PIPE ROCK鉆柱扭擺系統應用評價

韓烈祥 張繼川 劉 偉

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2.國家能源頁巖氣研發（實驗）中心

0 引言

滑動鉆井是經典定向井、水平井軌跡控制的主要方式[1-7]。常規滑動定向鉆井過程中，由于鉆具不旋轉，靜摩擦力隨著水平段延長在鉆柱上積累出現“托壓”現象，鉆壓不能有效傳遞乃至鉆柱發生屈曲，導致鉆井速度慢、純鉆時效低、井下管柱、工具過早損壞等一系列問題，甚至誘發卡鉆等復雜事故，鉆井作業風險大[8]，嚴重制約了水平段長度增加與定向鉆井速度提高。

鉆柱扭擺系統是近年發展起來的一種應用于常規滑動定向鉆井的輔助工具，通過頂驅對鉆柱施加正反向的扭轉，帶動鉆柱進行周期性的交互旋轉，釋放鉆柱摩阻和扭矩[1]，緩解因鉆柱不旋轉導致的“托壓”現象，從而提高定向效率。

目前，國內外已經存在一些鉆柱扭擺系統，其中具有代表性的包括斯倫貝謝公司的Slider系統和北京石油機械廠的TDRD系統等。斯倫貝謝公司于2004年最早實現了鉆柱扭擺系統的商業化，其Slider系統在中東地區及美國頁巖氣累計已應用了超過800口水平井[9-10]，取得了良好的應用成效，應用結果顯示，使用該系統定向鉆進能鉆出更長的水平段，減輕鉆柱彎曲或屈曲[11-12]。國內鉆柱扭擺系統起步較晚，大部分仍處于研究階段，2008年北京石油機械廠開發出了能應用于其頂驅的鉆柱扭擺系統TDRD，但是公開刊物中未見現場試驗及推廣情況報道，也未見其在水平井應用。

為研究鉆柱扭擺定向鉆井的技術可行性，中國石油集團川慶鉆探工程有限公司（以下簡稱川慶鉆探）于2016年租用Slider系統在四川油氣田磨溪—高石梯區塊大斜度井進行了一次現場試驗，試驗結果表明“應用井段平均機械鉆速提高約18%”[13]，取得了較好的應用效果。在深入分析其提速機理的基礎上，川慶鉆探研制出可在北石、天意等國內主流頂驅上通用的PIPE ROCK鉆柱扭擺系統（以下簡稱PIPE ROCK系統），并于2017年在川渝地區各個區塊開展了密集的現場應用，應用范圍涵蓋昭通頁巖氣、威遠頁巖氣、磨溪—高石梯、龍崗等區塊，目前已現場應用20口井，達到了預期效果。

1 PIPE ROCK系統原理及構成

1.1 原理

PIPE ROCK系統是一種利用常規彎螺桿或彎接頭直螺桿下部鉆具組合的高效定向鉆井系統，其原理是通過頂驅對鉆柱施加正反向擺動的扭矩，帶動上部鉆柱進行周期性的交互旋轉，將滑動鉆井時鉆柱與井壁的靜摩擦力轉變為類似于旋轉導向鉆進的動摩擦力，釋放鉆柱摩阻和扭矩，從而解決常規定向時因為鉆柱不旋轉導致的摩阻大、“托壓”、工具面調整困難、軌跡控制精度低等多種問題[1,13-15]。

1.2 系統構成及安裝

1.2.1 硬件部分

PIPE ROCK系統硬件部分（圖1）包括頂驅控制器、觸摸操作屏以及各種連接電纜，頂驅控制器與頂驅司鉆控制器連接，并通過司鉆控制器向頂驅發送指令，實現頂驅帶動鉆柱進行周期性的交互旋轉?，F場安裝時，需向頂驅司鉆控制器接入少量信號線，全部硬件安裝用時約4.0 h。

