幾十年來，泥漿馬達在定向鉆井中扮演著重要角色。不過，水平段鉆進時效率則很低。一種安裝在地面的扭矩控制系統正幫助司鉆鉆的更快、更深、更遠。定向井是油氣生產的福祉，特別是在非傳統資源開發領域，該領域所鉆的井主要為水平井，以最大的井眼暴露穿過儲層。為了讓井眼穿過儲層，通常泥漿馬達與隨鉆測量 MWD 配合使用，從開始造斜，一直到完鉆，全程工作在井下，完成造斜、穩斜、糾斜或降斜等定向作業，保持井眼軌跡控制，直到準確穿越目標儲層。

 

定向鉆井過程中，MWD 工具實時測量井斜和方位，為司鉆提供任何偏離設計軌跡的動態數據。為了修正井眼軌跡出現的偏差，司鉆從全鉆具旋轉模式切換到滑動鉆進模式。在滑動模式下，鉆具不旋轉，鉆頭由泥漿馬達帶動旋轉，鉆進的方向為鉆頭的指向，通過控制工具面（馬達殼體的一個彎角）的朝向實現定向鉆進。為了鉆達目的層，司鉆需在旋轉與滑動兩種模式下來回切換，以確保設計的井眼軌跡。圖 1 展示了水平井鉆井的軌跡。當井垂直鉆進至設計的造斜點時，泥漿馬達用來進行造斜，屆時需采用滑動模式造斜鉆進，按設計角度完成造斜后，再以旋轉模式鉆進一個穩斜段，在保持井斜和方位鉆進過程中，當鉆進方向偏離設計方位時，司鉆借助滑動模式修正軌跡偏差。在一些油田，儲層上方的標志層可以通過隨鉆測井 LWD 探測到，讓司鉆再進行二次造斜，然后水平著陸于儲層界內。

 

關于兩種模式，滑動鉆進效率低，水平抵達設計井深通常會耗費大量鉆時，采用常規滑動方法得到的機械鉆速一般是旋轉模式的 10%至 25%。相反，旋轉鉆進能讓司鉆獲得較高的機械鉆速。自動控制系統能幫助司鉆顯著提高水平段鉆進的機械鉆速。美國科羅拉多州的現場應用描述了一種扭矩搖擺系統是如何幫助石油公司開發非傳統資源以獲取最大油氣產量的。

滑動鉆進的挑戰
 

為了開始一次滑動鉆進，司鉆需停止鉆進，上提下放，釋放鉆具積 累 的 扭 矩， 然 后 根 據 MWD 實測數據，將馬達工具面調整到設計方位，定向司鉆確定方位正確后，開始控制鉆壓滑動鉆進。隨著水平段的延伸，鉆具滑動遭遇的井眼摩阻會越來越大，摩阻傳送鉆壓并保持方位?；瑒鱼@進帶來的極大挑戰直接結果是鉆進托壓、工具面難以控制，一味下放會使鉆壓突然釋放，導致鉆頭撞擊井底、憋泵、馬達失速或損壞等一系列問題，最終導致機械鉆速和鉆井效率極低，也使保持軌跡鉆達目的層變得非常困難，這些問題常常造成鉆時和成本增加，還可能導致水平段無法延伸鉆進。 滑動鉆進控制原理已開發的 Slider 系統幫助作業者提高定向滑動鉆進的性能和效率。Slider 是一個基于頂驅的控制系統，借助頂驅的優勢，通過控制扭矩，滑動鉆進時發起順時針、逆時針鉆具旋轉，可大幅降低鉆具的軸向摩阻，被稱為扭矩搖擺技術。發自頂驅的扭矩自地面向下旋轉鉆具至一個最大搖擺深度，在此深度，鉆具與井壁間的摩擦力阻止鉆具繼續旋轉；與此同時，鉆頭滑動鉆進產生的反扭矩向鉆具上方擴散一個短距離，直到克服井底鉆具至某一點之間的摩擦力為止，這個深度點被稱為干擾點。圖 2 展示了地面施加的旋轉扭矩與鉆頭反扭矩對摩擦力的影響。通過搖擺旋轉至井下某一深度來降低鉆具的軸向摩阻，前提是不改變馬達工具面的角度；同樣，來自鉆頭鉆進的反扭矩使井底部分鉆具產生振動，也會降低這部分鉆具的軸向摩阻?；瑒鱼@進通過連續監測扭矩、鉆壓和機械鉆速，Slider系統可以充分降低井眼摩阻。有效傳送鉆壓，提高機械鉆速。

