頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

蔣建華

（中國石油長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

蔣建華

（中國石油長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)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(qū)（頂部驅(qū)動鉆井裝置）已成為海外石油鉆井設(shè)備的標準配置。為了充分發(fā)揮頂驅(qū)在鉆井作業(yè)中的優(yōu)越性，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)隨之應(yīng)運而生。近年來的海外石油鉆井市場，對頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的需求越來越多，在一些招標合同中，明確要求配備頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)。本文分析了頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了未來的發(fā)展趨勢。

石油鉆井；驅(qū)動設(shè)備；控制系統(tǒng)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

頂驅(qū)在鉆井作業(yè)中具有較強的鉆井事故處理能力和提高鉆井時效的優(yōu)越性，因而成為國際鉆井作業(yè)中的重要裝備，國內(nèi)不少鉆機在進行鉆井作業(yè)時也配置了頂驅(qū)。為了充分發(fā)揮頂驅(qū)的優(yōu)越性，有效規(guī)避井底鉆具粘滑現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少井下復(fù)雜情況，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)隨之應(yīng)運而生，而且得到越來越多的認可。

1 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的發(fā)展

（1）粘滑現(xiàn)象。鉆井過程中通常會發(fā)生鉆具粘滑現(xiàn)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(zhuǎn)鉆井時，鉆柱保持恒定轉(zhuǎn)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(xù)到鉆具扭矩超過鉆具的靜態(tài)扭矩，此時鉆具會突然松開并快速旋轉(zhuǎn)，鉆具此時的瞬時旋轉(zhuǎn)速度高達鉆具正常旋轉(zhuǎn)速度的3～5倍，隨后鉆具轉(zhuǎn)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(xiàn)象,即為鉆具的粘滑現(xiàn)象，表現(xiàn)為頂驅(qū)輸出扭矩呈鋸齒形波動和井底鉆具轉(zhuǎn)速急劇震動。鉆具粘滑經(jīng)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(yè)成本，而且會大大增加鉆井作業(yè)風險。

（2）軟扭矩系統(tǒng)的出現(xiàn)。為了解決鉆具粘滑的問題，鉆井作業(yè)現(xiàn)場采用了提高鉆頭轉(zhuǎn)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(shù)人員做了大量的研究工作，建立了基于鉆柱扭轉(zhuǎn)的鉆柱粘滑振動數(shù)學模型，得到鉆柱粘滑振動的一般規(guī)律，并提出了鉆柱軟扭矩系統(tǒng)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(fā)，后來又在此基礎(chǔ)上獨自研究發(fā)展出了各自的軟扭矩系統(tǒng)。軟扭矩系統(tǒng)是基于鉆具粘滑現(xiàn)象作用機理而研發(fā)的，通過降低鉆具的臨界轉(zhuǎn)速，可有效地規(guī)避鉆具粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的工作原理

（1）頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)理論背景。頂驅(qū)是一套多功能電力驅(qū)動裝置，與鉆頭通過鉆柱相連接，鉆柱在鉆頭和頂驅(qū)之間就像一根扭矩彈簧產(chǎn)生形變。在頂驅(qū)和鉆柱之間模擬一個扭矩彈簧和阻尼器模型，通過適時調(diào)整頂驅(qū)轉(zhuǎn)速對鉆柱產(chǎn)生的彈性勢能進行適當補償調(diào)節(jié)，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(xiàn)象的發(fā)生，獲得相對平滑的扭矩曲線。頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)理論背景如圖1所示。

