“璇璣”推靠式旋轉導向工具導向力優(yōu)化的研究和應用

席志旭 孫師賢 侯曉東 陳 錕 田博輝

（中海油田服務股份有限公司，三河 065201）

隨著隨鉆測井技術和旋轉導向鉆井技術的不斷發(fā)展，以這兩項技術為核心的定向井作業(yè)越來越多地被應用于油氣藏的勘探和開發(fā)。定向鉆測井技術可以精準控制軌跡、準確命中靶點，并保持在產層中相對優(yōu)質位置鉆進，具有顯著特點和優(yōu)勢。第一，優(yōu)化軌跡路徑，最大限度降低無效井段，從而縮短建井的時間和節(jié)省成本。第二，控制井眼軌跡在優(yōu)質油氣層中穿梭和連通多個不同層位產層，提高單井綜合鉆遇率和單井產量。第三，成熟應用于水平井、大斜度以及大位移鉆井，相較于常規(guī)定向井和直井，可成倍增加產層段泄油面積，大幅提高油氣產量。以層厚為10 m的216 mm 井眼為例，直井的泄油面積為6.78 m2，而100 m 水平井的泄油面積為67 m2，是直井的10 倍，是45°斜井的7 倍。第四，定向井可實現(xiàn)地層的實時監(jiān)測和評價，獲取更實時、真實的數(shù)據(jù)，對評估油氣藏開發(fā)價值意義重大。第五，采用旋轉導向鉆出的井眼更規(guī)則光滑，有利于生產管柱的下入。第六，旋轉導向鉆具組合鉆柱串摩阻小，可有效傳遞鉆壓和扭矩，有效延長在鉆進井段。第七，該類鉆具組合全旋轉狀態(tài)便于攜砂，井眼更清潔，減小了卡砂風險，更加安全，在大位移水平井作業(yè)中具有明顯的應用優(yōu)勢。

相關統(tǒng)計顯示，旋轉導向在定向井作業(yè)中的市場占比從10 年前的30%快速增長到目前的75%，且發(fā)展勢頭強勁。以隨鉆測井和旋轉導向為主的定向井技術越來越受到客戶的青睞，已經成為定向鉆井必備的技術裝備。

中海油田服務股份有限公司（以下簡稱中海油服）于“十一五”期間開始進行旋轉導向技術研制。“十二五”期間，中海油服在國家“863”項目及中國海油集團公司的大力支持下，在“十一五”研究成果的基礎上繼續(xù)深入攻克核心關鍵技術，補足技術短板，完善675 型儀器的設計，開展了大量工程化研究工作，完成了675 型儀器的設計定型工作，同時開展了950 型旋轉導向、隨鉆中子、隨鉆密度、隨鉆聲波和隨鉆地層測壓等儀器的研制工作，逐步形成自主的旋轉導向和隨鉆測井技術體系[1-3]?！笆濉逼陂g，中海油服“璇璣”旋轉導向系統(tǒng)開始產業(yè)化，產品技術體系覆蓋了主流技術的65%以上[4-5]?！笆奈濉逼陂g，在國家和公司的支持下，“璇璣”旋轉導向系統(tǒng)進一步發(fā)展完善，不僅實現(xiàn)了“千百萬”里程碑（累計進尺超100 萬m，累計作業(yè)1 000 井次），還進行了多項高精尖技術布局（指向式旋轉導向、超深探測技術、救援井技術），到“十四五”結束時將實現(xiàn)產品技術體系覆蓋95%的主流技術的目標。

“璇璣”系統(tǒng)旋轉導向工具Welleader（以下簡稱Welleader）是“璇璣”旋轉導向系統(tǒng)的一個科研分支，與貝克休斯公司AutoTrak 類似，是典型的推靠式旋轉導向工具[6]。在鉆進過程中，Welleader 翼肋始終向井壁施加推力，翼肋與井壁之間會一直存在由此產生的摩擦阻力和井壁因推力作用變形而產生的阻力，此外存在巖屑堵塞翼肋下環(huán)控面積而產生的泥漿上返托力。這些阻力共同作用，嚴重時會產生托壓現(xiàn)象，影響鉆壓傳遞效率，加重鉆柱受力載荷，不利于提升鉆井速度和保證井下工具安全。

為了緩解Welleader 托壓問題，“璇璣”系統(tǒng)科研工程師開展專項研究，通過優(yōu)化導向力控制算法，調整翼肋輸出推力組合，嘗試從控制方式上進行優(yōu)化，在實踐中獲得正向反饋。

