頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

蔣建華

（中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

蔣建華

（中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

隨著國(guó)際石油鉆井市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，對(duì)鉆井裝備的要求越來(lái)越高，頂驅(qū)（頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置）已成為海外石油鉆井設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置。為了充分發(fā)揮頂驅(qū)在鉆井作業(yè)中的優(yōu)越性，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)隨之應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)的海外石油鉆井市場(chǎng)，對(duì)頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的需求越來(lái)越多，在一些招標(biāo)合同中，明確要求配備頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)。本文分析了頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

石油鉆井；驅(qū)動(dòng)設(shè)備；控制系統(tǒng)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

頂驅(qū)在鉆井作業(yè)中具有較強(qiáng)的鉆井事故處理能力和提高鉆井時(shí)效的優(yōu)越性，因而成為國(guó)際鉆井作業(yè)中的重要裝備，國(guó)內(nèi)不少鉆機(jī)在進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)也配置了頂驅(qū)。為了充分發(fā)揮頂驅(qū)的優(yōu)越性，有效規(guī)避井底鉆具粘滑現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少井下復(fù)雜情況，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)隨之應(yīng)運(yùn)而生，而且得到越來(lái)越多的認(rèn)可。

1 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的發(fā)展

（1）粘滑現(xiàn)象。鉆井過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生鉆具粘滑現(xiàn)象，即井底鉆具介于完全粘著接觸和滑動(dòng)接觸之間的一種運(yùn)動(dòng)形式。正常旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，鉆柱保持恒定轉(zhuǎn)速，隨著井底摩擦阻力的增大，井底鉆具會(huì)“粘附”在井底，這種“粘附”會(huì)一直持續(xù)到鉆具扭矩超過(guò)鉆具的靜態(tài)扭矩，此時(shí)鉆具會(huì)突然松開(kāi)并快速旋轉(zhuǎn)，鉆具此時(shí)的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)鉆具正常旋轉(zhuǎn)速度的3～5倍，隨后鉆具轉(zhuǎn)速又會(huì)逐漸降低,直到鉆具再一次因扭矩過(guò)大而停滯。鉆井過(guò)程中的這種現(xiàn)象,即為鉆具的粘滑現(xiàn)象，表現(xiàn)為頂驅(qū)輸出扭矩呈鋸齒形波動(dòng)和井底鉆具轉(zhuǎn)速急劇震動(dòng)。鉆具粘滑經(jīng)常伴隨井下震動(dòng)，損傷鉆頭，縮短鉆頭壽命，也會(huì)引起井下儀器（MWD/LWD）失效，這不僅會(huì)增加鉆井作業(yè)成本，而且會(huì)大大增加鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）軟扭矩系統(tǒng)的出現(xiàn)。為了解決鉆具粘滑的問(wèn)題，鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用了提高鉆頭轉(zhuǎn)速，減小鉆壓、改善鉆井液潤(rùn)滑性能等措施，但效果并不理想。為此，許多專家和工程技術(shù)人員做了大量的研究工作，建立了基于鉆柱扭轉(zhuǎn)的鉆柱粘滑振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，得到鉆柱粘滑振動(dòng)的一般規(guī)律，并提出了鉆柱軟扭矩系統(tǒng)的控制方案。荷蘭EP（Electroproject）公司和美國(guó) NOV（National Oilwell Varco）公司就是基于這種方案，開(kāi)始合作開(kāi)發(fā)，后來(lái)又在此基礎(chǔ)上獨(dú)自研究發(fā)展出了各自的軟扭矩系統(tǒng)。軟扭矩系統(tǒng)是基于鉆具粘滑現(xiàn)象作用機(jī)理而研發(fā)的，通過(guò)降低鉆具的臨界轉(zhuǎn)速，可有效地規(guī)避鉆具粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的工作原理

（1）頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)理論背景。頂驅(qū)是一套多功能電力驅(qū)動(dòng)裝置，與鉆頭通過(guò)鉆柱相連接，鉆柱在鉆頭和頂驅(qū)之間就像一根扭矩彈簧產(chǎn)生形變。在頂驅(qū)和鉆柱之間模擬一個(gè)扭矩彈簧和阻尼器模型，通過(guò)適時(shí)調(diào)整頂驅(qū)轉(zhuǎn)速對(duì)鉆柱產(chǎn)生的彈性勢(shì)能進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)，即可達(dá)到降低鉆柱彈性勢(shì)能的積蓄，從而抑制井底鉆具粘滑現(xiàn)象的發(fā)生，獲得相對(duì)平滑的扭矩曲線。頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)理論背景如圖1所示。

