“璇璣”推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下特殊工況的鉆進(jìn)效果研究

席志旭 孫師賢 侯曉東 陳 錕 張立娟 郭心宇

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300457）

隨鉆測(cè)井和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)是定向鉆測(cè)井技術(shù)的重要分支。20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這兩項(xiàng)技術(shù)分別取得了重大突破，越來(lái)越多地應(yīng)用于油田勘探和開(kāi)發(fā)作業(yè)，在提高定向井鉆井效率、井眼質(zhì)量、產(chǎn)層鉆遇率、采收率方面有較大優(yōu)勢(shì)[1]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向憑借其自動(dòng)旋轉(zhuǎn)閉環(huán)軌跡控制技術(shù)，能夠突破傳統(tǒng)馬達(dá)導(dǎo)向技術(shù)在大斜度定向井、水平井、深井、超深井中軌跡控制的限制，提升軌跡控制效率和準(zhǔn)確性，是油氣勘探和開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵工具[2-5]。

Welleader 是“璇璣”系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的一個(gè)科研技術(shù)分支，與貝克休斯公司AutoTrak 類似，是典型的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向[6]。它集機(jī)、電、液、信息和控制技術(shù)于一體，結(jié)構(gòu)精密，性能優(yōu)越可靠，是實(shí)現(xiàn)石油鉆井向數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化方向發(fā)展的核心技術(shù)和重要裝備。

然而，定向鉆井、測(cè)井作業(yè)是一項(xiàng)復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)。作業(yè)過(guò)程中，井下儀器往往要克服高扭矩、高頻和高強(qiáng)度軸向及徑向振動(dòng)，克服高溫、高壓、強(qiáng)水力沖蝕、高腐蝕、高磨損等諸多不利因素的影響，具有良好的應(yīng)用性能。在多種不利因素的疊加影響下，井下工具易失效。在以往定向鉆井過(guò)程中，無(wú)論Welleader 還是AutoTrak 均發(fā)生過(guò)單個(gè)液壓推力單元失效的故障。

文章以此為課題進(jìn)行分析、研究，探索和論證在此種情況下依靠2 個(gè)翼肋完成定向作業(yè)的可能性和可行性。

1 相關(guān)理論

1.1 “璇璣”系統(tǒng)Welleader 工作原理

Welleader 是典型的推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，通過(guò)翼肋推靠井壁產(chǎn)生鉆頭偏置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)。Welleader 以近鉆頭慣性測(cè)量模塊數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行導(dǎo)向指令執(zhí)行及控制。當(dāng)Welleader 主控單元接收到指令后，將指令分解成三缸壓力。主控單元驅(qū)動(dòng)液控單元中3 個(gè)獨(dú)立的電機(jī)工作，從補(bǔ)償單元中將液壓油泵入對(duì)應(yīng)的液壓腔室，在液壓的作用下推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而撐開(kāi)翼肋，使翼肋向井壁伸展、推靠，并在井壁處獲得支撐。翼肋推靠井壁的同時(shí)，井壁反向推動(dòng)翼肋。在反向推力作用下，3 個(gè)翼肋分別產(chǎn)生偏置并最終實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向整體偏移形成導(dǎo)向矢量，以控制鉆頭指向預(yù)定方向鉆進(jìn)。

Welleader 翼肋總成安裝在慢旋轉(zhuǎn)套筒上，其轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于鉆桿和頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，可為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向提供相對(duì)穩(wěn)定、可靠的導(dǎo)向力輸出環(huán)境，有助于提高導(dǎo)向的執(zhí)行效率。

實(shí)鉆作業(yè)中，隨著慢旋轉(zhuǎn)套筒的旋轉(zhuǎn)，Welleader以壓力閉環(huán)的控制方式根據(jù)近鉆頭慣性測(cè)量模塊參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整和控制電機(jī)工作。導(dǎo)向控制單元不停通過(guò)近鉆頭慣性測(cè)量模塊采集姿態(tài)信息，實(shí)時(shí)接收并進(jìn)行指令分解，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以調(diào)整三缸腔室壓力分布，執(zhí)行導(dǎo)向指令。當(dāng)3 個(gè)液壓腔室的壓力達(dá)到指令期望值，其對(duì)應(yīng)的電機(jī)停止工作。但是，實(shí)際作業(yè)中Welleader的姿態(tài)持續(xù)不斷變化，導(dǎo)向單元?jiǎng)t不停進(jìn)行實(shí)時(shí)姿態(tài)采集、指令分解和合成、指令執(zhí)行等閉環(huán)控制。

1.2 Welleader 單個(gè)液壓推力單元故障失效的導(dǎo)向分析

Welleader 有3 個(gè)液壓推力單元。作業(yè)過(guò)程中，主控單元根據(jù)慢旋轉(zhuǎn)套筒位置控制3 個(gè)液壓推力單元工作。3 個(gè)液壓推力單元相對(duì)獨(dú)立且互不干擾。

