获得众多石油公司的认可。从石油钻井行业顶驱软扭矩系统使用现状和国际石油钻井设备的发展动态来看，顶驱软扭矩系统将会很快成为石油钻井设备的标准配置。