地面鉆柱扭擺導(dǎo)向鉆井的理論建模及應(yīng)用研究

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“地面旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井新方法及其控制機理”（51974035）；湖北省重點研發(fā)計劃項目“智能鉆井多維動力集成鉆具研發(fā)及應(yīng)用”（2020BAB055）。

在滑動導(dǎo)向鉆井中，鉆柱的扭擺可以將鉆井過程中井眼與鉆柱的靜摩擦改為滑動摩擦，可有效減少鉆探摩阻，并緩解滑動鉆井中普遍存在的“托壓”情況?；诨瑒鱼@井技術(shù)，分區(qū)域構(gòu)建了鉆柱扭擺運動控制方程，通過理論模型研究扭擺角度（100°～600°）和扭擺速度（20～80 r/min）對扭擺深度、鉆壓及工具面變化的影響，并利用鉆柱扭擺試驗裝置進行了試驗。研究結(jié)果表明：隨著扭擺角度、扭擺速度的增加，扭擺深度不斷增加，鉆壓趨于平穩(wěn)，扭擺減阻效果更好；

過度增加扭擺角度、扭擺速度會造成工具面波動，影響鉆井效率?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，工具面平穩(wěn)度高符合率達到96%，防“托壓”效果明顯，能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。研究結(jié)果可為鉆柱扭擺導(dǎo)向鉆井技術(shù)提供技術(shù)參考。

地面鉆柱；扭擺導(dǎo)向鉆井；導(dǎo)向控制模型；扭擺角度；扭擺速度；減阻

Theoretical Modeling and Application of Surface Drill String Torsion Pendulum Steering Drilling

Ding Heng¹ Yi Xianzhong^1，2 Zhou Yuanhua¹ Ma Sunan¹ Chen Zhixiang^1，3 Zhang Xiliang⁴ Wang Lijun⁴

（1.School of Mechanical Engineering，Yangtze University; 2.Intelligent Oil and Gas Drilling and Production Equipment Enterprise-School Joint Innovation Center of Hubei Province; 3.Yangzhou Huayuan Oil and Gas Technology Co.， Ltd.; 4.CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.， Ltd.）

In slide steering drilling， the torsion pendulum of the drill string can change the static friction between the wellbore and the drill string during the drilling process to a sliding friction， thus effectively reducing the drilling friction and alleviating the common “backing pressure” situation in slide drilling. Based on slide drilling technology， the torsion pendulum motion control equation of drill string was established by zones. The theoretical model was used to identify the influences of torsion pendulum angle （100°-600°） and velocity （20-80 r/min） on the torsion pendulum depth， weight on bit （WOB） and tool face changes. Finally， the drill string torsion pendulum test device was used for tests. The research results show that as the torsion pendulum angle and velocity increase， the torsion pendulum depth increases， the WOB tends to stabilize， and the drag reduction effect of torsion pendulum is better. However， excessive increase in torsion pendulum angle and velocity would cause tool face to fluctuate and affect drilling efficiency. The field application results show that the coincidence rate of tool face smoothness is as high as 96%， the “backing pressure” prevention effect is obvious， meeting the requirements of field operations. The research results provide technical reference for the drill string torsion pendulum steering drilling technology.

surface drill string；torsion pendulum steering drilling; steering control model; torsion pendulum angle; torsion pendulum velocity; drag reduction

0 引 言

在定向井和水平井鉆探過程中，主要有2種鉆探技術(shù)：旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)鉆技術(shù)和滑動式導(dǎo)鉆技術(shù)^［1-3］?；瑒訉?dǎo)向鉆井技術(shù)是當(dāng)前我國主要的鉆井方式，該方法優(yōu)點是可以降低鉆井成本，同時增加底部動力鉆具、隨鉆測量儀器等工具^［4-5］；缺點是鉆柱系統(tǒng)在滑行過程中，保持軸向鉆進，不能旋轉(zhuǎn)，鉆柱系統(tǒng)沿井眼滑動，容易造成“托壓”現(xiàn)象。因此，該鉆柱系統(tǒng)在滑行中導(dǎo)致鉆井速度慢、純鉆時效低、井下管柱及工具損壞過早等問題，甚至誘發(fā)卡鉆等復(fù)雜事故，造成鉆井作業(yè)風(fēng)險大，并且對鉆進水平段長度的增加和定向鉆井速度的提高等形成了嚴(yán)重的制約^［6-10］。

