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幾十年來，泥漿馬達(dá)在定向鉆井中扮演著重要角色。不過，水平段鉆進(jìn)時(shí)效率則很低。一種安裝在地面的扭矩控制系統(tǒng)正幫助司鉆鉆的更快、更深、更遠(yuǎn)。定向井是油氣生產(chǎn)的福祉，特別是在非傳統(tǒng)資源開發(fā)領(lǐng)域，該領(lǐng)域所鉆的井主要為水平井，以最大的井眼暴露穿過儲(chǔ)層。為了讓井眼穿過儲(chǔ)層，通常泥漿馬達(dá)與隨鉆測(cè)量 MWD 配合使用，從開始造斜，一直到完鉆，全程工作在井下，完成造斜、穩(wěn)斜、糾斜或降斜等定向作業(yè)，保持井眼軌跡控制，直到準(zhǔn)確穿越目標(biāo)儲(chǔ)層。

 

定向鉆井過程中，MWD 工具實(shí)時(shí)測(cè)量井斜和方位，為司鉆提供任何偏離設(shè)計(jì)軌跡的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。為了修正井眼軌跡出現(xiàn)的偏差，司鉆從全鉆具旋轉(zhuǎn)模式切換到滑動(dòng)鉆進(jìn)模式。在滑動(dòng)模式下，鉆具不旋轉(zhuǎn)，鉆頭由泥漿馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，鉆進(jìn)的方向?yàn)殂@頭的指向，通過控制工具面（馬達(dá)殼體的一個(gè)彎角）的朝向?qū)崿F(xiàn)定向鉆進(jìn)。為了鉆達(dá)目的層，司鉆需在旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)兩種模式下來回切換，以確保設(shè)計(jì)的井眼軌跡。圖 1 展示了水平井鉆井的軌跡。當(dāng)井垂直鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)的造斜點(diǎn)時(shí)，泥漿馬達(dá)用來進(jìn)行造斜，屆時(shí)需采用滑動(dòng)模式造斜鉆進(jìn)，按設(shè)計(jì)角度完成造斜后，再以旋轉(zhuǎn)模式鉆進(jìn)一個(gè)穩(wěn)斜段，在保持井斜和方位鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆進(jìn)方向偏離設(shè)計(jì)方位時(shí)，司鉆借助滑動(dòng)模式修正軌跡偏差。在一些油田，儲(chǔ)層上方的標(biāo)志層可以通過隨鉆測(cè)井 LWD 探測(cè)到，讓司鉆再進(jìn)行二次造斜，然后水平著陸于儲(chǔ)層界內(nèi)。

 

關(guān)于兩種模式，滑動(dòng)鉆進(jìn)效率低，水平抵達(dá)設(shè)計(jì)井深通常會(huì)耗費(fèi)大量鉆時(shí)，采用常規(guī)滑動(dòng)方法得到的機(jī)械鉆速一般是旋轉(zhuǎn)模式的 10%至 25%。相反，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)能讓司鉆獲得較高的機(jī)械鉆速。自動(dòng)控制系統(tǒng)能幫助司鉆顯著提高水平段鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速。美國科羅拉多州的現(xiàn)場應(yīng)用描述了一種扭矩?fù)u擺系統(tǒng)是如何幫助石油公司開發(fā)非傳統(tǒng)資源以獲取最大油氣產(chǎn)量的。

滑動(dòng)鉆進(jìn)的挑戰(zhàn)
 

為了開始一次滑動(dòng)鉆進(jìn)，司鉆需停止鉆進(jìn)，上提下放，釋放鉆具積 累 的 扭 矩， 然 后 根 據(jù) MWD 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將馬達(dá)工具面調(diào)整到設(shè)計(jì)方位，定向司鉆確定方位正確后，開始控制鉆壓滑動(dòng)鉆進(jìn)。隨著水平段的延伸，鉆具滑動(dòng)遭遇的井眼摩阻會(huì)越來越大，摩阻傳送鉆壓并保持方位?；瑒?dòng)鉆進(jìn)帶來的極大挑戰(zhàn)直接結(jié)果是鉆進(jìn)托壓、工具面難以控制，一味下放會(huì)使鉆壓突然釋放，導(dǎo)致鉆頭撞擊井底、憋泵、馬達(dá)失速或損壞等一系列問題，最終導(dǎo)致機(jī)械鉆速和鉆井效率極低，也使保持軌跡鉆達(dá)目的層變得非常困難，這些問題常常造成鉆時(shí)和成本增加，還可能導(dǎo)致水平段無法延伸鉆進(jìn)。 滑動(dòng)鉆進(jìn)控制原理已開發(fā)的 Slider 系統(tǒng)幫助作業(yè)者提高定向滑動(dòng)鉆進(jìn)的性能和效率。Slider 是一個(gè)基于頂驅(qū)的控制系統(tǒng)，借助頂驅(qū)的優(yōu)勢(shì)，通過控制扭矩，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)發(fā)起順時(shí)針、逆時(shí)針鉆具旋轉(zhuǎn)，可大幅降低鉆具的軸向摩阻，被稱為扭矩?fù)u擺技術(shù)。發(fā)自頂驅(qū)的扭矩自地面向下旋轉(zhuǎn)鉆具至一個(gè)最大搖擺深度，在此深度，鉆具與井壁間的摩擦力阻止鉆具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)；與此同時(shí)，鉆頭滑動(dòng)鉆進(jìn)產(chǎn)生的反扭矩向鉆具上方擴(kuò)散一個(gè)短距離，直到克服井底鉆具至某一點(diǎn)之間的摩擦力為止，這個(gè)深度點(diǎn)被稱為干擾點(diǎn)。圖 2 展示了地面施加的旋轉(zhuǎn)扭矩與鉆頭反扭矩對(duì)摩擦力的影響。通過搖擺旋轉(zhuǎn)至井下某一深度來降低鉆具的軸向摩阻，前提是不改變馬達(dá)工具面的角度；同樣，來自鉆頭鉆進(jìn)的反扭矩使井底部分鉆具產(chǎn)生振動(dòng)，也會(huì)降低這部分鉆具的軸向摩阻?；瑒?dòng)鉆進(jìn)通過連續(xù)監(jiān)測(cè)扭矩、鉆壓和機(jī)械鉆速，Slider系統(tǒng)可以充分降低井眼摩阻。有效傳送鉆壓，提高機(jī)械鉆速。

