定向滑動(dòng)鉆進(jìn)控制新方法研究

1、定向滑動(dòng)鉆進(jìn)控制新方法研究李智鵬1，易先中2， 陶瑞東 1 ，尤軍1，張建榮 1 ，許京國(guó)1（ 1. 中國(guó)石油渤海鉆探第三鉆井公司天津大港300280； 2. 長(zhǎng)江大學(xué)，湖北荊州434023）摘 要： 針對(duì)螺桿鉆具在定向鉆井過(guò)程中由于井眼摩阻大所導(dǎo)致的工具面調(diào)整困難和滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓?jiǎn)栴}，利用頂驅(qū)精確定位和左右旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)基于頂驅(qū)可編程控制器（ PLC）和傳感器于一體的滑動(dòng)鉆進(jìn)控制系統(tǒng)。本文深入研究和分析了鉆具滑動(dòng)前后摩擦力的變化規(guī)律和控制扭矩旋轉(zhuǎn)鉆具減小井眼摩阻的方法。通過(guò) 5 個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，依據(jù)定向工程師的經(jīng)驗(yàn)和推理方法，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的控制程序，建立以PLC為核心

2、的人機(jī)控制界面，PLC計(jì)算調(diào)整工具面所需的旋轉(zhuǎn)角度，將工具面準(zhǔn)確調(diào)整到設(shè)計(jì)的工具面角度；根據(jù)大鉤懸重和壓差?P 判斷托壓，出現(xiàn)托壓時(shí)PLC計(jì)算不改變工具面的旋轉(zhuǎn)扭矩，以計(jì)算的扭矩為限值左右旋轉(zhuǎn)鉆具減小井眼摩阻，直到壓差?P0， 解決滑動(dòng)托壓。研究表明，新方法能大幅減小井眼摩阻，提高機(jī)械鉆速；其方法是目前解決螺桿鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)最有效的控制方法。關(guān)鍵詞：滑動(dòng)鉆進(jìn)工具面角度托壓 扭矩 傳感器控制系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TE 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0890 （ 2014） 03-New directional slide drilling control system and control ap

3、proachLi Zhipeng 1, Yi Xianzhong 2, Tao Ruidong1, You Jun1, Zhang Jianrong 1, Xu Jingguo 1（ 1. Third Drilling Company, BoHai Drilling Engineering Company, PetroChina, Dagang,Tianjin, 300280,China; 2. Yangtze University, Jingzhou, HuBei,434023,China ）Abstract： Using screw drill during directional dri

4、lling, due to the high drag of the wellbore, aiming at adjustment difficulty of tool face as well as off WOB problem in slide drilling, utilizing characteristics of accurate positioning and left and right rotation from top drive, a slide drilling control system based on the top drives programmable l

5、ogic controller （PLC） integrated with sensors is being researching and developing. Aiming at the variation of the friction about drill string in sliding before and after, as well as the method of reducing wellbore drag by controlling drill string rotary torque, this paper is conducted in-depth resea

6、rch and analysis. Through the real-time data acquisition of 5 sensors, based on the experiences and reasoning methods of directional engineers, which are converted to a set of control program being executed by the computer, a man-machine control interface with the core of PLC is to be built. The PLC

7、 calculates the rotary angle required to be adjusted the tool face and then the tool face angle is to be accurately adjusted to the design tool face angle; According to the hook weight and differential pressure to determine off WOB, if it is true,PLC calculates the rotary torque value without making

8、 the changes of the tool face angle and then the top drive rotates the drill string left and right by using calculated torque value to reduce the wellbore drag until the differential pressure is more than zero, and sliding off WOB will be solved. Study shows that the new method can significantly red

9、uce wellbore drag and improve the ROP. The method is currently the most effective method for solving screw drill slide drilling.Keywords: Slide drilling, Tool face angle, off WOB, Torque, Sensor, Control system定向井和水平井大都采用螺桿鉆具加MWD系統(tǒng)實(shí)施鉆井作業(yè)，滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭靠螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，在曲線段和水平段鉆進(jìn)時(shí)，由于部分鉆具躺在井眼下側(cè)，鉆具與井壁的靜摩擦力增大，摩擦力