為解決上述問題，在鉆柱運動中加入了扭擺運動，即通過左右旋轉(zhuǎn)鉆柱系統(tǒng)，可以將鉆井過程中井眼與鉆柱的靜摩擦改為滑動摩擦，能很好地消除鉆探摩阻，提高造斜能力和機械鉆速。

國外針對這項技術(shù)已經(jīng)進行大量理論研究和控制系統(tǒng)開發(fā)。以E.MAIDLA為代表，以地面鉆柱的扭矩作為主要控制參數(shù)，控制鉆柱左右扭擺的幅度和角度，提高造斜能力和機械鉆速，開發(fā)扭擺控制軟件，設(shè)計不同井眼軌跡的鉆井控制方案。在地面扭擺滑動鉆井技術(shù)中，最為先進的是斯倫貝謝公司的Slider系統(tǒng)和Canrig公司的ROCKIT系統(tǒng)^［11］。易先中等^［12］總結(jié)了Slider自動控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能，在不用起下鉆的情況下，即可完成工具面的快速定向，其在中東地區(qū)及美國頁巖氣累計已應(yīng)用了超過800口水平井。國內(nèi)對滑動鉆井技術(shù)中引入扭擺運動的研究還處于探索階段，相關(guān)理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場試驗材料較少。武廣媛等 ^［13］提出一種通過彎角馬達控制辦法，實現(xiàn)工具面自動控制的鉆井系統(tǒng)。徐文等^［14］開發(fā)出頂部驅(qū)動和井下動力鉆具聯(lián)合控制的滑動鉆井導(dǎo)向控制技術(shù)。韓烈祥等^［15］自主研發(fā)的PIPE ROCK鉆柱扭擺系統(tǒng)需要人員和控制器配合，人工調(diào)整扭矩設(shè)定值，但其受工作人員差異的影響，該方法的使用情況參差不齊。

本文以滑動導(dǎo)向鉆井技術(shù)為基礎(chǔ)，加入地面扭擺運動，研究扭擺運動作用下鉆柱的力學(xué)特性，分區(qū)域建立鉆柱力學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過Matlab對扭擺控制方程數(shù)值模擬，從理論數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上研究扭擺角度和扭擺速度對扭擺深度、鉆壓及工具面變化的影響。并且通過自主搭建的鉆柱扭擺試驗裝置進行試驗，從試驗平臺基礎(chǔ)上分析扭擺作用下載荷傳遞的影響因素和鉆井過程中扭擺減阻效果。最后對HWT97004水平井進行了4次現(xiàn)場調(diào)試和實鉆試驗，理論模擬結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果相符，完成了軟硬件測試、增斜實鉆、穩(wěn)斜實鉆、定向和扭方位調(diào)控等多項作業(yè)，具有良好的市場推廣競爭力和應(yīng)用前景，可為后續(xù)現(xiàn)場鉆柱扭擺減阻技術(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 扭擺運動下鉆柱力學(xué)模型

按照鉆柱的受力狀態(tài)，將鉆柱劃分為3個區(qū)域：鉆柱扭擺控制區(qū)、靜摩擦區(qū)、鉆具反扭矩區(qū)^［16-17］。分區(qū)模型如圖1所示。在鉆柱扭擺時，關(guān)鍵是計算出地面頂驅(qū)施加正反扭矩傳遞到鉆柱的位置，以及螺桿反扭矩傳遞到管柱的位置。當(dāng)這2個位置不相交時，螺桿不會受到上部鉆柱傳遞的扭矩影響進而可以保持工具面的穩(wěn)定。故本節(jié)重點闡述鉆柱扭擺減阻機理、鉆柱扭擺控制區(qū)和鉆柱反扭矩區(qū)計算，建立偏微分方程組。

