“璇玑”推靠式旋转导向工具导向力优化的研究和应用

2023-12-04席志旭孙师贤侯晓东田博辉

现代制造技术与装备 2023年10期

席志旭孙师贤侯晓东陈锟田博辉

（中海油田服务股份有限公司，三河 065201）

随着随钻测井技术和旋转导向钻井技术的不断发展，以这两项技术为核心的定向井作业越来越多地被应用于油气藏的勘探和开发。定向钻测井技术可以精准控制轨迹、准确命中靶点，并保持在产层中相对优质位置钻进，具有显著特点和优势。第一，优化轨迹路径，最大限度降低无效井段，从而缩短建井的时间和节省成本。第二，控制井眼轨迹在优质油气层中穿梭和连通多个不同层位产层，提高单井综合钻遇率和单井产量。第三，成熟应用于水平井、大斜度以及大位移钻井，相较于常规定向井和直井，可成倍增加产层段泄油面积，大幅提高油气产量。以层厚为10 m的216 mm 井眼为例，直井的泄油面积为6.78 m2，而100 m 水平井的泄油面积为67 m2，是直井的10 倍，是45°斜井的7 倍。第四，定向井可实现地层的实时监测和评价，获取更实时、真实的数据，对评估油气藏开发价值意义重大。第五，采用旋转导向钻出的井眼更规则光滑，有利于生产管柱的下入。第六，旋转导向钻具组合钻柱串摩阻小，可有效传递钻压和扭矩，有效延长在钻进井段。第七，该类钻具组合全旋转状态便于携砂，井眼更清洁，减小了卡砂风险，更加安全，在大位移水平井作业中具有明显的应用优势。

相关统计显示，旋转导向在定向井作业中的市场占比从10 年前的30%快速增长到目前的75%，且发展势头强劲。以随钻测井和旋转导向为主的定向井技术越来越受到客户的青睐，已经成为定向钻井必备的技术装备。

中海油田服务股份有限公司（以下简称中海油服）于“十一五”期间开始进行旋转导向技术研制。“十二五”期间，中海油服在国家“863”项目及中国海油集团公司的大力支持下，在“十一五”研究成果的基础上继续深入攻克核心关键技术，补足技术短板，完善675 型仪器的设计，开展了大量工程化研究工作，完成了675 型仪器的设计定型工作，同时开展了950 型旋转导向、随钻中子、随钻密度、随钻声波和随钻地层测压等仪器的研制工作，逐步形成自主的旋转导向和随钻测井技术体系[1-3]。“十三五”期间，中海油服“璇玑”旋转导向系统开始产业化，产品技术体系覆盖了主流技术的65%以上[4-5]。“十四五”期间，在国家和公司的支持下，“璇玑”旋转导向系统进一步发展完善，不仅实现了“千百万”里程碑（累计进尺超100 万m，累计作业1 000 井次），还进行了多项高精尖技术布局（指向式旋转导向、超深探测技术、救援井技术），到“十四五”结束时将实现产品技术体系覆盖95%的主流技术的目标。

“璇玑”系统旋转导向工具Welleader（以下简称Welleader）是“璇玑”旋转导向系统的一个科研分支，与贝克休斯公司AutoTrak 类似，是典型的推靠式旋转导向工具[6]。在钻进过程中，Welleader 翼肋始终向井壁施加推力，翼肋与井壁之间会一直存在由此产生的摩擦阻力和井壁因推力作用变形而产生的阻力，此外存在岩屑堵塞翼肋下环控面积而产生的泥浆上返托力。这些阻力共同作用，严重时会产生托压现象，影响钻压传递效率，加重钻柱受力载荷，不利于提升钻井速度和保证井下工具安全。

为了缓解Welleader 托压问题，“璇玑”系统科研工程师开展专项研究，通过优化导向力控制算法，调整翼肋输出推力组合，尝试从控制方式上进行优化，在实践中获得正向反馈。

1 理论

1.1 Welleader 工作原理

Welleader 是典型的推靠式旋转导向，通过翼肋推靠井壁产生钻头偏置实现导向钻进。如图1 所示，Welleader 以近钻头惯性测量模块数据为基础进行指令分解和合成以及导向控制。其中：F1、F2、F3为Welleader 导向短节液控单元3 个翼肋的推力，P1、P2、P3为Welleader 导向短节液控单元3 个液压腔的压力，T为复位弹簧拉力，f为活塞摩擦阻力。当Welleader 主控单元接收到指令后，将其分解成三缸压力，主控单元驱动液控单元中3 个独立的电机工作，将液压油泵入对应的液压腔室，从而推动活塞撑开翼肋，翼肋向井壁施加推靠力并在井壁处获得支撑，依靠反作用力实现偏移形成导向矢量，控制钻头指向预定方向。当三缸压力达到期望值后，3 个独立电机停止工作，完成导向力合成。

图1 Welleader 导向指令分解及合成示意图

在实钻作业中，随着钻柱的旋转，Welleader 慢旋转套筒不停低速旋转，导向近钻头惯性测量模块实时测量和更新翼肋位置，导向控制单元以压力闭环的控制方式根据慢旋转套筒位置实时分解导向指令，调整和控制电机工作，调整三缸腔室压力分布，从而执行导向指令。

