頂驅軟扭矩系統現狀及發展趨勢

蔣建華

（中國石油長城鉆探頂驅技術分公司，北京 100101）

頂驅軟扭矩系統現狀及發展趨勢

蔣建華

（中國石油長城鉆探頂驅技術分公司，北京 100101）

隨著國際石油鉆井市場競爭日益加劇，對鉆井裝備的要求越來越高，頂驅（頂部驅動鉆井裝置）已成為海外石油鉆井設備的標準配置。為了充分發揮頂驅在鉆井作業中的優越性，頂驅軟扭矩系統隨之應運而生。近年來的海外石油鉆井市場，對頂驅軟扭矩系統的需求越來越多，在一些招標合同中，明確要求配備頂驅軟扭矩系統。本文分析了頂驅軟扭矩系統的應用現狀，提出了未來的發展趨勢。

石油鉆井；驅動設備；控制系統；研究現狀；發展趨勢

頂驅在鉆井作業中具有較強的鉆井事故處理能力和提高鉆井時效的優越性，因而成為國際鉆井作業中的重要裝備，國內不少鉆機在進行鉆井作業時也配置了頂驅。為了充分發揮頂驅的優越性，有效規避井底鉆具粘滑現象的發生，從而減少井下復雜情況，頂驅軟扭矩系統隨之應運而生，而且得到越來越多的認可。

1 頂驅軟扭矩系統的應用現狀

1.1 頂驅軟扭矩系統的發展

（1）粘滑現象。鉆井過程中通常會發生鉆具粘滑現象，即井底鉆具介于完全粘著接觸和滑動接觸之間的一種運動形式。正常旋轉鉆井時，鉆柱保持恒定轉速，隨著井底摩擦阻力的增大，井底鉆具會“粘附”在井底，這種“粘附”會一直持續到鉆具扭矩超過鉆具的靜態扭矩，此時鉆具會突然松開并快速旋轉，鉆具此時的瞬時旋轉速度高達鉆具正常旋轉速度的3～5倍，隨后鉆具轉速又會逐漸降低,直到鉆具再一次因扭矩過大而停滯。鉆井過程中的這種現象,即為鉆具的粘滑現象，表現為頂驅輸出扭矩呈鋸齒形波動和井底鉆具轉速急劇震動。鉆具粘滑經常伴隨井下震動，損傷鉆頭，縮短鉆頭壽命，也會引起井下儀器（MWD/LWD）失效，這不僅會增加鉆井作業成本，而且會大大增加鉆井作業風險。

（2）軟扭矩系統的出現。為了解決鉆具粘滑的問題，鉆井作業現場采用了提高鉆頭轉速，減小鉆壓、改善鉆井液潤滑性能等措施，但效果并不理想。為此，許多專家和工程技術人員做了大量的研究工作，建立了基于鉆柱扭轉的鉆柱粘滑振動數學模型，得到鉆柱粘滑振動的一般規律，并提出了鉆柱軟扭矩系統的控制方案。荷蘭EP（Electroproject）公司和美國 NOV（National Oilwell Varco）公司就是基于這種方案，開始合作開發，后來又在此基礎上獨自研究發展出了各自的軟扭矩系統。軟扭矩系統是基于鉆具粘滑現象作用機理而研發的，通過降低鉆具的臨界轉速，可有效地規避鉆具粘滑現象的發生。

1.2 頂驅軟扭矩系統的工作原理

（1）頂驅軟扭矩系統理論背景。頂驅是一套多功能電力驅動裝置，與鉆頭通過鉆柱相連接，鉆柱在鉆頭和頂驅之間就像一根扭矩彈簧產生形變。在頂驅和鉆柱之間模擬一個扭矩彈簧和阻尼器模型，通過適時調整頂驅轉速對鉆柱產生的彈性勢能進行適當補償調節，即可達到降低鉆柱彈性勢能的積蓄，從而抑制井底鉆具粘滑現象的發生，獲得相對平滑的扭矩曲線。頂驅軟扭矩系統理論背景如圖1所示。

（2）工作原理。目前頂驅軟扭矩系統主要有兩種控制方案，其硬件構成基本相同，只是在原頂驅系統外增加了一套頂驅主電機控制器的軟扭矩控制系統，和頂驅系統的PLC并聯控制頂驅主電機控制器，在不使用頂驅軟扭矩系統的情況下，不會對頂驅原系統造成影響，如圖2所示。

一種方案是通過井下鉆具組合計算出一個剛度系數KF和阻尼系數CF的參數值，將這兩個參數值輸入頂驅軟扭矩系統，由軟扭矩系統和頂驅本身的PLC并聯控制頂驅的電機控制器，當這兩個參數值離預期值不太遠時，軟扭矩系統就能控制頂驅電機進行速度調節，輸出合理的轉速，抑制井底鉆具粘滑現象的發生。EP公司和NOV公司的軟扭矩系統均采用這種方案。

另一種方案是通過實時檢測頂驅電機的扭矩和速度，提前預測井下鉆具運轉趨勢，根據預測的趨勢判斷是否需要對系統進行補償，利用一個速度補償信號作為系統的反饋補償，在反饋補償的作用下使得頂驅扭矩得到改變，經過改善的扭矩使得井底鉆具轉速遠離粘滑區域，從而規避井底鉆具的粘滑現象發生。部分國內公司研究開發的頂驅軟扭矩系統就采用這一方案。