圖1 鉆柱系統(tǒng)分區(qū)模型

Fig.1 Zoning model of drill string system

1.1 鉆柱扭擺減阻原理

鉆柱扭擺減阻的原理是正反旋轉(zhuǎn)上部鉆柱，輸入扭矩沿著鉆柱向下傳遞到井下某一位置，摩阻扭矩剛好能夠克服頂驅(qū)扭矩，在該點處鉆柱的運動就會停止旋轉(zhuǎn)，標(biāo)記為B點。B點扭矩為0，該扭矩用于克服井壁靜摩擦力。井下由于動力鉆具的旋轉(zhuǎn)，從井底往上產(chǎn)生一個反扭矩，該扭矩向上傳遞到某一位置，標(biāo)記為C點。C點就是下部摩阻扭矩克服動力鉆具反扭矩的位置，此點扭矩為0。2個位置之間的區(qū)域為安全區(qū)域，安全區(qū)域保證了工具面的穩(wěn)定。地面導(dǎo)向鉆井扭擺減阻扭矩傳遞過程以及臨界點位置如圖2所示。

1.2 鉆柱扭擺作用區(qū)

對于鉆柱單元段的受力情況如圖3所示。

對中心點O取矩，鉆柱受力平衡微分方程分別為^［18］：

式中：T為軸向力，N；M為力矩，N·m；u為軸向位移，m；θ為旋轉(zhuǎn)角度，（°）；F為分布的法向接觸力，N；c₁為鉆井液產(chǎn)生的軸向阻尼系數(shù)，N·s/m；f為軸向摩擦力，N；c₂為鉆井液產(chǎn)生的周向阻尼系數(shù)，N·s/m；m為周向摩擦轉(zhuǎn)矩，N·m；s為鉆柱距鉆臺的深度，m；t為時間，s；ρ為鉆柱密度，kg/m³；ρ_s為纜繩浮力，N/m；A為鉆柱橫截面積，m²；e_t為極坐標(biāo)方向單位長度，m；I_p為鉆柱截面極慣性矩，m⁴；e_g為單位向量；α、φ、α— 為表示井斜角、方位角和平均井斜角，（°）；k_a、k_φ、k_b為井斜角變化率、方位角變化率和總彎曲曲率變化率，無量綱。

（1） 軸向力計算。

計算扭擺前后的軸向力就可以分析鉆柱摩阻的釋放情況，摩阻釋放等效于地面軸向力的變化，在e_t、e_n、e_b這3個方向上的分解力為：

式中：T_t、T_n、T_b為作用在截面上e_t、e_n、e_b方向的內(nèi)力分量，N；F_n和F_b為主法向和副法向分布法向接觸力的分量，N；μ_t為摩擦因數(shù)μ的周向扭轉(zhuǎn)分量；μ_tF_b和μ_tF_n為旋轉(zhuǎn)鉆柱與井壁之間的摩擦力，N，當(dāng)鉆柱系統(tǒng)恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)時，這兩部分?jǐn)?shù)值為0。

（2） 扭矩和彎矩計算。

式中：M_t為扭矩，N·m；G為鉆柱的剪切模量，Pa；M_b為彎矩，N·m；E為鉆柱的彈性模量，Pa；K為管柱單元段的平均曲率，1/m。

式中：D₁為鉆柱內(nèi)徑，m；D₂為鉆柱外徑，m。

（3） 摩擦力與摩擦扭矩計算。

在旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，鉆柱與井壁接觸點的速度扭轉(zhuǎn)分量遠大于軸向分量，而軸向摩擦力通常被忽略。扭擺釋放摩阻機理如圖4所示。

此時摩擦力與摩擦扭矩為：

式中：μ_a為摩擦因數(shù)μ的軸向分量；D_jo為鉆柱直徑，m。

假設(shè)鉆柱與井壁之間有直線接觸。因此，可以得到以下對摩擦因數(shù)的分解：

式中：v_a、v_t為鉆柱與井壁接觸點速度的切向分量和法向分量，m/s。

（4） 法向接觸力計算。

鉆柱彎曲引起的附加側(cè)向力F_E為：

式中：E為鋼材的彈性模量，Pa；I為管柱的截面慣性矩，m⁴；K為管柱單元段的平均曲率，K=β/L，（°）/m。

鉆柱單元段全角變化β計算公式為：

井壁或套管對鉆桿單元段的側(cè)向力F由2個側(cè)向力矢量合成，F(xiàn)_n和F_b分別是主法平面N（即側(cè)向力在全角面內(nèi)）和副法平面B（即側(cè)向力在全角面垂直）分布法向側(cè)向力的分量：