軟硬件系統(tǒng)
 

Slider 的硬件由一個(gè)緊湊的套裝組件構(gòu)成，包括一組與鉆機(jī)頂驅(qū)控制系統(tǒng)互動(dòng)所需的電路和傳感器，組件安裝在司鉆控制臺(tái)處，內(nèi)部集成了一套程控軟件，包括防震筆記本 電 腦 和 能 讓 司 鉆 向 Slider 下 達(dá)指令、監(jiān)測(cè)地面和井下參數(shù)的軟硬件控制系統(tǒng)，顯示包括 MWD 工具面、扭矩和立管壓力等多個(gè)數(shù)據(jù)。Slider 系統(tǒng)處理這些數(shù)據(jù)，判斷是否應(yīng)對(duì)鉆具施加額外扭矩，以保持工具面角度和機(jī)械鉆速。圖 3 展示了 slider 系統(tǒng)的顯示界面。開 始 滑 動(dòng) 鉆 進(jìn)， 司 鉆 啟 動(dòng)Slider，發(fā)起自動(dòng)搖擺動(dòng)作，交替施加右旋和左旋扭矩，通過改變地面的旋轉(zhuǎn)扭矩來控制鉆壓傳送，補(bǔ)償反扭矩的變化，搖擺循環(huán)期間通過增加扭矩波動(dòng)實(shí)現(xiàn)工具面角度的修正。對(duì)于每個(gè)左或右的扭矩循環(huán)周，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相應(yīng)的壓差尖峰，表示鉆壓正在傳送給鉆頭。為了調(diào)整工具面方位，搖擺循環(huán)期間，司鉆可以控制扭矩波動(dòng)的幅度和頻率來控制馬達(dá)工具面。

現(xiàn)場應(yīng)用
 

Slider 系統(tǒng)在美國非傳統(tǒng)資源開發(fā)領(lǐng)域已成工具化產(chǎn)品。一家最早開發(fā) Wattenberg 油田的石油公司采用 Slider 系統(tǒng)在白堊紀(jì)氣田打了多口水平井。

 

其中的一口井是 2016 年 2 月開鉆，垂直鉆至造斜點(diǎn)，然后朝著向西方向的 Niobrara 儲(chǔ)層著陸點(diǎn)鉆進(jìn)，從 XX25ft 開始，定向司鉆手動(dòng)控制滑動(dòng)鉆進(jìn)，期間的平均機(jī)械鉆 速 為 38ft/h（11.6m/h）。 當(dāng) 啟用 Slider 系統(tǒng)后，司鉆報(bào)出的平均機(jī) 械 鉆 速 為 51ft/h（15.5m/h），與手動(dòng)控制滑動(dòng)相比機(jī)械鉆速提高了 34%；這口井鉆進(jìn)過程中 Slider系統(tǒng)啟用了幾次，每次井眼軌跡開始漂移超出規(guī)定容限時(shí)，定向司鉆從旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)切換到滑動(dòng)鉆進(jìn)，開始井眼糾斜。規(guī)律性地交替運(yùn)用手動(dòng)控制滑動(dòng)和 Slider 系統(tǒng)自動(dòng)控制滑動(dòng)，比較結(jié)果顯示，自動(dòng)滑動(dòng)控制明顯優(yōu)于手動(dòng)控制，機(jī)械鉆速得到顯 著 提 高。 從 XX25ft~XX35ft，圖 2 地面施加的旋轉(zhuǎn)扭矩與鉆頭反扭矩對(duì)摩擦力的影響圖 3 Slider 系統(tǒng)顯示器定向司鉆手動(dòng)控制滑動(dòng)鉆進(jìn)，16 分鐘后，這個(gè)井段平均機(jī)械鉆速 38fth；司鉆啟用 Slider 自動(dòng)控制系統(tǒng),從 XX35ft~XX47ft，鉆進(jìn) 14 分鐘，平均機(jī)械鉆速 51ft/h，機(jī)械鉆速提高 34%。

 

通 過 感 知 需 要 傳 送 鉆 壓 的 地面扭矩的大小以及消除需要上提鉆具調(diào)整工具面這種笨拙的工序，Slider 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)能夠顯著提高機(jī)械鉆速，使定向水平鉆進(jìn)更快、更深和更遠(yuǎn)。順時(shí)針逆時(shí)針搖擺旋轉(zhuǎn)鉆具能幫助司鉆克服井眼摩擦力，從而降低鉆具摩阻，隨著摩阻的降低，作業(yè)者可以減少潤滑劑 的 使 用。Slider 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng)一般通過施加較小的鉆壓來保持工具面控制，與手動(dòng)控制滑動(dòng)相比能明顯減少馬達(dá)失速，通過獲取一致的工具面控制，這種自動(dòng)扭矩?fù)u擺系統(tǒng)能鉆更長的水平段，鉆出的井眼軌跡扭曲少，最終實(shí)現(xiàn)油氣增產(chǎn)。