钻柱扭摆滑动钻井技术在四川油气田的应用

刘 伟, 杨晓峰, 张 华

(1中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2国家能源页岩气研发(实验)中心 3中国石油集团川庆钻探工程有限公司 4中国石油西南油气田公司蜀南气矿)

目前实现定向井、水平井按预期在地层中钻进主要有以下两种技术：一是旋转导向钻井技术，二是滑动钻井技术，该技术是当前国内主流定向井、水平井井眼轨迹控制手段。该方法的优点是成本较低，较常规钻井只增加井下动力钻具和随钻测量仪器；缺点是在滑动钻井过程中，钻头以上的钻柱不旋转，只能沿井眼轴向滑动，易出现“托压”现象，钻压不能有效传递至钻头，导致机械钻速慢，钻井效率低，或者钻压突然释放导致井下动力钻具制动，同时出现井下复杂的风险也大幅度增加。

为了提高滑动钻井速度和效率，近年来业界产生了两种技术。一种是井下振动降摩减阻技术，通过在距离钻头一定距离处加装一个或多个水力振荡器，在钻井过程中把部分水力能量转化为“微振动”能量，带动与之相邻的一定范围内的钻柱“振动”，从而消除部分钻柱与井筒的静摩擦力，起到一定的提高滑动钻井速度和效率的作用。该技术在四川油气田已经进行了试验，取得了一定效果，但也存在不足。一是水力振荡器可能失效，导致额外的起下钻，增加了钻井时间和费用；二是水力振荡器的工作能量来至于水力能量，带来钻井过程中地面泵压的增加，限制了其在高密度深井中的应用；三是该技术只能带动与井下振动装置相邻的一定范围内的钻柱“振动”，不能消除整个钻柱的静摩擦力，导致效果欠佳，甚至没有。

另外一种技术就是近年来发展起来的钻柱扭摆滑动钻井技术。通过控制顶驱带动钻柱在一定的扭矩或者转动角度内持续的正反旋转，改变钻柱与井壁间的静摩擦力为动摩擦力，进而降低滑动钻井摩阻。研究认为，一般静摩擦系数比动摩擦系数约大25%[1]。

国外对钻柱扭摆快速滑动钻井技术进行了大量的研究工作，率先开展了钻柱扭摆降低滑动钻井摩阻方面的研究，形成了以斯伦贝谢Slider系统为代表的产品，并进行了较大范围的应用[1-4]。当前国内对钻柱扭摆快速滑动钻井系统的研究还处于探索阶段，但是已取得了一定进展，易先中等对国外钻柱扭摆滑动钻井技术研究进展作了详细总结[5-6]；李智鹏等进行了定向控制系统的初步研发，但还未形成成熟产品[7]；武广瑷等提出了一种采用弯角马达实现工具面自动控制的钻井系统，并开展了初步研制用于室内试验[8]；徐文等研发了基于顶部驱动和井下动力钻具的滑动钻井导向控制技术(TDDS)，在SNO116-19H井得到了成功应用[9]。Slider等钻柱扭摆系统已在国外得到广泛应用且效果明显，但在国内的应用还较少，相关现场试验资料也未见报道。

一、钻柱扭摆控制系统优选

钻柱扭摆滑动钻井控制系统以Schlumberger公司的Slider系统和Canrig公司的ROCKIT系统最为代表。其中Slider系统为Schlumberger的专利技术，通过控制顶驱带动钻柱按设定的扭矩限制值顺时针、逆时针依次重复扭摆来提高滑动钻井效率和控制工具面。Slider已在国外进行了广泛应用，包括在美国非常规天然气中完成了超过800口水平井，在美国路易斯安那州外大陆架上、沙特阿拉伯 Khurais油田大位移水平井以及墨西哥海湾都有成功应用，且效果明显，同时该系统通用性较强，在国内已经开展了与北石顶驱的匹配和应用，具有良好的应用基础和经验，所以优选Schlumberger公司的Slider系统，来控制顶驱带动钻柱扭摆降摩减阻。

Slider系统主要由软件和硬件两部分组成见图1。

图1 Slider系统连接示意图

1.硬件部分

硬件部分包括地面控制系统、人机界面系统以及各种连接线缆，地面控制系统与顶驱司钻操作台连接，并通过司钻操作台向顶驱发送指令，实现顶驱带动钻柱顺时针、逆时针交替转动。现场应用时，仅需向司钻控制箱接入信号线和少量的程序修改。