得到鉆柱系統(tǒng)扭擺控制方程為：

為了判斷鉆柱在任意時刻的運動狀態(tài)，需要對每一個單元體的運動狀態(tài)進行分析。判斷鉆柱系統(tǒng)靜摩擦力與合外力的大小，來確定鉆柱單元軸向運動狀態(tài)；通過判斷靜摩擦力矩和合外力力矩的大小，來確定鉆柱單元周向（扭轉(zhuǎn)）運動狀態(tài)。式（11）是鉆柱單元同時滑動和滾動時的控制微分方程。在表面轉(zhuǎn)矩扭擺的作用下，可能會發(fā)生另外3種運動狀態(tài)，即滑動狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和保持靜止?fàn)顟B(tài)。相應(yīng)的控制微分方程修正如下：

（1） 如果v_t≠0并且v_a≠0，則μ=μ_cd。

（2） 如果v_t=0并且v_a≠0，則μ_a=μ_cd、μ_t=0。

其中系數(shù)c_d表示動摩擦相對于靜摩擦的轉(zhuǎn)換。同時旋轉(zhuǎn)鉆進時，法向接觸力F=√ˉˉ1+μ²F_n。

（3） 如果v_t≠0并且v_a=0，則μ_a=0、μ_t=μ_cd。

（4） 如果v_t=0并且v_a=0，則μ_a=μ、μ_t=μ。

1.3 鉆柱反扭矩區(qū)

鉆具反扭矩區(qū)受力模型如圖5所示。

鉆具將鉆井液流動的動能轉(zhuǎn)化成鉆頭破巖的機械能，鉆具輸出扭矩與鉆具內(nèi)部產(chǎn)生的壓差成正比例關(guān)系：

式中：M_bit為鉆具輸出扭矩，N·m；Δp為鉆具工作壓降，MPa；q為鉆具每轉(zhuǎn)排量，L/s。

反扭矩在向上傳遞過程中，鉆柱會產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)角度，該扭轉(zhuǎn)角度為鉆具反扭矩區(qū)扭轉(zhuǎn)角，計算公式為：

式中：L為反扭矩傳遞長度，m。

反扭矩的作用長度通過扭矩反推計算：

根據(jù)鉆柱扭轉(zhuǎn)擺動的初始條件和邊界條件，結(jié)合鉆柱系統(tǒng)井眼軌跡即可求解鉆柱系統(tǒng)扭擺控制方程。

2 鉆柱扭擺力學(xué)模型數(shù)值模擬

結(jié)合上一節(jié)鉆柱系統(tǒng)扭擺控制方程，運用Matlab軟件建立扭擺減阻計算程序，從軸向力變化、鉆壓變化、最大扭擺深度變化進行分析，從而得出扭轉(zhuǎn)角度及扭轉(zhuǎn)速度對滑動扭擺鉆井的影響。

2.1 滑動鉆進載荷傳遞

為研究地面鉆井扭擺減阻效果，首先分析在滑動鉆井過程中托壓現(xiàn)象導(dǎo)致的軸向力變化，設(shè)置軸向力為50 kN，計算滑動鉆井過程中，軸向力隨著井深變化情況。觀察數(shù)值模擬在15、20、45、60 s這4個時刻的軸向力變化，如圖6所示。

由圖6可知，軸向力隨著井的深度的增加逐漸減小，大約在井深2 000 m時開始趨于穩(wěn)定，在接近3 000 m井深時接近為0，此時鉆柱與井壁間的摩阻力大于軸向力，導(dǎo)致托壓問題出現(xiàn)。

2.2 扭擺角度對載荷傳遞的影響

對頂驅(qū)施加如圖7所示正弦的扭擺邊界條件。設(shè)置模擬時間為60 s，扭轉(zhuǎn)速度為50 r/min，觀察轉(zhuǎn)動幅值為100°、200°、300°、400°、500°、600°這6種扭擺運動工況下，計算得出扭擺深度變化情況。扭擺角度對最大扭擺深度的影響如圖8所示。