（2）工作原理。目前頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)主要有兩種控制方案，其硬件構(gòu)成基本相同，只是在原頂驅(qū)系統(tǒng)外增加了一套頂驅(qū)主電機(jī)控制器的軟扭矩控制系統(tǒng)，和頂驅(qū)系統(tǒng)的PLC并聯(lián)控制頂驅(qū)主電機(jī)控制器，在不使用頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的情況下，不會(huì)對(duì)頂驅(qū)原系統(tǒng)造成影響，如圖2所示。

一種方案是通過(guò)井下鉆具組合計(jì)算出一個(gè)剛度系數(shù)KF和阻尼系數(shù)CF的參數(shù)值，將這兩個(gè)參數(shù)值輸入頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)，由軟扭矩系統(tǒng)和頂驅(qū)本身的PLC并聯(lián)控制頂驅(qū)的電機(jī)控制器，當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)值離預(yù)期值不太遠(yuǎn)時(shí)，軟扭矩系統(tǒng)就能控制頂驅(qū)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，輸出合理的轉(zhuǎn)速，抑制井底鉆具粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。EP公司和NOV公司的軟扭矩系統(tǒng)均采用這種方案。

另一種方案是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)頂驅(qū)電機(jī)的扭矩和速度，提前預(yù)測(cè)井下鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)趨勢(shì)，根據(jù)預(yù)測(cè)的趨勢(shì)判斷是否需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，利用一個(gè)速度補(bǔ)償信號(hào)作為系統(tǒng)的反饋補(bǔ)償，在反饋補(bǔ)償?shù)淖饔孟率沟庙旘?qū)扭矩得到改變，經(jīng)過(guò)改善的扭矩使得井底鉆具轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離粘滑區(qū)域，從而規(guī)避井底鉆具的粘滑現(xiàn)象發(fā)生。部分國(guó)內(nèi)公司研究開(kāi)發(fā)的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)就采用這一方案。

圖1 頂驅(qū)軟扭矩理論背景

圖2 頂驅(qū)系統(tǒng)和軟扭矩系統(tǒng)組成示意圖

1.3 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)現(xiàn)狀

（1）頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)產(chǎn)品。目前最為成熟的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)主要有EP公司的EPST（Electro Project Soft Torque）系統(tǒng)和NOV公司的SOFT SPEED系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外鉆井現(xiàn)場(chǎng)均在使用。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)頂驅(qū)制造商也相繼開(kāi)發(fā)出了自己的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)，如北京的北石頂驅(qū)、四川的宏華頂驅(qū)、遼寧的天意頂驅(qū)、山東的景宏頂驅(qū)等，但目前均處于試驗(yàn)試用階段，并沒(méi)有得到較多現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用檢驗(yàn)。EP公司和NOV公司軟扭矩系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用效果曲線如圖3所示。在軟扭矩系統(tǒng)起動(dòng)前，頂驅(qū)扭矩呈鋸齒形周期波動(dòng)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)；在軟扭矩系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，頂驅(qū)扭矩波動(dòng)幅度開(kāi)始逐漸減小，但轉(zhuǎn)速會(huì)有較大波動(dòng)；在軟扭矩系統(tǒng)啟動(dòng)約20s后，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，頂驅(qū)扭矩和轉(zhuǎn)速均基本平穩(wěn)，對(duì)井底鉆具出現(xiàn)的粘滑現(xiàn)象具有良好的抑制效果。

（2）頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。第一，可有效降低粘滑卡鉆的概率，使井下鉆具組合在理想的轉(zhuǎn)速和鉆壓下工作。第二，減輕鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆柱振蕩程度，提升鉆進(jìn)速度和井眼質(zhì)量，縮短鉆井周期。第三，減輕鉆頭等的磨損，減少起下鉆次數(shù)。第四，使鉆進(jìn)作業(yè)平穩(wěn)，減小對(duì)頂驅(qū)的沖擊和震動(dòng)，延長(zhǎng)頂驅(qū)使用壽命。第五，提高鉆井作業(yè)的安全性，可顯著降低鉆井綜合成本。第六，軟扭矩系統(tǒng)易于安裝，只需用2根數(shù)據(jù)線與頂驅(qū)電控房進(jìn)行連接即可。

