PIPE ROCK鉆柱扭擺系統(tǒng)應(yīng)用評價

韓烈祥 張繼川 劉 偉

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心

0 引言

滑動鉆井是經(jīng)典定向井、水平井軌跡控制的主要方式[1-7]。常規(guī)滑動定向鉆井過程中，由于鉆具不旋轉(zhuǎn)，靜摩擦力隨著水平段延長在鉆柱上積累出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象，鉆壓不能有效傳遞乃至鉆柱發(fā)生屈曲，導(dǎo)致鉆井速度慢、純鉆時效低、井下管柱、工具過早損壞等一系列問題，甚至誘發(fā)卡鉆等復(fù)雜事故，鉆井作業(yè)風(fēng)險大[8]，嚴重制約了水平段長度增加與定向鉆井速度提高。

鉆柱扭擺系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種應(yīng)用于常規(guī)滑動定向鉆井的輔助工具，通過頂驅(qū)對鉆柱施加正反向的扭轉(zhuǎn)，帶動鉆柱進行周期性的交互旋轉(zhuǎn)，釋放鉆柱摩阻和扭矩[1]，緩解因鉆柱不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的“托壓”現(xiàn)象，從而提高定向效率。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)存在一些鉆柱扭擺系統(tǒng)，其中具有代表性的包括斯倫貝謝公司的Slider系統(tǒng)和北京石油機械廠的TDRD系統(tǒng)等。斯倫貝謝公司于2004年最早實現(xiàn)了鉆柱扭擺系統(tǒng)的商業(yè)化，其Slider系統(tǒng)在中東地區(qū)及美國頁巖氣累計已應(yīng)用了超過800口水平井[9-10]，取得了良好的應(yīng)用成效，應(yīng)用結(jié)果顯示，使用該系統(tǒng)定向鉆進能鉆出更長的水平段，減輕鉆柱彎曲或屈曲[11-12]。國內(nèi)鉆柱扭擺系統(tǒng)起步較晚，大部分仍處于研究階段，2008年北京石油機械廠開發(fā)出了能應(yīng)用于其頂驅(qū)的鉆柱扭擺系統(tǒng)TDRD，但是公開刊物中未見現(xiàn)場試驗及推廣情況報道，也未見其在水平井應(yīng)用。

為研究鉆柱扭擺定向鉆井的技術(shù)可行性，中國石油集團川慶鉆探工程有限公司（以下簡稱川慶鉆探）于2016年租用Slider系統(tǒng)在四川油氣田磨溪—高石梯區(qū)塊大斜度井進行了一次現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明“應(yīng)用井段平均機械鉆速提高約18%”[13]，取得了較好的應(yīng)用效果。在深入分析其提速機理的基礎(chǔ)上，川慶鉆探研制出可在北石、天意等國內(nèi)主流頂驅(qū)上通用的PIPE ROCK鉆柱扭擺系統(tǒng)（以下簡稱PIPE ROCK系統(tǒng)），并于2017年在川渝地區(qū)各個區(qū)塊開展了密集的現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用范圍涵蓋昭通頁巖氣、威遠頁巖氣、磨溪—高石梯、龍崗等區(qū)塊，目前已現(xiàn)場應(yīng)用20口井，達到了預(yù)期效果。

1 PIPE ROCK系統(tǒng)原理及構(gòu)成

1.1 原理

PIPE ROCK系統(tǒng)是一種利用常規(guī)彎螺桿或彎接頭直螺桿下部鉆具組合的高效定向鉆井系統(tǒng)，其原理是通過頂驅(qū)對鉆柱施加正反向擺動的扭矩，帶動上部鉆柱進行周期性的交互旋轉(zhuǎn)，將滑動鉆井時鉆柱與井壁的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴谛D(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進的動摩擦力，釋放鉆柱摩阻和扭矩，從而解決常規(guī)定向時因為鉆柱不旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的摩阻大、“托壓”、工具面調(diào)整困難、軌跡控制精度低等多種問題[1,13-15]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成及安裝

1.2.1 硬件部分

PIPE ROCK系統(tǒng)硬件部分（圖1）包括頂驅(qū)控制器、觸摸操作屏以及各種連接電纜，頂驅(qū)控制器與頂驅(qū)司鉆控制器連接，并通過司鉆控制器向頂驅(qū)發(fā)送指令，實現(xiàn)頂驅(qū)帶動鉆柱進行周期性的交互旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)場安裝時，需向頂驅(qū)司鉆控制器接入少量信號線，全部硬件安裝用時約4.0 h。

圖1 PIPE ROCK系統(tǒng)硬件示意圖

1.2.2 軟件部分

系統(tǒng)軟件包括操作軟件及PLC控制軟件，分別安裝在觸摸操作屏與頂驅(qū)控制器內(nèi)，用于向頂驅(qū)司鉆控制器輸入設(shè)定參數(shù)及實現(xiàn)控制功能。