由于推力系統(tǒng)的合力由3 個(gè)推力單元輸出的力合成而來(lái)，如果某一個(gè)液壓推力單元失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液壓推力系統(tǒng)的合力發(fā)生變化，使得推力系統(tǒng)的偏置量和穩(wěn)定性隨之發(fā)生變化。

為了方便模擬和計(jì)算，定義3 個(gè)假設(shè)條件：一是只考慮單個(gè)液壓推力單元失效，其余兩個(gè)液壓推力單元均工作正常；二是失效前后Welleader 外筒均保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；三是使用Steer（導(dǎo)向力為100%，工具面為0°）導(dǎo)向指令。

如圖1 所示，翼肋作用于井壁的反向作用力f1、f2、f3合成Welleader 導(dǎo)向合力F，F(xiàn)可分解成沿垂直方向的增降斜力和沿水平方向的增降方位力，分別為Fwalk和FBuild。

調(diào)用Welleader 進(jìn)行導(dǎo)向力標(biāo)定期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，并設(shè)置2 號(hào)推力單元失效，模擬結(jié)果如圖2 所示。

導(dǎo)向效果是合力作用時(shí)間的加成，因此分別對(duì)Build 和Walk 進(jìn)行積分以計(jì)算導(dǎo)向效果，得出Walk 的積分為0，Build 的積分為0.67，即Welleader 單個(gè)液壓推力單元失效時(shí)，其綜合導(dǎo)向能力為正常時(shí)的67%。

2 作業(yè)案例

2.1 背景介紹

中國(guó)渤海某區(qū)塊一口水平井，目的層為明化鎮(zhèn)下段，井眼軌跡自上至下依次經(jīng)過(guò)平原組、明化鎮(zhèn)上和明化鎮(zhèn)下，所鉆進(jìn)地層相對(duì)較軟、可鉆性良好，但夾層發(fā)育、振動(dòng)和扭矩波動(dòng)大。該井12-1/4”井眼鉆進(jìn)至2 602 m 中完，位于明化鎮(zhèn)上段，下9-5/8”套管至2 598.1 m 固井。12-1/4”井眼中完時(shí)軌跡緊貼設(shè)計(jì)，根據(jù)中完實(shí)測(cè)軌跡做8-1/2”井眼軌跡設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 8-1/2”井眼軌跡設(shè)計(jì)表

設(shè)計(jì)8-1/2”井眼段長(zhǎng)520.36 m，井斜變化值26.35°，方位變化值38.17°，設(shè)計(jì)造斜率為3.3°/30 m和2.8°/30 m，穩(wěn)斜段36.09 m。

2.2 施工過(guò)程

該井入井鉆具組合為8-1/2”PDC+Welleader675+6-3/4”DWPR+6-3/4”MWD+6-3/4”NMDC+6-3/4”ScreenSub+6-3/4”F/V+6-1/2”F/J&Jar+5”HWDP*13 根+5”DP*20柱+X/O+5-1/2”DP，下鉆探水泥面在井深2 573 m 處，發(fā)指令Steer（導(dǎo)向力為0%，工具面為0°）。使用低參數(shù)鉆進(jìn)水泥塞和套管附件，鉆進(jìn)至2 597 m，發(fā)指令收回翼肋繼續(xù)鉆進(jìn)（管鞋位置為2 598 m），鉆穿后充分活動(dòng)鉆具修整管鞋。鉆入新地層12 m，發(fā)指令控制軌跡鉆進(jìn)。繼續(xù)鉆進(jìn)至井深2 730 m，Welleader 工具1 號(hào)液壓推力單元故障，故障點(diǎn)處井深為2 730 m，井斜為70.33°，方位為128.49°，軌跡較設(shè)計(jì)偏左7 m、偏上1.17 m。由于實(shí)鉆軌跡領(lǐng)先設(shè)計(jì)，嘗試?yán)^續(xù)鉆進(jìn)。

1 號(hào)液壓推力單元失效后，繼續(xù)鉆進(jìn)呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是Welleader 套筒旋轉(zhuǎn)速度加快，較正常狀態(tài)下快20%～50%，但仍在Welleader 液控單元調(diào)控能力范圍內(nèi)；二是當(dāng)Welleader 使用大導(dǎo)向力指令時(shí)（導(dǎo)向力為60%～90%），其慢旋轉(zhuǎn)套筒轉(zhuǎn)速變慢，且慢旋轉(zhuǎn)套筒在實(shí)際工具面接近目標(biāo)工具面區(qū)域時(shí)轉(zhuǎn)速變慢、停留時(shí)間更長(zhǎng)。