圖1 頂驅軟扭矩理論背景

圖2 頂驅系統和軟扭矩系統組成示意圖

1.3 頂驅軟扭矩系統現狀

（1）頂驅軟扭矩系統產品。目前最為成熟的頂驅軟扭矩系統主要有EP公司的EPST（Electro Project Soft Torque）系統和NOV公司的SOFT SPEED系統，在國內外鉆井現場均在使用。近幾年來，國內頂驅制造商也相繼開發出了自己的頂驅軟扭矩系統，如北京的北石頂驅、四川的宏華頂驅、遼寧的天意頂驅、山東的景宏頂驅等，但目前均處于試驗試用階段，并沒有得到較多現場的應用檢驗。EP公司和NOV公司軟扭矩系統現場使用效果曲線如圖3所示。在軟扭矩系統起動前，頂驅扭矩呈鋸齒形周期波動，轉速平穩；在軟扭矩系統剛啟動時，頂驅扭矩波動幅度開始逐漸減小，但轉速會有較大波動；在軟扭矩系統啟動約20s后，系統進入正常工作狀態，頂驅扭矩和轉速均基本平穩，對井底鉆具出現的粘滑現象具有良好的抑制效果。

（2）頂驅軟扭矩系統的優點。第一，可有效降低粘滑卡鉆的概率，使井下鉆具組合在理想的轉速和鉆壓下工作。第二，減輕鉆進過程中的鉆柱振蕩程度，提升鉆進速度和井眼質量，縮短鉆井周期。第三，減輕鉆頭等的磨損，減少起下鉆次數。第四，使鉆進作業平穩，減小對頂驅的沖擊和震動，延長頂驅使用壽命。第五，提高鉆井作業的安全性，可顯著降低鉆井綜合成本。第六，軟扭矩系統易于安裝，只需用2根數據線與頂驅電控房進行連接即可。

（3）使用中存在的問題。第一，系統互換性差，一套軟扭矩系統安裝到一臺頂驅上使用后，就不能直接換到另一臺頂驅上使用。第二，頂驅軟扭矩系統只能用于交流頂驅和現代直流頂驅。第三，頂驅軟扭矩系統對井深和鉆具配置有一定的要求。第四，在使用過程中，要隨著井深的變化對軟扭矩系統參數進行相應的調整。第五，軟扭矩系統計算出來的參數可能不夠準確，需要作適當的調整。

圖3 頂驅軟扭矩系統開啟前后曲線對比

（4）使用現狀。①頂驅軟扭矩系統目前在國內外鉆井市場應用并不普遍，但有迅速普及的趨勢。去年以來，國內外鉆井招標活動中，多數都要求配備頂驅軟扭矩系統。去年我公司在阿曼市場、阿爾及利亞市場和國內市場共配備了9套NOV公司和EP公司的軟扭矩系統。②目前的頂驅軟扭矩系統都需要對井下鉆具組合的動態參數進行精確分析，由系統計算出參數，或者根據經驗估算出可能的參數并由人工輸入，再根據系統實際表現進行適當修正，以達到理想效果。同時，鉆柱轉速需要大于一個臨界速度，軟扭矩系統才能起作用。③EP公司和NOV公司從20世紀90年代初期就開始試驗應用，目前已有了各自基本成熟的軟扭矩系統。國內外鉆井作業現場應用的大都是這兩家公司的軟扭矩系統。我國的頂驅軟扭矩系統研究起步較晚，已有數家頂驅制造商開展這方面的工作，目前還都處于試用階段。

2 頂驅軟扭矩的發展趨勢

2.1 將成為鉆井設備的標準配置

頂驅軟扭矩系統是依據鉆具粘滑現象作用機理而研發，通過合理使用，可有效地規避井底鉆具粘滑。國內外鉆井作業現場證實，此系統能消除鉆具粘滑現象，有效減少卡鉆事故、保護頂驅和鉆具、提高作業時效等。從我公司去年配備的9套軟扭矩系統的實際使用效果來看，應用軟扭矩系統可減少40%的粘滑現象發生，同時可提高機械鉆速20%。其良好的應用效果已獲得眾多石油公司的認可。從石油鉆井行業頂驅軟扭矩系統使用現狀和國際石油鉆井設備的發展動態來看，頂驅軟扭矩系統將會很快成為石油鉆井設備的標準配置。

2.2 向自動化和智能化發展

目前的頂驅軟扭矩系統在使用過程中，需要根據井深和井底鉆具組合的變化情況不斷調整系統參數，以達到理想的控制鉆具粘滑現象發生的目的。各軟扭矩系統開發商都重視這方面的研發工作，不斷進行升級改造，提高其產品的使用效果和不同鉆井現場的通用性，以期實現完全自動化和智能化。

2.3 將會更加先進并與頂驅集成一體

隨著石油鉆井設備自動化水平的發展，以及井下工況實時監測設備及技術的進步，人們對井底鉆具轉速和扭矩的動態變化，以及粘滑現象會有更加全面的理解和認識，從而研究設計出更加先進和效果更好的頂驅軟扭矩系統。為了提高頂驅性能，軟扭矩系統必將集成到頂驅系統內，成為頂驅系統不可分割的部分。

[1]王建平,王定峰,王雄飛,張宏亮．鉆具粘滑現象分析及軟扭矩系統在長北氣田的應用[J]．石油化工應用，2012,12:51～55．

[2]EPST Electroproject Soft Torque, Electroproject Aandrijftechniek Computerweg RH 211033,Amsterdam, The Netherlands,2012．

[3]SoftSpeed2-OPM-001，National Oilwell VARCO Norway AS P．O．Box 81814069 Stavanger Norway．REV 1．10．2014．

[4]北石頂驅新技術介紹．中國石油集團鉆井工程技術研究院北京石油機械廠，2015．10．

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