Welleader 翼肋总成安装在慢旋转套筒上，转速远小于钻杆和顶驱转速，因此可为旋转导向提供相对稳定、可靠的导向力输出环境，提高导向执行效率，增强执行效果。

1.2 导向力控制算法及优化

主流指向式旋转导向力合成算法中，为了保证每个翼肋在各种导向力工况下分解所得的分量为正值，所加的偏移量均为100%导向力工况下的偏移量（下文简称正向偏移量）。正向偏移量的作用是保证3 个翼肋的分量均为正值，不会改变导向力的大小和幅值，因此正向分量的做功属于无用功，如图2所示。

图2 常规模式下不同导向力的无用功对比

50%导向力偏移量为

100%导向力偏移量为

式中：ɑ为合力方向相对于重力高边的角度（顺时针方向）。

常规模式下，50%导向力的无用功大，100%导向力的无用功相对较小。导向力优化算法在不影响合力的基础上，通过合理减少三缸压强尽可能减小系统的无用功，从而降低3 个翼肋和井壁之间的摩擦力，如表1 所示。

表1 50%导向力工况防托压模式与正常模式三缸压强对比

定义ftotal=f翼肋1+f翼肋2+f翼肋3，f翼肋1、f翼肋2和f翼肋3分别表示1 号、2 号和3 号翼肋与井壁之间的摩擦阻力，ftotal表示3 个翼肋和井壁之间的摩擦阻力之和，即系统阻力。ftotal是3 个翼肋作用在井壁上的推力总和，可以有效表征在特定工况下系统功率输出中3 个翼肋和井壁之间的摩擦力，如图3 所示。

图3 不同模式导向推力之和对比

随着导向力的降低，导向力优化模式下总表征摩擦力较正常指令模式下有大幅下降，可在保证导向效果的前提下大幅降低系统阻力。

2 应用效果

2021 年，中海油服油田技术研究院针对Welleader工具导向力优化算法开展实钻验证，分别在950 型、675 型和475 型3 种型号的Welleader 上进行优化算法测试，获得了准确和全面的测试数据，随后在东海、南海进行多次实钻应用。下面选取950 型Welleader在新疆某井实钻试验和在东海某井部分描述导向力优化算法的应用过程和效果。

2.1 导向力优化模式在新疆某试验井中的应用

设置3 个测试井段，依次使用常规指令和导向力优化模式指令进行钻进。为了保证试验数据的准确性、合理性和可参考性，测试遵循以下两个原则：一是使用相同或者相近的钻井参数钻进；二是常规模式指令设置和应用环境优于优化模式指令，即常规模式指令导向力小，钻进深度更浅，地层可钻性更强，钻进参数大，有利于获得较快的钻井速度。

在这两个测试原则下实施、记录数据并比较，获得试验数据如下。

（1）第1 个测试井段为1 065.20 ～1 338.20 m，其中1 065.20 ～1 203.85 m 采用常规模式钻进，1 203.85 ～1 338.20 m 采用优化模式。两种模式钻井参数基本一致，优化模式使用导向力大于常规指令。测试结果表明：优化模式造斜率处于正常水平范围，钻进效率提升46.77%，如表2 所示。

表2 第1 段对比测试统计数据

（2）第2 个测试井段为1 404.00 ～1 802.70 m，其中1 404.00 ～1 688.00 m 采用常规模式钻进，1 688.00 ～1 802.70 m 采用优化模式。两种模式钻井参数基本一致，优化模式使用导向力大于常规指令。测试结果表明：优化模式造斜率处于正常水平范围，钻进效率提升9.61%，如表3 所示。

表3 第2 段对比测试统计数据

（3）第3 个测试井段为1 802.70 ～1 888.00 m，其中1 802.70 ～1 859.50 m 采用常规模式钻进，1 859.50 ～1 888.00 m 采用优化模式钻进。两种模式钻井参数基本一致，导向力基本相同。测试结果表明：优化模式造斜率正常，钻进效率提升109.33%，如表4所示。

表4 第3 段对比测试统计数据

3 个测试井段汇总数据如表5 所示，常规模式共计钻进480.2 m，优化模式共计钻进276.9 m，钻进时间分别为16.4 h 和6.9 h，常规模式综合钻进速度小于优化模式，优化模式综合提速效率为36.83%。

表5 3 段对比测试统计数据

2.2 导向力优化算法在东海某井的应用

2022 年，950 型Welleader 在东海某井12.25"井段应用。钻进过程中，在3 486 ～3 657 m 井段中使用优化模式指令钻进，导向力为35%～50%，钻压为14 ～16 t，排量为4 164 L·min-1。此段钻进过程中无托压现象，平均机械钻速为15.37 m·h-1。此后起钻更换Welleader 和钻头继续钻进，钻头型号保持不变。更换的Welleader 为常规模式工具，未更新导向力优化控制算法。使用同样的指令和钻井参数，其平均机械钻速为7.63 m·h-1，较之前显著降低，导向力优化控制算法提速效果明显，详细数据如表6所示。