如圖8所示，在扭擺角度為100°的時候最大扭擺深度為1 732.36 m，在扭擺角度為600°時最大扭擺深度為3 624.67 m。隨著扭擺角度的增加，扭擺深度也在不斷增加。扭擺深度增加意味著扭擺減阻的效率增大，靜摩擦區(qū)減小。

設(shè)置相同的扭擺速度，扭擺時間為60 s，通過輸入不同的扭擺角度，觀察不同扭擺角度對扭擺深度的影響，結(jié)果如圖9所示。

對比不同扭擺角度幅值下的最大扭擺深度，隨著扭擺角度的增加，扭擺深度不斷增加，載荷的傳遞效果增加。結(jié)果表明，在保證速度一定的情況下，扭擺角度越大，最大扭擺深度越深，載荷的傳遞效果也更好。

設(shè)置相同的扭轉(zhuǎn)速度，不同的扭擺角度200°、400°、600°，扭擺時間為60 s，隨時間的變化下，不同扭轉(zhuǎn)角度對井下鉆壓的影響如圖10所示。

由圖10可知：當(dāng)扭擺角度為200°時，鉆壓振幅較大，振蕩頻率較低，井下鉆壓階躍性變化較為強烈，不能保持穩(wěn)定；當(dāng)扭擺角度為600°時，鉆壓振蕩頻率快，鉆壓較為平穩(wěn)，井下鉆壓振蕩幅度減小；扭擺角度過大會導(dǎo)致井底鉆壓振蕩頻率加快，從而增加鉆頭與巖石接觸的摩阻扭矩，反扭矩增加，帶動工具面的轉(zhuǎn)動，降低鉆井效率。

2.3 扭擺扭轉(zhuǎn)速度對載荷傳遞的影響

為了測試扭擺速度對井底鉆壓、工具面變化、最大扭擺深度的影響，對鉆柱系統(tǒng)頂部施加不同扭擺速度20、30、40、50、60、70、80 r/min，設(shè)置扭擺周期為60 s，扭轉(zhuǎn)角度600°，邊界條件如圖11所示，計算扭擺深度隨著扭擺速度的變化情況。結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在扭擺速度為20 r/min時扭擺深度為2 398.01 m，當(dāng)扭擺速度為80 r/min時扭擺深度達到最大值3 489.59 m。隨著扭擺速度的增加，扭擺深度不斷增加，載荷的傳遞效果增加。

設(shè)置相同的扭轉(zhuǎn)角度600°，通過輸入不同的扭轉(zhuǎn)速度，觀察扭擺深度隨著扭擺速度的變化，結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，在保證扭擺角度一定的情況下，扭擺速度越大，最大扭擺深度越深，載荷的傳遞效果也更好。但是應(yīng)該避免最大扭擺深度過大導(dǎo)致靜摩擦區(qū)小于安全范圍，干擾工具面。

觀察扭擺時間為60 s，井下鉆壓在扭轉(zhuǎn)速度為30、50、70 r/min作用下，對井下鉆壓的影響如圖14所示。由圖14可知：當(dāng)扭擺速度為30 r/min時，井下鉆壓出現(xiàn)周期性變化，振蕩頻率較小，振蕩幅度較大；當(dāng)扭擺速度達到70 r/min時，井下鉆壓振蕩頻率加快，變化情況強烈，此時由于扭擺深度也在不斷增加，反扭矩作用區(qū)域加長，鉆壓周期性變化加劇，震蕩幅度也增加，這就導(dǎo)致工具面的穩(wěn)定性被破壞。隨著扭擺速度的增加，井底鉆壓振蕩幅度增加，扭擺速度過大就會導(dǎo)致井底鉆壓振蕩幅度增大，從而增加鉆頭與巖石接觸的摩阻扭矩，反扭矩增加，帶動工具面的轉(zhuǎn)動，降低鉆井效率。