1 理論

1.1 Welleader 工作原理

Welleader 是典型的推靠式旋轉導向，通過翼肋推靠井壁產生鉆頭偏置實現(xiàn)導向鉆進。如圖1 所示，Welleader 以近鉆頭慣性測量模塊數(shù)據(jù)為基礎進行指令分解和合成以及導向控制。其中：F1、F2、F3為Welleader 導向短節(jié)液控單元3 個翼肋的推力，P1、P2、P3為Welleader 導向短節(jié)液控單元3 個液壓腔的壓力，T為復位彈簧拉力，f為活塞摩擦阻力。當Welleader 主控單元接收到指令后，將其分解成三缸壓力，主控單元驅動液控單元中3 個獨立的電機工作，將液壓油泵入對應的液壓腔室，從而推動活塞撐開翼肋，翼肋向井壁施加推靠力并在井壁處獲得支撐，依靠反作用力實現(xiàn)偏移形成導向矢量，控制鉆頭指向預定方向。當三缸壓力達到期望值后，3 個獨立電機停止工作，完成導向力合成。

圖1 Welleader 導向指令分解及合成示意圖

在實鉆作業(yè)中，隨著鉆柱的旋轉，Welleader 慢旋轉套筒不停低速旋轉，導向近鉆頭慣性測量模塊實時測量和更新翼肋位置，導向控制單元以壓力閉環(huán)的控制方式根據(jù)慢旋轉套筒位置實時分解導向指令，調整和控制電機工作，調整三缸腔室壓力分布，從而執(zhí)行導向指令。

Welleader 翼肋總成安裝在慢旋轉套筒上，轉速遠小于鉆桿和頂驅轉速，因此可為旋轉導向提供相對穩(wěn)定、可靠的導向力輸出環(huán)境，提高導向執(zhí)行效率，增強執(zhí)行效果。

1.2 導向力控制算法及優(yōu)化

主流指向式旋轉導向力合成算法中，為了保證每個翼肋在各種導向力工況下分解所得的分量為正值，所加的偏移量均為100%導向力工況下的偏移量（下文簡稱正向偏移量）。正向偏移量的作用是保證3 個翼肋的分量均為正值，不會改變導向力的大小和幅值，因此正向分量的做功屬于無用功，如圖2所示。

圖2 常規(guī)模式下不同導向力的無用功對比

50%導向力偏移量為

100%導向力偏移量為

式中：ɑ為合力方向相對于重力高邊的角度（順時針方向）。

常規(guī)模式下，50%導向力的無用功大，100%導向力的無用功相對較小。導向力優(yōu)化算法在不影響合力的基礎上，通過合理減少三缸壓強盡可能減小系統(tǒng)的無用功，從而降低3 個翼肋和井壁之間的摩擦力，如表1 所示。

表1 50%導向力工況防托壓模式與正常模式三缸壓強對比

定義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分別表示1 號、2 號和3 號翼肋與井壁之間的摩擦阻力，ftotal表示3 個翼肋和井壁之間的摩擦阻力之和，即系統(tǒng)阻力。ftotal是3 個翼肋作用在井壁上的推力總和，可以有效表征在特定工況下系統(tǒng)功率輸出中3 個翼肋和井壁之間的摩擦力，如圖3 所示。

圖3 不同模式導向推力之和對比

隨著導向力的降低，導向力優(yōu)化模式下總表征摩擦力較正常指令模式下有大幅下降，可在保證導向效果的前提下大幅降低系統(tǒng)阻力。

2 應用效果

2021 年，中海油服油田技術研究院針對Welleader工具導向力優(yōu)化算法開展實鉆驗證，分別在950 型、675 型和475 型3 種型號的Welleader 上進行優(yōu)化算法測試，獲得了準確和全面的測試數(shù)據(jù)，隨后在東海、南海進行多次實鉆應用。下面選取950 型Welleader在新疆某井實鉆試驗和在東海某井部分描述導向力優(yōu)化算法的應用過程和效果。

2.1 導向力優(yōu)化模式在新疆某試驗井中的應用

設置3 個測試井段，依次使用常規(guī)指令和導向力優(yōu)化模式指令進行鉆進。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性、合理性和可參考性，測試遵循以下兩個原則：一是使用相同或者相近的鉆井參數(shù)鉆進；二是常規(guī)模式指令設置和應用環(huán)境優(yōu)于優(yōu)化模式指令，即常規(guī)模式指令導向力小，鉆進深度更淺，地層可鉆性更強，鉆進參數(shù)大，有利于獲得較快的鉆井速度。