10、的增大給鉆頭施加鉆壓和工具面定向帶來(lái)極大困難，頻繁出現(xiàn)滑動(dòng)托壓， 滑動(dòng)鉆進(jìn)是目前嚴(yán)重制約定向鉆井提速的技術(shù)瓶頸，為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)外早在數(shù)年前就開(kāi)始研究滑動(dòng)鉆進(jìn)的控制方法，Colin Gillan 等人在文獻(xiàn)5 中利用頂驅(qū)精確旋轉(zhuǎn)定位的方法和扭矩控制原理，已開(kāi)發(fā)出高效的控制系統(tǒng)，有效解決了快速工具面定向和滑動(dòng)托壓?jiǎn)栴}。通過(guò)文獻(xiàn)4、 5了解到，運(yùn)用已開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)鉆成了近千口定向井和水平井，機(jī)械鉆速和鉆井效率顯著提高。國(guó)內(nèi)目前尚未開(kāi)發(fā)出類似的控制系統(tǒng)，仍采用人工控制定向鉆進(jìn)，因此， 機(jī)械鉆速和鉆井效率很低。本文針對(duì)國(guó)外這一領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在吸取國(guó)外技術(shù)的同時(shí)，研究出具有自主特色的控制

11、方法，正在開(kāi)發(fā)類似的控制系統(tǒng)?；瑒?dòng)摩擦分析Eric Maidla 在文獻(xiàn) 3 中闡述了物體滑動(dòng)前后靜摩擦與動(dòng)摩擦隨時(shí)間變化的分析結(jié)果。摩擦力的大小等于摩擦系數(shù)乘以鉆具與井壁及套管內(nèi)壁累積的側(cè)向接觸力，在井斜較大的情況下， 司鉆下放鉆具施加鉆壓時(shí)井眼的靜摩擦力會(huì)隨之增大，當(dāng)下放的重力分量不足以克服井眼的靜摩擦力時(shí)會(huì)出現(xiàn)托壓，一旦井眼的靜摩擦被克服，滑動(dòng)摩擦?xí)S之減小。鉆具開(kāi)始向下滑動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)稱為靜摩擦系數(shù)，一般靜摩擦系數(shù)比滑動(dòng)開(kāi)始后的動(dòng)摩擦系數(shù)大約25%（見(jiàn)圖1）。Fig.1 The changes analysis of an object friction for sliding bef

12、ore and after扭矩控制原理理解扭矩與反扭矩對(duì)井眼摩阻的影響十分重要?；瑒?dòng)鉆進(jìn)托壓時(shí)，由頂驅(qū)發(fā)起的鉆具左右旋轉(zhuǎn)和鉆具向前運(yùn)動(dòng)的共同作用下產(chǎn)生一個(gè)速度向量，Sawaryn 等人在文獻(xiàn)1中闡述了速度分量是鉆具沿整個(gè)井眼軌跡運(yùn)動(dòng)的函數(shù)，向量的方向和幅度決定井眼摩阻的減小程度，左右旋轉(zhuǎn)鉆具可以降低井眼的軸向摩阻，在理想工具面時(shí)，讓鉆具從地面旋轉(zhuǎn)至井下鉆具的某一位置，在這個(gè)位置，旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的扭矩對(duì)抗井壁摩擦使鉆具停止旋轉(zhuǎn)；同時(shí)， 由鉆頭產(chǎn)生的反扭矩向上傳送至鉆具的某個(gè)位置，這個(gè)位置就是克服井底鉆具組合和下部鉆具反扭矩的位置，這個(gè)位置稱為干擾點(diǎn)，干擾點(diǎn)與鉆頭之間的區(qū)域稱為干擾區(qū)，如果地面旋轉(zhuǎn)鉆

13、具的深度進(jìn)入了干擾區(qū)，就會(huì)影響工具面角度。為了使鉆具從地面的旋轉(zhuǎn)不進(jìn)入干擾區(qū)，需根據(jù)每次現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)采集的鉆頭在底和離底扭矩的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)精確計(jì)算執(zhí)行鉆具左右旋轉(zhuǎn)。在理想工具面時(shí)，要達(dá)到不影響工具面就必須控制好扭矩和鉆具旋轉(zhuǎn)的深度。Eric Maidla 在文獻(xiàn) 2中論述了控制扭矩旋轉(zhuǎn)對(duì)鉆具深度的影響。圖 2 描述了旋轉(zhuǎn)扭矩隨時(shí)間變化的理論分析。反扭矩為Td-Tc， Tb 表示在該點(diǎn)之上增加地面扭矩會(huì)改變工具面角度。圖3 引用了 Eric Maidla 在文獻(xiàn) 3中闡述的鉆進(jìn)托壓時(shí)實(shí)測(cè)的左右旋轉(zhuǎn)扭矩與上扣、卸扣扭矩的分析結(jié)果。對(duì)于這項(xiàng)特殊的作業(yè)，左右旋轉(zhuǎn)扭矩大 大低于上扣和卸扣扭矩，因此。不會(huì)出