1.2.3 安裝

現(xiàn)場安裝便捷，僅需用線纜將頂驅(qū)控制器與頂驅(qū)司鉆控制器控制模塊的相應(yīng)點位連接，接通電源即可使用，現(xiàn)場系統(tǒng)安裝時間1.5 h，調(diào)試時間0.5 h，停用頂驅(qū)不超過3.0 h。

2 操作流程及方法

2.1 操作流程

現(xiàn)場使用流程為：安裝系統(tǒng)—系統(tǒng)測試和調(diào)試—采集鉆井參數(shù)—設(shè)置工作參數(shù)—監(jiān)控系統(tǒng)運行情況、監(jiān)測鉆井參數(shù)—優(yōu)化工作參數(shù)。

在實際應(yīng)用過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況優(yōu)化正反向轉(zhuǎn)動扭矩限值，若鉆具摩阻消減不夠理想，則調(diào)整扭轉(zhuǎn)設(shè)置扭矩，在沒有使用經(jīng)驗的井區(qū)，原則上正反向扭矩限值不超過復(fù)合鉆進扭矩的70%；若鉆柱扭擺影響到工具面穩(wěn)定，則降低扭轉(zhuǎn)設(shè)置，鉆柱扭擺系統(tǒng)工作期間，監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況、定向工具面、立壓等。

2.2 PIPE ROCK系統(tǒng)使用方法——動態(tài)定向方法

依照傳統(tǒng)鉆柱扭擺鉆井理論，扭擺系統(tǒng)的扭矩設(shè)置需要遵循以下準則，在扭擺系統(tǒng)作用下，井下鉆柱軸向摩擦阻力表現(xiàn)為3個典型的受力區(qū)間：扭擺作用區(qū)、靜摩擦區(qū)、反扭矩區(qū)[1]。扭擺作用區(qū)為井口鉆柱扭擺在鉆柱上作用的范圍，該區(qū)域鉆柱所受扭矩和靜摩擦力得到相當程度的釋放；反扭矩區(qū)為PDC鉆頭施加給鉆具的反扭矩在鉆柱上的作用范圍；靜摩擦區(qū)為扭擺作用區(qū)與反扭矩作用區(qū)中未波及的過渡帶，該區(qū)域鉆柱扭矩和靜摩擦力未被釋放，從而保持工具面穩(wěn)定。

依據(jù)上述傳統(tǒng)鉆柱扭擺鉆井理論，扭擺系統(tǒng)存在兩個弊端，鉆柱上扭擺作用區(qū)長度不夠，不能徹底解決對于靜摩擦區(qū)內(nèi)的托壓現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆柱所受扭矩和靜摩擦力釋放不充分，影響扭擺鉆井效果。

筆者提出的動態(tài)定向方法則通過增大鉆柱扭擺扭矩，在井下鉆柱上只保留扭擺作用區(qū)和反扭矩區(qū)，扭擺作用直接傳遞到反扭矩區(qū)，通過周期性的調(diào)整設(shè)置扭擺運動扭矩，控制工具面在目標控制范圍區(qū)間內(nèi)來回漂移，在保證定向效果的同時，有效地降低了扭擺鉆井的使用門檻，提高了扭擺鉆井防托壓效果。

3 PIPE ROCK系統(tǒng)在川渝水平井現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

綜合分析各井PIPE ROCK系統(tǒng)使用情況，主要有3個方面的效果：①緩解托壓現(xiàn)象；②提高定向純鉆時效；③提高定向精準度。

3.1 緩解托壓現(xiàn)象

在L204井現(xiàn)場試驗時，前期未使用PIPE ROCK系統(tǒng)（圖2-a），大鉤上提高度記錄顯示了常規(guī)滑動定向中，發(fā)生工具面不穩(wěn)或發(fā)生托壓等情況時，需要反復(fù)上提鉆具防止卡鉆等事故發(fā)生，再次鉆進時則需重建工具面，在5.5 h時間段的定向鉆進就上提鉆具5次重新調(diào)整工具面，嚴重降低了定向純鉆效率，影響了定向作業(yè)軌跡調(diào)整效果；在使用該鉆具后（圖2-b），扭擺定向鉆進消除了托壓現(xiàn)象，除最初上提鉆具建立工具面之外，后續(xù)工作的4.0 h無需上提鉆具。