3 鉆柱扭擺試驗裝置

3.1 鉆柱扭擺試驗裝置設(shè)計

地面扭擺鉆柱試驗平臺利用減阻機連接轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤連接下部鉆柱系統(tǒng)，帶動鉆柱系統(tǒng)正反旋轉(zhuǎn)的變頻器控制頂部電機正反旋轉(zhuǎn)。在鉆柱系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時，井筒在下部電動機提高反扭力的同時，對井下鉆柱系統(tǒng)的摩阻進行等效替代，為鉆柱系統(tǒng)提供支撐。石英砂材料設(shè)置在井筒內(nèi)，模擬鉆探的摩擦。下部電機通過蝸輪蝸桿試驗裝置為鉆柱系統(tǒng)提供壓力。整體結(jié)構(gòu)如圖15所示^［19］。

拉壓力傳感器可以同時測試?yán)蛪毫ψ兓?，集拉力和壓力傳感器于一體。傳感器一端固定在試驗臺架上，通過小型升降平臺（蝸輪蝸桿傳動）手動調(diào)節(jié)鉆壓，另一端與鉆柱相連。拉壓力傳感器在使用時，注意放置方向，記錄井底鉆壓的大小，把數(shù)據(jù)通過TX-C1智能顯示儀采集和記錄下來，可實時監(jiān)測井底鉆壓的變化情況。

CYB-808C智能型扭矩儀兩端通過聯(lián)軸器與鉆柱和伺服電機相連，用于測量地面輸入扭矩的變化，可以輸出正反扭矩信號。

通過動扭傳感器監(jiān)控程序的扭矩變化曲線和轉(zhuǎn)速變化曲線來觀察鉆柱的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2 扭擺角度對載荷傳遞的影響

在鉆柱扭擺鉆井過程中，鉆柱扭擺可以減小摩阻，同時提高鉆井效率。但扭擺運動也會使工具面產(chǎn)生波動進而影響井眼軌跡。井底鉆壓變化反映工具面波動和載荷傳遞情況，鉆壓變化平穩(wěn)，表明地面減阻效果較好，工具面波動較小，黏滑現(xiàn)象有一定抑制作用。

為了分析扭擺角度對載荷傳遞的影響，設(shè)置初始鉆壓為50 kN，扭擺角度為200°、400°、600°，得出如圖16所示的鉆壓變化曲線。

由圖16可知：當(dāng)?shù)孛媾[角度為200°時，鉆壓振蕩頻率較低，振蕩周期較長，振蕩幅度較大，鉆壓變化情況不穩(wěn)當(dāng)；當(dāng)扭擺角度增加600°時，鉆壓振蕩頻率高，振蕩幅度減小，鉆壓較為平穩(wěn)，可保證在扭擺過程中工具面更加平穩(wěn)。試驗結(jié)果顯示：扭擺角度太小，鉆壓不穩(wěn)定，不利于鉆進過程；適當(dāng)增加扭擺角度，鉆壓更加穩(wěn)定，同時降低摩阻，對鉆進效率更有利。

3.3 扭擺速度對載荷傳遞的影響

扭擺速度對鉆壓的影響如圖17所示。由圖17可知：當(dāng)扭轉(zhuǎn)速度為30 r/min時，鉆壓振蕩幅度較小，振蕩周期較長，鉆壓不平穩(wěn)，地面扭擺減阻效果差；當(dāng)扭轉(zhuǎn)速度為50 r/min時，鉆壓波動短暫時間后趨于穩(wěn)定，此時地面扭擺減阻效果較好，工具面波動范圍較小；當(dāng)扭轉(zhuǎn)速度為70 r/min時，鉆壓振蕩幅度較大，鉆壓不穩(wěn)定，同時鉆柱轉(zhuǎn)動較快，甚至帶動井下工具面一起轉(zhuǎn)動，扭擺減阻效果差。

試驗結(jié)果表明，隨著扭擺速度的增加，鉆壓變得更加平穩(wěn)，工具面也趨于平穩(wěn)。故在保持工具面穩(wěn)定的同時，適當(dāng)增加扭擺速度，能起到降摩減阻的作用；但是應(yīng)該避免扭擺速度過大導(dǎo)致鉆壓振蕩劇烈，工具面不平穩(wěn)。

4 HWT97004水平井現(xiàn)場鉆井試驗應(yīng)用

4.1 HWT97004水平井情況

HWT97004井位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起紅-車斷裂帶上盤車峰3井區(qū)。該井設(shè)計井深574.80 m，設(shè)計工期13.0 d，實際完鉆井深570.00 m，全井實際工期13.0 d。斜井段設(shè)計鉆進工期1.5 d，斜井段實際鉆進工期3.06 d。