14、現(xiàn)反轉(zhuǎn)卸扣的問(wèn)題。果，屏，操作干預(yù)，控制干預(yù)包括：控制頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、扭矩、角偏移和旋轉(zhuǎn)方向等，控制程序是將最有經(jīng)驗(yàn)的定向工程師和定向司鉆的操作方法設(shè)計(jì)成計(jì)算機(jī)能自動(dòng)執(zhí)行的操作程序，新定向控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法在頂驅(qū)鉆機(jī)上著手研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定向控制系統(tǒng)。Fig.2 Theoretical analysis results of rotary torque with time change are shown in above3 通過(guò)液壓計(jì)實(shí)測(cè)的旋轉(zhuǎn)扭矩和上扣、卸扣扭矩Fig.3 Rotary torque, makeup and breakout torque measured by a hyd

15、raulic gauge本文深入研究了Colin Gillan 等人在文獻(xiàn)6中描述的開(kāi)發(fā)方法和文獻(xiàn)7中的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效頂驅(qū)可編程控制器內(nèi)裝一套控制程序，定向司鉆可以通過(guò)顯示屏直接向頂驅(qū)輸入指令和控制系統(tǒng)配有一個(gè)人機(jī)顯示這就是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的出發(fā)點(diǎn)。3.1 系統(tǒng)控制架構(gòu)控制系統(tǒng)由一個(gè)可編程控制器、一組傳感器、一個(gè)人機(jī)顯示和輸入界面、鉆具左右旋轉(zhuǎn)控制器和一套控制軟件組成，可編程控制器與頂驅(qū)共用。圖 4 描述了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，所旋轉(zhuǎn)方向和鉆桿角偏移的精確控制，最終實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確有組件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、扭矩、圖 4 定向滑動(dòng)鉆進(jìn)控制架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Control architecture design of

16、 directional slide drilling3.2 顯示界面圖 5 設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)顯示界面，為用戶提供各種相關(guān)鉆井參數(shù)和滑動(dòng)鉆進(jìn)的操作控制，以表盤式工具面顯示為中心，黑針、藍(lán)針、黃針?lè)謩e代表鉆桿角偏移、MWD實(shí)測(cè)工具面和設(shè)計(jì)工具面角度，表盤中深紅色部分為設(shè)計(jì)工具面角度的允許扇區(qū)；藍(lán)色實(shí)心圓為重力工具面。顯示界面讓定向工程師和司鉆清晰的知道當(dāng)前工具面角度的所在位置，通過(guò)可編程控制器控制， 準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)頂驅(qū)主軸調(diào)整和控制工具面角度，跟蹤監(jiān)測(cè)工具面的變化。系統(tǒng)可以自動(dòng)執(zhí)行，也可以人工干預(yù)執(zhí)行。5 系統(tǒng)顯示界面Fig.5 System display interface控制組件控制組件執(zhí)行用戶設(shè)

17、計(jì)的控制程序，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)接管頂驅(qū)控制，加速或減速頂驅(qū)主軸使其轉(zhuǎn)動(dòng)到指定的位置，緊急情況下系統(tǒng)可以迅速停止或關(guān)閉，頂驅(qū)主軸減速至停止，主軸剎車自動(dòng)剎死?；究刂品椒焖俟ぞ呙娑ㄏ颍荷咸徙@頭距井底5 8m的位置，循環(huán)鉆井液至鉆進(jìn)流速，采集大鉤靜重和循環(huán)泵壓Poff ， 以鉆具中性扭矩為零坐標(biāo)，低速勻速右旋頂驅(qū)至最大扭矩，采集鉆頭離底時(shí)的最大右旋扭矩Toff-R 、停止鉆具旋轉(zhuǎn)，等待MWD實(shí)測(cè)工具面，確定鉆桿角偏移、實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)工具面角度，以實(shí)測(cè)工具面角度與設(shè)計(jì)工具面角度順時(shí)針之差的角度右旋頂驅(qū)，將工具面準(zhǔn)確設(shè)定在設(shè)計(jì)的工具面角度?？刂沏@進(jìn)托壓：以 Hw0，保持最佳壓差和鉆壓滑動(dòng)鉆進(jìn)。4 控制流程在系