圖2 L204井使用PIPE ROCK系統(tǒng)前、后大鉤高度記錄圖

3.2 提高定向純鉆時效

Long016-H1井井深5 720 m、垂深5 051.05 m、水平段長770 m，由于長裸眼、長水平段鉆進及嚴重井漏問題，造成井下摩阻較大，實鉆過程中定向托壓嚴重。水平段共計定向調(diào)整軌跡20次，前10次使用常規(guī)滑動定向平均純鉆時效64.3%，后期使用PIPE ROCK系統(tǒng)，緩解了托壓現(xiàn)象，減少了上提鉆具重擺工具面所造成的定向輔助時間，定向純鉆時效提高到83.4%（圖3）。

3.3 提高定向精準度

在常規(guī)滑動定向鉆井時，定向效果有兩個指標體現(xiàn)：①工具面穩(wěn)定度。工具面越穩(wěn)定，定向精準度越高。②定向段長。定向段長越短，定向效果越好。

Y108H19-1井使用PIPE ROCK系統(tǒng)后（圖4），可以在鉆進的同時，不上提鉆具、不停鉆調(diào)節(jié)定向工具面，使工具面保持長期穩(wěn)定，從而提高了定向效果。

Long016-H1井實鉆過程中（圖5），對比所有定向井段，隨著水平段延伸，滑動定向效果逐步降低，為達到軌跡控制目標，用于軌跡調(diào)整的定向段長明顯增加，而復(fù)合鉆進的進尺比例逐漸減少。使用PIPE ROCK系統(tǒng)后，定向段長逐步減少，表明定向效果提高。

圖3 Long016-H1井使用PIPE ROCK系統(tǒng)前、后定向純鉆時效對比圖

圖4 Y108H19-1井第三次扭擺定向工具面實時記錄圖

圖5 Long016-H1井使用PIPE ROCK系統(tǒng)前、后定向段長對比圖

綜上所述，川渝地區(qū)水平井在應(yīng)用PIPE ROCK系統(tǒng)后，通過往復(fù)扭擺鉆柱降摩減阻，成功地解決了定向托壓難題。

4 應(yīng)用中存在問題與改進設(shè)想

4.1 PIPE ROCK系統(tǒng)使用問題的討論

PIPE ROCK系統(tǒng)是一種應(yīng)用于常規(guī)滑動定向鉆井時的輔助工具，在現(xiàn)場使用時對以下問題進行討論。

4.1.1 適用井段

PIPE ROCK系統(tǒng)在未發(fā)生托壓現(xiàn)象的造斜段慎用。其原因在于，上部小井斜井段井下摩阻本身較小，井口施加的擺動扭矩極易傳遞到鉆頭位置，與井下動力鉆具反扭矩疊加后，造成定向工具面來回偏轉(zhuǎn)，工具面反而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，無法達到定向鉆進目的。

4.1.2 在巖屑床引起的高摩阻復(fù)雜水平井段比旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具更加安全

目前常用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具外徑大（?208 mm）、鋼級高、剛度大，在某些井下巖屑床厚、軌跡復(fù)雜的水平井段，鉆井扭矩可達到19 000～26 000 N·m，作業(yè)風(fēng)險大。改用外徑小、剛度相對較低的常規(guī)定向組合后，復(fù)合鉆進時鉆井扭矩一般為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的2/3，配套使用PIPE ROCK系統(tǒng)在部分長水平段的上傾井中成功應(yīng)用，取得了良好的使用效果。

4.1.3 可否配合井下水力振蕩器使用

PIPE ROCK系統(tǒng)是否有必要配合井下水力振蕩器[16-17]使用，有以下兩點認識：

1）理論上使用PIPE ROCK系統(tǒng)能夠?qū)⑴[運動傳遞到隨鉆測量儀器（MWD）處，靜摩擦鉆具段很短，在有一定經(jīng)驗積累后完全沒必要再使用水力振蕩器。

2）在某些雖采用了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，但井下仍過于復(fù)雜的水平井，采用PIPE ROCK系統(tǒng)配合井下水力振蕩器完成旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)功能，是一個降低可鉆風(fēng)險的備用措施。

4.1.4 是否選用鉆柱穩(wěn)定器

現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)，某些上部井段發(fā)生“點托壓”的水平井，其特點在于靜摩擦造成的井下摩阻不高，但在上部某些井段因為臺階、軌跡、地質(zhì)等原因造成局部摩阻過高，導(dǎo)致滑動定向時，在上部井段發(fā)生“點托壓”現(xiàn)象。在此類井中，若扭擺參數(shù)設(shè)置較小，扭擺運動不能傳遞到“點托壓”區(qū)域，則不能緩解托壓情況；若扭擺參數(shù)設(shè)置較大，扭擺運動傳遞過“點托壓”區(qū)域，解決了“托壓”問題，又易造成鉆頭指向跟隨扭擺運動快速偏移，工具面不能穩(wěn)定。針對此種情況，可考慮使用有扶螺桿或另加鉆柱穩(wěn)定器，相比于無扶井底鉆具組合（BHA），鉆柱自身扭轉(zhuǎn)摩阻較大，能夠起到穩(wěn)定工具面的作用，避免扭擺運動對工具面的影響。

