石油圈
采用泥浆马达钻定向井时，滑动钻进托压、工具面调整费时费力始终困扰着司钻，特别是在井斜、位移和方位变化较大的情况下问题则更为突出。随着井深的增加，扭矩和摩阻也越来越大，致使滑动钻进托压现象频出，司钻不得不上提钻具，释放扭矩和摩阻，重新定向工具面。另外，为了给钻头施加钻压，司钻可能会过渡释放钩载，操作一有不慎就可能造成钻头撞击井底，导致憋泵和马达失速，对于难度较大的定向井或水平井，人工操控滑动钻进非常困难。
一 国内外技术现状
目前，国内基本采用泥浆马达钻定向井，在井斜较大、井眼摩阻和钻具扭矩较高的定向井段大都选用水力振荡器来降低井眼摩阻；在钻三维定向井、大位移或水平井时，由于钻具扭矩和摩阻非常大，常规方法已很难顺利钻至设计井深，时常选用旋转导向系统来完成定向钻井作业；由于水力振荡器和旋转导向工具服务费用较高，且存在一定程度地井下风险，在此情况下，一种定向滑动钻进控制新方法在国内孕育而生。
国外早在数年前就开始研究解决滑动钻进托压的地面控制方法。扭矩摇摆技术是解决滑动托压问题另一种选择方法，S.J.Sawaryn等人提出钻井速度是钻具沿井眼轨迹运动的函数。地面扭矩摇摆技术可以降低井眼摩阻。国外已开发出顶驱钻机使用的Slider系统，目前已发展到Slider Plus，使用Slider Plus系统，定向工程师只需简单输入目标工具面，系统接管定向作业，自动调整和保持工具面在一个可接受的范围，并保持滑动钻进获得一个最佳的机械钻速，Slider系统已在国外钻井行业广泛使用，应用效果明显。
二 扭矩摇摆技术
Maidla E等人研究了控制扭矩旋转钻具对深度的影响。另有分析证明，井眼摩阻可以通过运用扭矩摇摆技术从地面顺时针逆时针交替选住阿奴安居来降低，摇摆旋转至井下某一点，在这一点摩擦力与施加的扭矩达到平衡。通过操控地面施加的扭矩来控制钻具摇摆旋转，这一平衡点可以向下移动足够深，使井眼摩阻得以充分降低。
同样，钻进产生的反扭矩使井底钻具产生振动，振动向马达上方扩散，马达以上至某一点这部分井底钻具的摩擦力被打破，这部分钻具处于振动状态，这一点，摩擦力与反扭矩也达到平衡；钻柱中下部有一部分钻具不受摇摆扭矩和反扭矩影响，滑动钻进时，通过不断测量扭矩、钻压和机械钻速，控制系统可以将这部分钻具的长度减至最小，这样做的结果能使井眼摩阻降至最低，钻具剩余部分的摩阻就会变得很小，并基本保持恒定，这部分钻具会起到防止地面扭矩摇摆旋转无意中改变工具面角度。
另外，最大逆时针旋转扭矩也被证实可大大降低卸扣扭矩，因此，摇摆旋转不会导致钻具卸扣。
新系统是一个基于顶驱的控制系统，该系统能精确调整和修正工具面，通过压差△P=Pd-Pc（钻进泵压-循环泵压）来判断钻头是否触底钻进，滑动钻进时启动钻具摇摆旋转，将经验摩阻降至最低，有效输送井底钻压。
泥浆马达定向钻井的数据采集包括：MWD工具面、钻杆扭矩、立管压力、立管压力和大钩悬重等；新系统研发的监视系统，显示包含实时工具面数据及控制滑动钻进所需的钻井参数。根据MWD实测工具面与设计工具面的角度差以及反扭矩角偏移，控制系统控制顶驱精确转动，调整工具面到涉及方位，系统检测工具面偏差予以修正。采集的扭矩数据作为反馈变量，控制扭矩摇摆旋转钻具，使井眼摩阻降至最低，输送连续稳定的井底钻压，提高滑动钻进机械钻速。
三 现场应用
打了上千口定向井和水平井，特别是在非传统页岩气的开发中得到了广泛应用。本文介绍的顶驱滑动钻进控制系统目前已完成室内研发，正等待合适的定向井或水平井进行现场试验。在此，以国外钻井实例说明该技术的应用效果。
这里引用一个美国Barnett页岩开发的典型实例。图1是一个开口侧钻水平井的钻井剖面，扭矩摇摆技术使用了320次，表1给出了Barnett页岩地层开发的部分钻井参数。
图1.Barnett页岩开窗侧钻水平井钻井剖面
表1.Barnett页岩开发的钻井参数
图1中箭头所指的位置是扭矩摇摆技术使用地最佳位置，这口开窗侧钻水平井钻进过程中，在第一个箭头指示的主造斜段开始使用扭矩摇摆技术，这类井采用常规定向方法通常需要3d才能打完造斜段，运用扭矩摇摆技术后，造斜段钻进减至2d，机械钻速有了明显提高。
四 结束语
定向钻井在井斜、方位变化较大时井眼摩阻非常大，给造斜、降斜和纠谢华东钻进带来巨大挑战，大位移水平段滑动纠斜钻进则更加困难。使用水力振荡器和旋转导向是应对这些挑战的有效方法，但需投入额外成本，同时也存在一定程度地井下工具作业风险。扭矩摇摆技术是一种运用于地面的控制技术，无需增加任何新的井下工具，控制系统通过接收MWD实测的工具面数据及预测的反扭矩角偏移，计算需要调整和保持正确工具面的角度差，控制顶驱精确转动，将工具面调整到正确角度；通过压差判断钻头是否触底钻进，系统启动钻具摇摆选转至最佳深度，使钻具从静摩擦转变为动摩擦，最大程度降低井眼摩阻，使钻具能保持向前滑动，施加稳定的井底钻压，提高机械钻速和钻井效率。运用扭矩摇摆技术研发的控制系统是快速定向工具面和防托压滑动钻进的另一种有效方法。
版权声明|来源：《钻采工艺》，作者：李智鹏等，版权归原作者所有。
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