4.2 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 HWT97004井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

HWT97004井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2.2 HWT97004井井身剖面設(shè)計數(shù)據(jù)

HWT97004井井身剖面設(shè)計數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 HWT97004現(xiàn)場應(yīng)用

4.3.1 直井段施工

HWT97004水平井于2019年8月3日14：00一開開鉆，2019年8月3日17：30一開完鉆，完鉆井深25 m，一開表層套管下深25 m，2019年8月3日20：00固井候凝。

4.3.2 造斜段施工

2019年8月4日23：00自28 m定向造斜。按照設(shè)計要求控制井眼軌跡，保證軌跡平滑。2019年8月6日14：00，鉆至井深296 m，實鉆井眼軌跡進入A靶窗。純鉆時間39 h，進尺268 m，平均機械鉆速6.87 m/h。

4.3.3 水平段施工

2019年8月11日11：00開始水平段鉆進，控制鉆頭扭轉(zhuǎn)速度為50 r/min，井下每鉆進10 s，井下工具就向扭擺控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜臺發(fā)送扭擺數(shù)據(jù)?？刂破渑[角度為400°左右，通過頂驅(qū)調(diào)控鉆進參數(shù)。8月14日3：00水平段鉆至井深570 m，按設(shè)計要求完鉆。純鉆時間64 h，進尺274 m，平均機械鉆速4.28 m/h。

4.4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

對上述HWT97004井增斜、穩(wěn)斜、扭向典型井段實鉆試驗進行總結(jié)，得出如下認識：①現(xiàn)場施工人員在本井施工過程中，需對井軌進行嚴(yán)格控制，以平段鉆進為主進行微調(diào)，使井軌井斜調(diào)整幅度盡量減小；②在鉆進過程中，控制扭擺角度為400°左右，扭擺速度為50 r/min左右，更有利于鉆井效率，可根據(jù)井下數(shù)據(jù)及時反饋，通過扭擺控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜臺調(diào)整扭擺速度與角度，提高鉆井效率；③經(jīng)過扭擺速度與扭擺角度的調(diào)整，目標(biāo)工具面的偏移量明顯小于初期值，滑動鉆進工具面符合率達到96%。

5 結(jié) 論

（1）環(huán)空寬間隙處砂粒平穩(wěn)運移，主要以層流方式上返運動；環(huán)空窄間隙處砂粒主要以翻滾，迂回，躍移的形式進行運動，由于窄間隙處流域較窄，砂粒運移速度明顯滯后于環(huán)空寬間隙處，且部分砂粒會聚集、回旋并沉積，主要沉積在斜井段末尾接近水平段處。

（2）排量在600～1 000 L/min時，排量越大，攜砂效果越好，整個環(huán)空流道內(nèi)的砂粒沉積越少；沖砂液黏度范圍在5～45 mPa·s時，黏度越大，攜砂效果越好，整個環(huán)空流道內(nèi)的砂粒沉積越少；砂粒粒徑越大，沖砂液攜砂效果越差達到沉積平衡狀態(tài)時，整個環(huán)空流道內(nèi)的含砂量越大；沖砂液密度在800～1 000 kg/m³，密度為900 kg/m³時，攜砂效果最好；井斜角在15°～75°時，井斜角越小，攜砂效果越好，整個環(huán)空流道內(nèi)的砂粒沉積越少。

（3）在斜井段沖砂過程中，砂粒粒徑及沖砂液黏度對攜砂效果影響最大沖砂液排量影響次之，沖砂液密度對攜砂效果的影響較小。綜合試驗結(jié)果，建議現(xiàn)場作業(yè)沖砂液排量選取為800 L/min左右，所使用的沖砂液黏度為35～45 mPa·s，推薦胍膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%。

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第一作者簡介：丁 恒，生于1999年，在讀碩士研究生，研究方向為油氣鉆采機械及其智能化。地址：（434023）湖北省荊州市。電話：（0716）8062600。email：1653567926@qq.com。

通信作者：易先中，教授。email：yxz@yangtzeu.edu.cn。