根據(jù)連斜及測(cè)斜數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，雖然1 號(hào)推力單元失效，但是Welleader 仍能輸出預(yù)期導(dǎo)向效果，方位控制能力變?nèi)?，井斜控制能力?yōu)于方位。優(yōu)化和調(diào)整軌跡控制策略，采取較大導(dǎo)向力優(yōu)先扭方位至安全區(qū)域，再控制井斜使軌跡貼近垂深。如表2 所示，鉆進(jìn)期間使用導(dǎo)向指令的導(dǎo)向力集中在30%～90%，實(shí)測(cè)最高造斜率為3.27°/30 m，局部造斜更高，且造斜效果與導(dǎo)向力大小密切正相關(guān)，滿足軌跡控制需求。繼續(xù)鉆進(jìn)至3 104 m 接增斜著陸指令，發(fā)送80%導(dǎo)向力增斜，配合參數(shù)控制，鉆進(jìn)至3 115 m，井斜增1.8°至89°，完成著陸作業(yè)。此段造斜率為4.9°/30 m，預(yù)計(jì)井底方位為150.4°，著陸點(diǎn)軌跡相較設(shè)計(jì)偏左5 m、偏下0.3 m，后續(xù)水平段軌跡僅需增加2°～3°方位。本井段施工符合工程標(biāo)準(zhǔn)和油藏要求。

表2 Welleader 故障井段指令記錄及指令執(zhí)行效果

如表2 所示，Welleader 實(shí)鉆導(dǎo)向效果與導(dǎo)向指令設(shè)置基本吻合。參考該區(qū)域和地層，Welleader對(duì)應(yīng)的實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)造斜率為6.5° /30 m（導(dǎo)向力為100%），通過(guò)對(duì)比實(shí)際鉆進(jìn)385 m 井段13 個(gè)測(cè)斜數(shù)據(jù)點(diǎn)，反算該區(qū)域1 號(hào)液壓推力單元失效的等效造斜率約為100%導(dǎo)向力下的57.6%。如果扣除每柱提前終止造斜的井段，綜合導(dǎo)向效率大于60%。當(dāng)故障翼肋運(yùn)行在設(shè)計(jì)高造斜位置時(shí)，Welleader 的局部造斜率顯著增大，且大于正常造斜率。以上現(xiàn)象均與理論計(jì)算一致。

本井段故障點(diǎn)處實(shí)鉆軌跡領(lǐng)先設(shè)計(jì)，故障狀態(tài)下Welleader 輸出軌跡控制能力仍滿足軌跡控制和調(diào)整需求，因此本井僅在關(guān)鍵井段進(jìn)行鉆井參數(shù)和導(dǎo)向指令的調(diào)整和干預(yù)，未影響作業(yè)時(shí)效。

3 結(jié)語(yǔ)

在Welleader 單個(gè)液壓推力單元失效后，雖然導(dǎo)向能力降低，但是仍具備一定的導(dǎo)向鉆進(jìn)能力。故障后，綜合導(dǎo)向效果受井眼、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆進(jìn)速度、扭矩波動(dòng)等因素影響更加明顯，將被進(jìn)一步削弱，但加以適當(dāng)控制和干預(yù)仍可以嘗試?yán)^續(xù)鉆進(jìn)，甚至完成作業(yè)。

（1）在定向鉆進(jìn)過(guò)程中，定向井工程師應(yīng)具備控制軌跡領(lǐng)先設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，視情況進(jìn)行必要的軌跡預(yù)留。這樣即使在井下工具故障的情況下也可以試鉆一定井段而不影響后續(xù)軌跡控制，以便給工具調(diào)試和故障排查爭(zhēng)取更多井段和時(shí)間。

（2）當(dāng)Welleader 出現(xiàn)單個(gè)液壓推力單元故障無(wú)法恢復(fù)時(shí)，如嘗試?yán)^續(xù)鉆進(jìn)，應(yīng)先使用較大導(dǎo)向力試鉆出該區(qū)域Welleader 軌跡控制能力，以便調(diào)整軌跡控制策略。

（3）Welleader 導(dǎo)向控制的基礎(chǔ)在于慢旋轉(zhuǎn)套筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，如其轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過(guò)Welleader 液壓系統(tǒng)的控制能力，需要先采取干預(yù)措施，嘗試控制套筒轉(zhuǎn)速。如失敗，則意味著Welleader 失去軌跡控制能力，應(yīng)設(shè)置起鉆深度，不應(yīng)過(guò)多嘗試。

（4）Welleader 單個(gè)液壓推力單元故障時(shí)，小導(dǎo)向力的軌跡控制效果差且方位控制能力小于井斜，因此在進(jìn)行軌跡控制尤其是方位調(diào)整時(shí)，建議使用大導(dǎo)向力（一般應(yīng)大于40%）。

（5）在關(guān)鍵井段采取一定的干預(yù)措施是必要的，即進(jìn)行必要的控時(shí)和控參鉆進(jìn)或采取特殊方式，延長(zhǎng)鉆頭在目標(biāo)工具面區(qū)域作用時(shí)長(zhǎng)，增加有效的導(dǎo)向輸出，以提高Welleader 導(dǎo)向效率。