圖1 PIPE ROCK系統硬件示意圖

1.2.2 軟件部分

系統軟件包括操作軟件及PLC控制軟件，分別安裝在觸摸操作屏與頂驅控制器內，用于向頂驅司鉆控制器輸入設定參數及實現控制功能。

1.2.3 安裝

現場安裝便捷，僅需用線纜將頂驅控制器與頂驅司鉆控制器控制模塊的相應點位連接，接通電源即可使用，現場系統安裝時間1.5 h，調試時間0.5 h，停用頂驅不超過3.0 h。

2 操作流程及方法

2.1 操作流程

現場使用流程為：安裝系統—系統測試和調試—采集鉆井參數—設置工作參數—監控系統運行情況、監測鉆井參數—優化工作參數。

在實際應用過程中，根據現場實際情況優化正反向轉動扭矩限值，若鉆具摩阻消減不夠理想，則調整扭轉設置扭矩，在沒有使用經驗的井區，原則上正反向扭矩限值不超過復合鉆進扭矩的70%；若鉆柱扭擺影響到工具面穩定，則降低扭轉設置，鉆柱扭擺系統工作期間，監控系統的運行情況、定向工具面、立壓等。

2.2 PIPE ROCK系統使用方法——動態定向方法

依照傳統鉆柱扭擺鉆井理論，扭擺系統的扭矩設置需要遵循以下準則，在扭擺系統作用下，井下鉆柱軸向摩擦阻力表現為3個典型的受力區間：扭擺作用區、靜摩擦區、反扭矩區[1]。扭擺作用區為井口鉆柱扭擺在鉆柱上作用的范圍，該區域鉆柱所受扭矩和靜摩擦力得到相當程度的釋放；反扭矩區為PDC鉆頭施加給鉆具的反扭矩在鉆柱上的作用范圍；靜摩擦區為扭擺作用區與反扭矩作用區中未波及的過渡帶，該區域鉆柱扭矩和靜摩擦力未被釋放，從而保持工具面穩定。

依據上述傳統鉆柱扭擺鉆井理論，扭擺系統存在兩個弊端，鉆柱上扭擺作用區長度不夠，不能徹底解決對于靜摩擦區內的托壓現象，導致鉆柱所受扭矩和靜摩擦力釋放不充分，影響扭擺鉆井效果。

筆者提出的動態定向方法則通過增大鉆柱扭擺扭矩，在井下鉆柱上只保留扭擺作用區和反扭矩區，扭擺作用直接傳遞到反扭矩區，通過周期性的調整設置扭擺運動扭矩，控制工具面在目標控制范圍區間內來回漂移，在保證定向效果的同時，有效地降低了扭擺鉆井的使用門檻，提高了扭擺鉆井防托壓效果。

3 PIPE ROCK系統在川渝水平井現場應用效果分析

綜合分析各井PIPE ROCK系統使用情況，主要有3個方面的效果：①緩解托壓現象；②提高定向純鉆時效；③提高定向精準度。

3.1 緩解托壓現象

在L204井現場試驗時，前期未使用PIPE ROCK系統（圖2-a），大鉤上提高度記錄顯示了常規滑動定向中，發生工具面不穩或發生托壓等情況時，需要反復上提鉆具防止卡鉆等事故發生，再次鉆進時則需重建工具面，在5.5 h時間段的定向鉆進就上提鉆具5次重新調整工具面，嚴重降低了定向純鉆效率，影響了定向作業軌跡調整效果；在使用該鉆具后（圖2-b），扭擺定向鉆進消除了托壓現象，除最初上提鉆具建立工具面之外，后續工作的4.0 h無需上提鉆具。

