旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)在頁(yè)巖氣水平井定向鉆進(jìn)中的應(yīng)用

王恒 吳鵬程 鄭丁 高陽(yáng)陽(yáng) 胡林

（1.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100176；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院，四川成都 610056）

1.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)概述

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)第一階段被稱為科學(xué)鉆探的初級(jí)階段，這一階段的結(jié)果是鉆井技術(shù)、平衡壓力鉆井技術(shù)、優(yōu)化參數(shù)化技術(shù)和高效鉆頭技術(shù)等，但這些成果大多只是特殊的技術(shù)，不能滿足相對(duì)復(fù)雜的實(shí)際鉆井工作。第二階段為科學(xué)鉆探后期，這一階段的特點(diǎn)是從智能化鉆井逐步向自動(dòng)化鉆井過(guò)渡。這一階段的技術(shù)成果包括實(shí)時(shí)信息檢測(cè)技術(shù)和井下引導(dǎo)鉆井系統(tǒng)，提高了儲(chǔ)層采收率的新技術(shù)和鉆井方法，使石油產(chǎn)品得到了大力的開(kāi)發(fā)。隨著能源需求的增加，對(duì)石油的需求也在增加。為了獲得更大的開(kāi)采和經(jīng)濟(jì)效益，需要在復(fù)雜地層區(qū)域進(jìn)行鉆探。因此，對(duì)深井、大位移井和長(zhǎng)距離水平井的技術(shù)要求越來(lái)越高，因此，出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可用于高斜率導(dǎo)向井、水平井和大位移井等復(fù)雜井段。高精度控制保證井道平滑，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)閉環(huán)鉆井的主要部分是負(fù)責(zé)上下運(yùn)動(dòng)的雙向通信系統(tǒng)。可以進(jìn)行隨鉆信號(hào)傳輸、自動(dòng)轉(zhuǎn)向工具和測(cè)量裝置等應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的井眼軌跡和實(shí)際測(cè)量的信息，自動(dòng)調(diào)整鉆具。測(cè)量傳輸可以多地測(cè)量靠近鉆頭的數(shù)據(jù)信息，并及時(shí)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)和井下模塊。測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，以控制指令發(fā)送給導(dǎo)向鉆具。地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下鉆具的狀態(tài)，并進(jìn)行計(jì)算和分析井眼軌跡，監(jiān)測(cè)和調(diào)整鉆具的運(yùn)行狀況。

2.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)測(cè)控的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)和正常運(yùn)行是控制系統(tǒng)成熟的標(biāo)志。通過(guò)試驗(yàn)研究，可以為發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的設(shè)計(jì)缺陷，縮短旋轉(zhuǎn)鉆具的開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，促進(jìn)鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展。功能檢查主要是檢查旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具的轉(zhuǎn)向力是否滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)是控制角度。性能研究可以檢測(cè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆的疲勞和使用壽命。最重要的是模擬井下的工作環(huán)境，以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆機(jī)速度的變化和鉆井壓力的差異，應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向孔的扭矩對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響。壓力是試驗(yàn)液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，其值由負(fù)載決定。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向鉆頭的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)壓力傳感器采集。液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)施加軸向力，使液壓油溫度升高。油溫過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響元件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞液壓元件。溫度傳感可以通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)了解液壓油的溫度，避免發(fā)生危險(xiǎn)事故[1]。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合了液壓、電氣和計(jì)算機(jī)控制等領(lǐng)域的技術(shù)模塊，鉆具由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)受到的軸向力、空心圓柱體的液壓提供。數(shù)據(jù)采集所需的各種傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，然后就可以開(kāi)啟回路控制和閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)必須滿足一定的要求，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。控制系統(tǒng)最基本的控制要求是安全性，并且具有急停按鈕和故障提醒等功能。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)考慮負(fù)載控制系統(tǒng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不確定因素造成的影響。系統(tǒng)軟硬件必須能夠承受干擾，線路和部件必須正確安裝。為避免串?dāng)_問(wèn)題，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，考慮不同線路和元件之間的干擾問(wèn)題。操作界面要簡(jiǎn)潔明了，使操作者能夠輕松地使用系統(tǒng)。為了使控制系統(tǒng)有更好的軟件支持，所選擇的系統(tǒng)硬件必須具有高響應(yīng)速度和高采樣頻率。負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)必須是通用的，使用多種驗(yàn)證的鉆具進(jìn)行測(cè)試，并且系統(tǒng)必須具有可擴(kuò)展性。控制系統(tǒng)主要是在對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。因此，測(cè)試軟件需要具有更多的功能，進(jìn)行靈活地自動(dòng)化測(cè)試。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，各功能子模塊可根據(jù)需要靈活調(diào)用，方便軟件系統(tǒng)功能的升級(jí)和擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)和子機(jī)通常構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)控制框架，子機(jī)主要依靠PLC控制器，用于控制數(shù)字模擬信號(hào)的采集和輸出。軟件監(jiān)控系統(tǒng)用于配置交互參數(shù)，計(jì)算邏輯測(cè)試數(shù)據(jù)分析、處理和存儲(chǔ)[2]。