2.软件部分

Slider软件包括人机交换软件和PLC控制软件等，分别预装在人机界面系统与地面控制系统之中，用于提供用户向控制系统输入扭矩等控制参数，包括左右摆动峰值扭矩、冲击扭矩、左右旋转峰值配比等。工作情况下，Slider系统直接控制地面钻柱在给定的扭矩范围内按设计好的速度和模式，顺时针、逆时针往复旋转钻柱，用户通过软件调整地面钻柱旋转扭矩范围，使得在钻柱所受的摩擦阻力减小的同时确保井下动力钻具工具面稳定。在摇摆过程中，为修正工具面的角度，司钻可以通过发起扭矩脉动来左右转动(左右摇晃)或冲撞工具面，通过右转左转的方式对工具面进行修正。

3.工作原理

钻柱扭摆滑动钻井时，井下钻柱轴向摩擦阻力分布状态有3个典型区间[10]，即地面扭摆作用区、中部静摩擦阻区和下部动力钻具反扭矩作用区。在滑动钻井过程中，地面扭摆作用区代表了井下钻柱受地面扭摆运动影响的范围，通过改变该区钻柱与井壁的相对运动形态，将静摩擦变为动摩擦，大幅降低滑动钻井过程的钻柱轴向摩擦阻力。Slider系统运行过程中，通过调整顶部钻柱的左右摆动扭矩峰值，尽可能的扩展地面扭摆作用区的长度，最大限度实现降低摩阻的功能。施加给钻柱的摆动扭矩峰值由操作人员根据工具面稳定情况设置，不通过计算获取。

二、现场应用及效果评价

四川油气田磨溪-高石梯区块大斜度井、水平井具有井深(5 000 m以上)、裸眼段长(2 000 m)、钻井液密度高(2.0 g/cm3以上)特点，造斜井段普遍存在滑动钻井“托压”现象，钻井效率低。针对以上工程特点，优选斯伦贝谢公司的Slider系统在高石区块进行了试验应用。

1.应用井基本情况

GS001-XX井是部署在高石梯区块的一口开发井，基础数据见表1。

表1 井眼轨迹数据表

2.应用情况

应用井段：4 832.88～5 035 m。

钻具组合：Ø215.9 mm PDC+Ø172 mm 1.5°弯螺杆+回压凡尔+Ø165.1 mm无磁钻铤+Ø172 mm无磁悬挂短节+Ø127 mm加重钻杆+Ø165.1 mm随钻震击器+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆。

井斜：16.7°～54°。

Slider正式运转前，先将钻头提离井底，旋转钻具测试空载扭矩，按不超过空载扭矩值的50%设置Slider初始左摆扭矩/右摆扭矩，并在Slider作业过程中随时调整，在工具面稳定的情况下，增大设置扭矩，扩展地面扭摆作用区的长度从而最大限度的降低滑动摩阻。GS001-XX井现场设置左摆扭矩/右摆扭矩分别为4 000 N·m和2 000 N·m，随着井深的增加，通过动态判断，调整地面扭矩峰值达到最佳的摆动降摩阻效果。

3.应用效果分析

使用Slider系统期间工具面稳定，工具面调整迅速，未出现静摩擦力瞬间释放导致钻压突然增大等情况，滑动钻井“托压”现象得到大幅改善，钻压一直维持在70～80 kN，应用井段平均机械钻速提高约18%，总体提速效果明显(图2)。

图2 滑动钻进工具面稳定

三、结论及建议

(1)Slider通过持续正反旋转钻柱，能够有效减轻由于钻柱静止导致的滑动钻井“托压”现象，进而提高钻井速度和滑动钻井效率，特别适合于长水平段水平井或大位移井。

(2)Slider扭矩的设置来自于工程师经验和反复尝试，可开展钻柱扭摆力学研究，开发配套软件，优化初始扭矩设置，进一步提高钻柱扭摆降摩减阻效果。

[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.

[5]易先中,李智鹏,周元华,等. 地面钻柱扭摆方法释放井下摩阻的研究进展[J]. 钻采工艺, 2014, 37(4): 73-76.

[6]易先中,吉源强,盛拥军,等. 自动滑动钻井控制系统的研究进展[J]. 钻采工艺, 2013, 41(9): 12-15.

[7]李智鹏,易先中,陶瑞东,等. 定向滑动钻进控制新方法研究[J]. 石油钻探技术, 2014, 42(4): 59-62.

[8]武广瑷, 何保生, 邓果. 工具面动态控制钻井系统的室内研究[J]. 石油机械, 2014, 42(9): 15-18.

[9]徐文, 刘新立, 马瑞, 等. 基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术[J]. 石油机械, 2013, 41(3): 27-30.

[10]韩烈祥. 基于静摩擦扭矩释放的快速滑动定向钻井技术[J]. 天然气工业, 2015, 35(11): 60-65.