圖2 L204井使用PIPE ROCK系統前、后大鉤高度記錄圖

3.2 提高定向純鉆時效

Long016-H1井井深5 720 m、垂深5 051.05 m、水平段長770 m，由于長裸眼、長水平段鉆進及嚴重井漏問題，造成井下摩阻較大，實鉆過程中定向托壓嚴重。水平段共計定向調整軌跡20次，前10次使用常規滑動定向平均純鉆時效64.3%，后期使用PIPE ROCK系統，緩解了托壓現象，減少了上提鉆具重擺工具面所造成的定向輔助時間，定向純鉆時效提高到83.4%（圖3）。

3.3 提高定向精準度

在常規滑動定向鉆井時，定向效果有兩個指標體現：①工具面穩定度。工具面越穩定，定向精準度越高。②定向段長。定向段長越短，定向效果越好。

Y108H19-1井使用PIPE ROCK系統后（圖4），可以在鉆進的同時，不上提鉆具、不停鉆調節定向工具面，使工具面保持長期穩定，從而提高了定向效果。

Long016-H1井實鉆過程中（圖5），對比所有定向井段，隨著水平段延伸，滑動定向效果逐步降低，為達到軌跡控制目標，用于軌跡調整的定向段長明顯增加，而復合鉆進的進尺比例逐漸減少。使用PIPE ROCK系統后，定向段長逐步減少，表明定向效果提高。

圖3 Long016-H1井使用PIPE ROCK系統前、后定向純鉆時效對比圖

圖4 Y108H19-1井第三次扭擺定向工具面實時記錄圖

圖5 Long016-H1井使用PIPE ROCK系統前、后定向段長對比圖

綜上所述，川渝地區水平井在應用PIPE ROCK系統后，通過往復扭擺鉆柱降摩減阻，成功地解決了定向托壓難題。

4 應用中存在問題與改進設想

4.1 PIPE ROCK系統使用問題的討論

PIPE ROCK系統是一種應用于常規滑動定向鉆井時的輔助工具，在現場使用時對以下問題進行討論。

4.1.1 適用井段

PIPE ROCK系統在未發生托壓現象的造斜段慎用。其原因在于，上部小井斜井段井下摩阻本身較小，井口施加的擺動扭矩極易傳遞到鉆頭位置，與井下動力鉆具反扭矩疊加后，造成定向工具面來回偏轉，工具面反而處于不穩定狀態，無法達到定向鉆進目的。

4.1.2 在巖屑床引起的高摩阻復雜水平井段比旋轉導向工具更加安全

目前常用的旋轉導向工具外徑大（?208 mm）、鋼級高、剛度大，在某些井下巖屑床厚、軌跡復雜的水平井段，鉆井扭矩可達到19 000～26 000 N·m，作業風險大。改用外徑小、剛度相對較低的常規定向組合后，復合鉆進時鉆井扭矩一般為旋轉導向工具的2/3，配套使用PIPE ROCK系統在部分長水平段的上傾井中成功應用，取得了良好的使用效果。

4.1.3 可否配合井下水力振蕩器使用

PIPE ROCK系統是否有必要配合井下水力振蕩器[16-17]使用，有以下兩點認識：

1）理論上使用PIPE ROCK系統能夠將扭擺運動傳遞到隨鉆測量儀器（MWD）處，靜摩擦鉆具段很短，在有一定經驗積累后完全沒必要再使用水力振蕩器。

2）在某些雖采用了旋轉導向系統，但井下仍過于復雜的水平井，采用PIPE ROCK系統配合井下水力振蕩器完成旋轉導向系統功能，是一個降低可鉆風險的備用措施。

4.1.4 是否選用鉆柱穩定器

現場試驗中發現，某些上部井段發生“點托壓”的水平井，其特點在于靜摩擦造成的井下摩阻不高，但在上部某些井段因為臺階、軌跡、地質等原因造成局部摩阻過高，導致滑動定向時，在上部井段發生“點托壓”現象。在此類井中，若扭擺參數設置較小，扭擺運動不能傳遞到“點托壓”區域，則不能緩解托壓情況；若扭擺參數設置較大，扭擺運動傳遞過“點托壓”區域，解決了“托壓”問題，又易造成鉆頭指向跟隨扭擺運動快速偏移，工具面不能穩定。針對此種情況，可考慮使用有扶螺桿或另加鉆柱穩定器，相比于無扶井底鉆具組合（BHA），鉆柱自身扭轉摩阻較大，能夠起到穩定工具面的作用，避免扭擺運動對工具面的影響。