4.2 目前PIPE ROCK系統(tǒng)的缺陷及改進措施

經(jīng)過長時間的現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)PIPE ROCK系統(tǒng)目前尚有以下不足需要改進。

4.2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)還未融合

鉆柱扭擺定向時，需要實時觀察錄井數(shù)據(jù)（鉆時、鉆壓、井深、大鉤高度）、MWD數(shù)據(jù)（工具面、井斜、方位）和PIPE ROCK系統(tǒng)數(shù)據(jù)（正反扭矩設(shè)定值、扭矩實時記錄曲線），目前三類數(shù)據(jù)尚未融合，影響了現(xiàn)場作業(yè)效果的判斷與分析，需要研究錄井數(shù)據(jù)、MWD數(shù)據(jù)、PIPE ROCK系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合采集與融合，完善監(jiān)控軟件。

4.2.2 參數(shù)設(shè)置依賴工程師經(jīng)驗

目前鉆柱扭擺定向時，參數(shù)設(shè)置主要依靠工程師現(xiàn)場經(jīng)驗，對于不同參數(shù)對鉆柱受力的影響，尚無準確的井下數(shù)據(jù)支撐，井口扭擺運動扭矩設(shè)定值、扭擺運動速度、保持時間等因素對鉆柱扭矩傳遞的影響，還無實測數(shù)據(jù)支撐。建議通過井下測量短節(jié)，實際測定扭擺定向時井下鉆柱的運動狀態(tài)，探索MWD快速工具面上傳來精準控制扭擺參數(shù)，建立扭擺定向鉆柱運動統(tǒng)計模型。

4.2.3 系統(tǒng)自動化程度低

目前，PIPE ROCK系統(tǒng)嚴格意義上還僅僅只是一個頂驅(qū)執(zhí)行機構(gòu)，且不具備自動化控制功能。國內(nèi)外已有學(xué)者在工具面自動控制方面進行了一定程度的探索[18-21]。通過研究，借助鉆柱扭擺系統(tǒng)，探索能夠?qū)崿F(xiàn)扭擺參數(shù)自動給定、定向工具面自動控制的新一代PIPE ROCK鉆柱扭擺軟件，提高鉆柱扭擺系統(tǒng)自動化控制水平。

4.3 智能鉆柱扭擺系統(tǒng)架構(gòu)

新一代PIPE ROCK系統(tǒng)應(yīng)該是在實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、建立扭擺定向鉆柱運動模型的基礎(chǔ)上，采取人工操作經(jīng)驗和人工智能方法相結(jié)合的策略，實現(xiàn)軌跡智能控制的智能鉆柱扭擺系統(tǒng)。

該系統(tǒng)擬采用兩層控制結(jié)構(gòu)（圖6），上層控制系統(tǒng)實現(xiàn)工具面角度值的設(shè)定控制，下層控制系統(tǒng)實現(xiàn)工具面角度值的輸出回路控制。其功能如下：首先，定向工程師根據(jù)井眼軌跡確定當前井斜和方位角目標值，結(jié)合MWD的反饋信號，對比最優(yōu)目標工具面角度與MWD反饋的實際工具面角度，結(jié)合下層控制系統(tǒng)反饋的扭擺設(shè)定校正值，更新扭擺設(shè)定值。在下層控制系統(tǒng)中，前饋補償器根據(jù)上一次MWD錄得的實際工具面角度值和最新扭擺設(shè)定值，預(yù)測在一個周期內(nèi)工具面的擺動角度，并將預(yù)測角度與MWD錄得的實際工具面角度相對比，得到一個扭擺設(shè)定校正值。

圖6 智能鉆柱扭擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

1）PIPE ROCK系統(tǒng)成功地解決了長水平段定向鉆井“托壓”的難題，同時具有提高定向純鉆時效、作業(yè)效率和定向精準度的作用，是可以媲美旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的另一種先進的定向鉆井系統(tǒng)。

2）PIPE ROCK系統(tǒng)是國內(nèi)目前第一種在水平井中工業(yè)化應(yīng)用的自主鉆柱扭擺系統(tǒng)。系統(tǒng)使用穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。

3）PIPE ROCK系統(tǒng)勿需復(fù)雜的井下工具儀器，現(xiàn)場安裝方便，運行成本低，相較于水力振蕩器作業(yè)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等技術(shù)，具備更為優(yōu)越的成本優(yōu)勢。

4）PIPE ROCK系統(tǒng)目前自動化程度仍較低，需要人工實時調(diào)整扭矩設(shè)定值，使用效果受人員個體差異影響較大，仍有必要持續(xù)改進。