（3）使用中存在的問(wèn)題。第一，系統(tǒng)互換性差，一套軟扭矩系統(tǒng)安裝到一臺(tái)頂驅(qū)上使用后，就不能直接換到另一臺(tái)頂驅(qū)上使用。第二，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)只能用于交流頂驅(qū)和現(xiàn)代直流頂驅(qū)。第三，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)對(duì)井深和鉆具配置有一定的要求。第四，在使用過(guò)程中，要隨著井深的變化對(duì)軟扭矩系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。第五，軟扭矩系統(tǒng)計(jì)算出來(lái)的參數(shù)可能不夠準(zhǔn)確，需要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

圖3 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)開(kāi)啟前后曲線對(duì)比

（4）使用現(xiàn)狀。①頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)外鉆井市場(chǎng)應(yīng)用并不普遍，但有迅速普及的趨勢(shì)。去年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外鉆井招標(biāo)活動(dòng)中，多數(shù)都要求配備頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)。去年我公司在阿曼市場(chǎng)、阿爾及利亞市場(chǎng)和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)共配備了9套NOV公司和EP公司的軟扭矩系統(tǒng)。②目前的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)都需要對(duì)井下鉆具組合的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行精確分析，由系統(tǒng)計(jì)算出參數(shù)，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算出可能的參數(shù)并由人工輸入，再根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行適當(dāng)修正，以達(dá)到理想效果。同時(shí)，鉆柱轉(zhuǎn)速需要大于一個(gè)臨界速度，軟扭矩系統(tǒng)才能起作用。③EP公司和NOV公司從20世紀(jì)90年代初期就開(kāi)始試驗(yàn)應(yīng)用，目前已有了各自基本成熟的軟扭矩系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的大都是這兩家公司的軟扭矩系統(tǒng)。我國(guó)的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)研究起步較晚，已有數(shù)家頂驅(qū)制造商開(kāi)展這方面的工作，目前還都處于試用階段。

2 頂驅(qū)軟扭矩的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 將成為鉆井設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置

頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)是依據(jù)鉆具粘滑現(xiàn)象作用機(jī)理而研發(fā)，通過(guò)合理使用，可有效地規(guī)避井底鉆具粘滑。國(guó)內(nèi)外鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)證實(shí)，此系統(tǒng)能消除鉆具粘滑現(xiàn)象，有效減少卡鉆事故、保護(hù)頂驅(qū)和鉆具、提高作業(yè)時(shí)效等。從我公司去年配備的9套軟扭矩系統(tǒng)的實(shí)際使用效果來(lái)看，應(yīng)用軟扭矩系統(tǒng)可減少40%的粘滑現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)可提高機(jī)械鉆速20%。其良好的應(yīng)用效果已獲得眾多石油公司的認(rèn)可。從石油鉆井行業(yè)頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)使用現(xiàn)狀和國(guó)際石油鉆井設(shè)備的發(fā)展動(dòng)態(tài)來(lái)看，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)將會(huì)很快成為石油鉆井設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置。

2.2 向自動(dòng)化和智能化發(fā)展

目前的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)在使用過(guò)程中，需要根據(jù)井深和井底鉆具組合的變化情況不斷調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以達(dá)到理想的控制鉆具粘滑現(xiàn)象發(fā)生的目的。各軟扭矩系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商都重視這方面的研發(fā)工作，不斷進(jìn)行升級(jí)改造，提高其產(chǎn)品的使用效果和不同鉆井現(xiàn)場(chǎng)的通用性，以期實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化和智能化。

2.3 將會(huì)更加先進(jìn)并與頂驅(qū)集成一體

隨著石油鉆井設(shè)備自動(dòng)化水平的發(fā)展，以及井下工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備及技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)井底鉆具轉(zhuǎn)速和扭矩的動(dòng)態(tài)變化，以及粘滑現(xiàn)象會(huì)有更加全面的理解和認(rèn)識(shí)，從而研究設(shè)計(jì)出更加先進(jìn)和效果更好的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)。為了提高頂驅(qū)性能，軟扭矩系統(tǒng)必將集成到頂驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)，成為頂驅(qū)系統(tǒng)不可分割的部分。

[1]王建平,王定峰,王雄飛,張宏亮．鉆具粘滑現(xiàn)象分析及軟扭矩系統(tǒng)在長(zhǎng)北氣田的應(yīng)用[J]．石油化工應(yīng)用，2012,12:51～55．

[2]EPST Electroproject Soft Torque, Electroproject Aandrijftechniek Computerweg RH 211033,Amsterdam, The Netherlands,2012．

[3]SoftSpeed2-OPM-001，National Oilwell VARCO Norway AS P．O．Box 81814069 Stavanger Norway．REV 1．10．2014．

[4]北石頂驅(qū)新技術(shù)介紹．中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院北京石油機(jī)械廠，2015．10．

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