在這兩個測試原則下實施、記錄數(shù)據(jù)并比較，獲得試驗數(shù)據(jù)如下。

（1）第1 個測試井段為1 065.20 ～1 338.20 m，其中1 065.20 ～1 203.85 m 采用常規(guī)模式鉆進，1 203.85 ～1 338.20 m 采用優(yōu)化模式。兩種模式鉆井參數(shù)基本一致，優(yōu)化模式使用導向力大于常規(guī)指令。測試結果表明：優(yōu)化模式造斜率處于正常水平范圍，鉆進效率提升46.77%，如表2 所示。

表2 第1 段對比測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)

（2）第2 個測試井段為1 404.00 ～1 802.70 m，其中1 404.00 ～1 688.00 m 采用常規(guī)模式鉆進，1 688.00 ～1 802.70 m 采用優(yōu)化模式。兩種模式鉆井參數(shù)基本一致，優(yōu)化模式使用導向力大于常規(guī)指令。測試結果表明：優(yōu)化模式造斜率處于正常水平范圍，鉆進效率提升9.61%，如表3 所示。

表3 第2 段對比測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)

（3）第3 個測試井段為1 802.70 ～1 888.00 m，其中1 802.70 ～1 859.50 m 采用常規(guī)模式鉆進，1 859.50 ～1 888.00 m 采用優(yōu)化模式鉆進。兩種模式鉆井參數(shù)基本一致，導向力基本相同。測試結果表明：優(yōu)化模式造斜率正常，鉆進效率提升109.33%，如表4所示。

表4 第3 段對比測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)

3 個測試井段匯總數(shù)據(jù)如表5 所示，常規(guī)模式共計鉆進480.2 m，優(yōu)化模式共計鉆進276.9 m，鉆進時間分別為16.4 h 和6.9 h，常規(guī)模式綜合鉆進速度小于優(yōu)化模式，優(yōu)化模式綜合提速效率為36.83%。

表5 3 段對比測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.2 導向力優(yōu)化算法在東海某井的應用

2022 年，950 型Welleader 在東海某井12.25"井段應用。鉆進過程中，在3 486 ～3 657 m 井段中使用優(yōu)化模式指令鉆進，導向力為35%～50%，鉆壓為14 ～16 t，排量為4 164 L·min-1。此段鉆進過程中無托壓現(xiàn)象，平均機械鉆速為15.37 m·h-1。此后起鉆更換Welleader 和鉆頭繼續(xù)鉆進，鉆頭型號保持不變。更換的Welleader 為常規(guī)模式工具，未更新導向力優(yōu)化控制算法。使用同樣的指令和鉆井參數(shù)，其平均機械鉆速為7.63 m·h-1，較之前顯著降低，導向力優(yōu)化控制算法提速效果明顯，詳細數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 東海某井旋轉導向作業(yè)記錄

3 結論

整理了中海油服自研“璇璣”推靠式旋轉導向工具導向力優(yōu)化控制算法在新疆和東海兩口井中的應用，對比了950 型Welleader 使用50%導向力以內指令作業(yè)時常規(guī)模式和優(yōu)化模式對鉆井速度和造斜效果的影響，根據(jù)真實應用數(shù)據(jù)得出以下結論：

（1）采用優(yōu)化模式，950 型Welleader 在同樣的鉆井參數(shù)下可以有效提升鉆進效率；

（2）采用優(yōu)化模式，950 型Welleader 在相近指令下可保持與常規(guī)模式相同的造斜能力。

參考其他型號Welleader 在不同區(qū)塊、使用不同導向力指令的應用效果，總結應用經驗如下：

（1）導向力低于70%時，使用優(yōu)化模式指令有顯著的提速效果，且隨著導向力的增加，提速效率降低；當導向力為70%～80%時，有一定的提速效果；當導向力大于80%時，提速效果變得不明顯；當導向力大于90%時，幾乎無提速效果；

（2）當導向力低于15%時，在鉆進軟地層時慢旋轉套筒旋轉速度加快，導向指令執(zhí)行效率低于正常水平，可使用更高的導向力指令；

（3）優(yōu)化模式造斜輸出能力與常規(guī)模式一致，適用于HOLD、Steer 指令子集。