2.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)是為管理員服務(wù)，主要功能是監(jiān)控并發(fā)送指令執(zhí)行，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。確保控制系統(tǒng)的順利進(jìn)行，達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，傳感器采集溫力和速度等相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)電路調(diào)理后傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析并顯示在界面上，供操作人員直接查看。計(jì)算機(jī)接收并處理旋向鉆具狀態(tài)數(shù)據(jù)和測(cè)試設(shè)置參數(shù)，結(jié)合用于控制輸出的控制邏輯，智能化程度高，并且控制性精度也在提高[3]。

3.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用于水平導(dǎo)向鉆進(jìn)中的應(yīng)用

3.1 設(shè)置鉆井方向

根據(jù)水平導(dǎo)向井的情況，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可以解決導(dǎo)向鉆井效率問(wèn)題。在具體的應(yīng)用中，對(duì)水平導(dǎo)向井的鉆進(jìn)有著直接的影響。結(jié)合水平導(dǎo)向井的現(xiàn)狀，在鉆井應(yīng)用中，根據(jù)水平導(dǎo)向井的角度要求，調(diào)整鉆井方向和鉆井路徑，使所有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井可在實(shí)踐中改進(jìn)鉆井效率，在水平導(dǎo)向井鉆井方向上，可以使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)行，解決鉆井角度導(dǎo)向問(wèn)題。在鉆井方向調(diào)整中，需要結(jié)合鉆井的方位和鉆井的傾角進(jìn)行角度調(diào)整，有效地改進(jìn)鉆井技術(shù)。在應(yīng)用效果方面，確保了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)能夠?yàn)樗綄?dǎo)向井創(chuàng)造強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

3.2 測(cè)量鉆井過(guò)程數(shù)據(jù)

為保證水平導(dǎo)向井滿足鉆井要求，解決水平導(dǎo)向井中的鉆井難題，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井能夠最大程度地滿足水平導(dǎo)向井鉆井的要求。測(cè)量鉆井過(guò)程數(shù)據(jù)，使整個(gè)水平方向根據(jù)鉆井要求和具體特點(diǎn)來(lái)加以應(yīng)用鉆井技術(shù)，使軌跡數(shù)據(jù)沿整個(gè)水平方向鉆井，充分體現(xiàn)在鉆井過(guò)程中，滿足水平導(dǎo)向井的要求。因此，在測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)鉆井的需要和應(yīng)用特點(diǎn)，在應(yīng)用中結(jié)合水平導(dǎo)向井的要求和實(shí)際鉆井情況，使鉆井可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，避免測(cè)量過(guò)程中采用的錯(cuò)誤方法導(dǎo)致在出現(xiàn)問(wèn)題。

3.3 提高水平鉆井效率

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的優(yōu)點(diǎn)是可以提高鉆井效率，使水平導(dǎo)向井解決鉆井問(wèn)題，并根據(jù)水平導(dǎo)向井的要求，使水平方向的所有鉆井均可鉆，鉆井滿足水平導(dǎo)向井的需要，結(jié)合導(dǎo)向井的鉆井特點(diǎn)和角度進(jìn)行調(diào)整。因此，在水平導(dǎo)向井鉆井中，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井可以提升鉆井效率，避免鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，影響鉆井的實(shí)際效果。準(zhǔn)確應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，根據(jù)鉆井的具體要求，確定井位參數(shù)和角度數(shù)據(jù)，調(diào)整鉆井路徑，有效的解決傳統(tǒng)鉆井的技術(shù)難題。

4.結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)水平導(dǎo)向井鉆井中旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的了解，采用科學(xué)有效的鉆井方法，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，有助于解決水平導(dǎo)向井的問(wèn)題。目前，在水平導(dǎo)向井鉆井中，對(duì)于鉆井技術(shù)要求較高。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求及時(shí)調(diào)整鉆井的工作方向，解決鉆井中的角度問(wèn)題，并有效的提高鉆井效率，在整個(gè)水平導(dǎo)向井有積極的推動(dòng)作用。因此，有效應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，結(jié)合鉆井要求，夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)水平導(dǎo)向井具有重要的意義。