軟硬件系統
 

Slider 的硬件由一個緊湊的套裝組件構成，包括一組與鉆機頂驅控制系統互動所需的電路和傳感器，組件安裝在司鉆控制臺處，內部集成了一套程控軟件，包括防震筆記本 電 腦 和 能 讓 司 鉆 向 Slider 下 達指令、監測地面和井下參數的軟硬件控制系統，顯示包括 MWD 工具面、扭矩和立管壓力等多個數據。Slider 系統處理這些數據，判斷是否應對鉆具施加額外扭矩，以保持工具面角度和機械鉆速。圖 3 展示了 slider 系統的顯示界面。開 始 滑 動 鉆 進， 司 鉆 啟 動Slider，發起自動搖擺動作，交替施加右旋和左旋扭矩，通過改變地面的旋轉扭矩來控制鉆壓傳送，補償反扭矩的變化，搖擺循環期間通過增加扭矩波動實現工具面角度的修正。對于每個左或右的扭矩循環周，會出現一個相應的壓差尖峰，表示鉆壓正在傳送給鉆頭。為了調整工具面方位，搖擺循環期間，司鉆可以控制扭矩波動的幅度和頻率來控制馬達工具面。

現場應用
 

Slider 系統在美國非傳統資源開發領域已成工具化產品。一家最早開發 Wattenberg 油田的石油公司采用 Slider 系統在白堊紀氣田打了多口水平井。

 

其中的一口井是 2016 年 2 月開鉆，垂直鉆至造斜點，然后朝著向西方向的 Niobrara 儲層著陸點鉆進，從 XX25ft 開始，定向司鉆手動控制滑動鉆進，期間的平均機械鉆 速 為 38ft/h（11.6m/h）。 當 啟用 Slider 系統后，司鉆報出的平均機 械 鉆 速 為 51ft/h（15.5m/h），與手動控制滑動相比機械鉆速提高了 34%；這口井鉆進過程中 Slider系統啟用了幾次，每次井眼軌跡開始漂移超出規定容限時，定向司鉆從旋轉鉆進切換到滑動鉆進，開始井眼糾斜。規律性地交替運用手動控制滑動和 Slider 系統自動控制滑動，比較結果顯示，自動滑動控制明顯優于手動控制，機械鉆速得到顯 著 提 高。 從 XX25ft~XX35ft，圖 2 地面施加的旋轉扭矩與鉆頭反扭矩對摩擦力的影響圖 3 Slider 系統顯示器定向司鉆手動控制滑動鉆進，16 分鐘后，這個井段平均機械鉆速 38fth；司鉆啟用 Slider 自動控制系統,從 XX35ft~XX47ft，鉆進 14 分鐘，平均機械鉆速 51ft/h，機械鉆速提高 34%。

 

通 過 感 知 需 要 傳 送 鉆 壓 的 地面扭矩的大小以及消除需要上提鉆具調整工具面這種笨拙的工序，Slider 自動旋轉控制系統能夠顯著提高機械鉆速，使定向水平鉆進更快、更深和更遠。順時針逆時針搖擺旋轉鉆具能幫助司鉆克服井眼摩擦力，從而降低鉆具摩阻，隨著摩阻的降低，作業者可以減少潤滑劑 的 使 用。Slider 自 動 控 制 系 統一般通過施加較小的鉆壓來保持工具面控制，與手動控制滑動相比能明顯減少馬達失速，通過獲取一致的工具面控制，這種自動扭矩搖擺系統能鉆更長的水平段，鉆出的井眼軌跡扭曲少，最終實現油氣增產。