4.2 目前PIPE ROCK系統的缺陷及改進措施

經過長時間的現場試驗，發現PIPE ROCK系統目前尚有以下不足需要改進。

4.2.1 現場數據還未融合

鉆柱扭擺定向時，需要實時觀察錄井數據（鉆時、鉆壓、井深、大鉤高度）、MWD數據（工具面、井斜、方位）和PIPE ROCK系統數據（正反扭矩設定值、扭矩實時記錄曲線），目前三類數據尚未融合，影響了現場作業效果的判斷與分析，需要研究錄井數據、MWD數據、PIPE ROCK系統數據的綜合采集與融合，完善監控軟件。

4.2.2 參數設置依賴工程師經驗

目前鉆柱扭擺定向時，參數設置主要依靠工程師現場經驗，對于不同參數對鉆柱受力的影響，尚無準確的井下數據支撐，井口扭擺運動扭矩設定值、扭擺運動速度、保持時間等因素對鉆柱扭矩傳遞的影響，還無實測數據支撐。建議通過井下測量短節，實際測定扭擺定向時井下鉆柱的運動狀態，探索MWD快速工具面上傳來精準控制扭擺參數，建立扭擺定向鉆柱運動統計模型。

4.2.3 系統自動化程度低

目前，PIPE ROCK系統嚴格意義上還僅僅只是一個頂驅執行機構，且不具備自動化控制功能。國內外已有學者在工具面自動控制方面進行了一定程度的探索[18-21]。通過研究，借助鉆柱扭擺系統，探索能夠實現扭擺參數自動給定、定向工具面自動控制的新一代PIPE ROCK鉆柱扭擺軟件，提高鉆柱扭擺系統自動化控制水平。

4.3 智能鉆柱扭擺系統架構

新一代PIPE ROCK系統應該是在實現數據融合、建立扭擺定向鉆柱運動模型的基礎上，采取人工操作經驗和人工智能方法相結合的策略，實現軌跡智能控制的智能鉆柱扭擺系統。

該系統擬采用兩層控制結構（圖6），上層控制系統實現工具面角度值的設定控制，下層控制系統實現工具面角度值的輸出回路控制。其功能如下：首先，定向工程師根據井眼軌跡確定當前井斜和方位角目標值，結合MWD的反饋信號，對比最優目標工具面角度與MWD反饋的實際工具面角度，結合下層控制系統反饋的扭擺設定校正值，更新扭擺設定值。在下層控制系統中，前饋補償器根據上一次MWD錄得的實際工具面角度值和最新扭擺設定值，預測在一個周期內工具面的擺動角度，并將預測角度與MWD錄得的實際工具面角度相對比，得到一個扭擺設定校正值。

圖6 智能鉆柱扭擺系統結構圖

5 結論

1）PIPE ROCK系統成功地解決了長水平段定向鉆井“托壓”的難題，同時具有提高定向純鉆時效、作業效率和定向精準度的作用，是可以媲美旋轉導向系統的另一種先進的定向鉆井系統。

2）PIPE ROCK系統是國內目前第一種在水平井中工業化應用的自主鉆柱扭擺系統。系統使用穩定，能夠滿足現場作業要求，具備大規模推廣應用的條件。

3）PIPE ROCK系統勿需復雜的井下工具儀器，現場安裝方便，運行成本低，相較于水力振蕩器作業、旋轉導向系統等技術，具備更為優越的成本優勢。

4）PIPE ROCK系統目前自動化程度仍較低，需要人工實時調整扭矩設定值，使用效果受人員個體差異影響較大，仍有必要持續改進。