18、統(tǒng)顯示界面的協(xié)助下執(zhí)行防托壓滑動(dòng)鉆進(jìn)控制程序：6 防托壓滑動(dòng)鉆進(jìn)控制流程Fig.6 Slide drilling control procedure with prevention of off WOB5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用由于我國(guó)的新定向鉆進(jìn)控制系統(tǒng)還在研制當(dāng)中，這里以國(guó)外鉆井舉例來(lái)說(shuō)明這一技術(shù)的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)5中ROC石油公司在中國(guó)天津近海約5公里、平均水深5 米的鉆井平臺(tái)上進(jìn)行鉆井作業(yè)，為了鉆進(jìn)油氣層，井眼軌跡幾乎都是三維的，常需要復(fù)雜定向，長(zhǎng)時(shí)間定向鉆進(jìn)是為了充分改變井眼方位；根據(jù)井眼設(shè)計(jì)軌跡，通常采用螺桿鉆具與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向結(jié)合的方式進(jìn)行定向鉆進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)井眼方位變化大于60 時(shí)只能用

19、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)來(lái)完成， 而螺桿鉆具鉆進(jìn)的效果很差，甚至無(wú)法完成全井定向；為了節(jié)約鉆井成本，作業(yè)者使用了新定向鉆進(jìn)控制系統(tǒng)。例 1 給出使用新系統(tǒng)成功鉆的一口井；例 2 給出了使用新系統(tǒng)前后多口井鉆井參數(shù)的對(duì)比分析。例 1 。 在這個(gè)例子中，同一鉆井平臺(tái)相同目的層鉆了兩口井；采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆成了A井，采用螺桿鉆具和新定向控制系統(tǒng)鉆成了B 井， A 井和 B 井方位變化均超過(guò)69，井斜超過(guò)55，見(jiàn)圖7。圖 7 A 井和 B井水平投影Fig.7 A well and B well horizontal projection現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)表明，在井斜、 位移和方位變化適度的情況下，新定向鉆進(jìn)控制系統(tǒng)完全能取

20、代旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)完成全井定向鉆井作業(yè)，為作業(yè)者節(jié)省了很大一筆鉆井成本。例 2。表 1 使用新定向控制系統(tǒng)前后的鉆井參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of drilling parameters before and after using the new directional control system新系統(tǒng)鉆井口數(shù)平均鉆進(jìn)井段（m） MD平均垂深（ m）井斜大于75所鉆的井段占總井段的%機(jī)械鉆速（ m/hr）總的機(jī)械鉆速（ m/day）未使用102897.121613.921628.71319.13使用1326671521.871642.40355.09數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，使用新定向

21、控制系統(tǒng)，平均機(jī)械鉆速提高了47.7%，全井機(jī)械鉆速提高了 11.3%。 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，新定向控制系統(tǒng)可以顯著提高定向控制能力和滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速，定向工程師和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員認(rèn)為，新定向控制系統(tǒng)是定向鉆井作業(yè)最佳的輔助工具。6 結(jié)束語(yǔ)新定向滑動(dòng)鉆進(jìn)控制系統(tǒng)是一個(gè)基于頂驅(qū)的地面控制系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)無(wú)需添加任何新的井下工具，因此，不會(huì)增加新的井下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；系統(tǒng)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的人機(jī)操作界面，為定向工程師和司鉆提供了一個(gè)有效的輔助工具；滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，使用該系統(tǒng)可以改善鉆壓傳遞，提高工具面的控制能力，有效解決了滑動(dòng)托壓、工具面調(diào)整與控制等技術(shù)難題，由此獲得滑動(dòng)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速和鉆井效率的顯著提高，與滑動(dòng)托壓、工具面

22、定向等傳統(tǒng)做法有關(guān)的非生產(chǎn)時(shí)間得到顯著降低；在螺桿鉆具加MWD系統(tǒng)鉆三維復(fù)雜定向井和水平井的應(yīng)用中，新定向控制系統(tǒng)已被證明發(fā)揮了重要作用。在定向井、水平井和大位移井占據(jù)石油鉆井市場(chǎng)主要份額的當(dāng)今和未來(lái)，新定向控制系統(tǒng)無(wú)疑是提高機(jī)械鉆速和鉆井效率的有效方法，其使用性價(jià)比優(yōu)于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，新系統(tǒng)可用于任何螺桿鉆具加MWD系統(tǒng)的定向鉆井作業(yè)，這一技術(shù)和方法還需深入研究、不斷完善，形成規(guī)?；褂?，未來(lái)的應(yīng)用前景將十分廣泛。參考文獻(xiàn)ReferencesS.J. Sawaryn, et al. A Compendium of Directional Calculations Based on the Minimum Curvature Method ， SPE 84246， October 2003.Eric Maidla, Marc Haci, Understanding Torque: The Key to Slide Drilling Directional Wells ， SPE 87162, March 2004.Eric Maidla, Marc Haci, et al. Field Proof of the New Sliding Tech