（2）工作原理。目前頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)主要有兩種控制方案，其硬件構(gòu)成基本相同，只是在原頂驅(qū)系統(tǒng)外增加了一套頂驅(qū)主電機控制器的軟扭矩控制系統(tǒng)，和頂驅(qū)系統(tǒng)的PLC并聯(lián)控制頂驅(qū)主電機控制器，在不使用頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的情況下，不會對頂驅(qū)原系統(tǒng)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(shù)KF和阻尼系數(shù)CF的參數(shù)值，將這兩個參數(shù)值輸入頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)，由軟扭矩系統(tǒng)和頂驅(qū)本身的PLC并聯(lián)控制頂驅(qū)的電機控制器，當這兩個參數(shù)值離預(yù)期值不太遠時，軟扭矩系統(tǒng)就能控制頂驅(qū)電機進行速度調(diào)節(jié)，輸出合理的轉(zhuǎn)速，抑制井底鉆具粘滑現(xiàn)象的發(fā)生。EP公司和NOV公司的軟扭矩系統(tǒng)均采用這種方案。

另一種方案是通過實時檢測頂驅(qū)電機的扭矩和速度，提前預(yù)測井下鉆具運轉(zhuǎn)趨勢，根據(jù)預(yù)測的趨勢判斷是否需要對系統(tǒng)進行補償，利用一個速度補償信號作為系統(tǒng)的反饋補償，在反饋補償?shù)淖饔孟率沟庙旘?qū)扭矩得到改變，經(jīng)過改善的扭矩使得井底鉆具轉(zhuǎn)速遠離粘滑區(qū)域，從而規(guī)避井底鉆具的粘滑現(xiàn)象發(fā)生。部分國內(nèi)公司研究開發(fā)的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)就采用這一方案。

圖1 頂驅(qū)軟扭矩理論背景

圖2 頂驅(qū)系統(tǒng)和軟扭矩系統(tǒng)組成示意圖

1.3 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)現(xiàn)狀

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

（2）頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)的優(yōu)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(zhuǎn)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(zhì)量，縮短鉆井周期。第三，減輕鉆頭等的磨損，減少起下鉆次數(shù)。第四，使鉆進作業(yè)平穩(wěn)，減小對頂驅(qū)的沖擊和震動，延長頂驅(qū)使用壽命。第五，提高鉆井作業(yè)的安全性，可顯著降低鉆井綜合成本。第六，軟扭矩系統(tǒng)易于安裝，只需用2根數(shù)據(jù)線與頂驅(qū)電控房進行連接即可。

（3）使用中存在的問題。第一，系統(tǒng)互換性差，一套軟扭矩系統(tǒng)安裝到一臺頂驅(qū)上使用后，就不能直接換到另一臺頂驅(qū)上使用。第二，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)只能用于交流頂驅(qū)和現(xiàn)代直流頂驅(qū)。第三，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整。第五，軟扭矩系統(tǒng)計算出來的參數(shù)可能不夠準確，需要作適當?shù)恼{(diào)整。

圖3 頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)開啟前后曲線對比

（4）使用現(xiàn)狀。①頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)目前在國內(nèi)外鉆井市場應(yīng)用并不普遍，但有迅速普及的趨勢。去年以來，國內(nèi)外鉆井招標活動中，多數(shù)都要求配備頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)。去年我公司在阿曼市場、阿爾及利亞市場和國內(nèi)市場共配備了9套NOV公司和EP公司的軟扭矩系統(tǒng)。②目前的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)都需要對井下鉆具組合的動態(tài)參數(shù)進行精確分析，由系統(tǒng)計算出參數(shù)，或者根據(jù)經(jīng)驗估算出可能的參數(shù)并由人工輸入，再根據(jù)系統(tǒng)實際表現(xiàn)進行適當修正，以達到理想效果。同時，鉆柱轉(zhuǎn)速需要大于一個臨界速度，軟扭矩系統(tǒng)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(yīng)用，目前已有了各自基本成熟的軟扭矩系統(tǒng)。國內(nèi)外鉆井作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的大都是這兩家公司的軟扭矩系統(tǒng)。我國的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)研究起步較晚，已有數(shù)家頂驅(qū)制造商開展這方面的工作，目前還都處于試用階段。

2 頂驅(qū)軟扭矩的發(fā)展趨勢

2.1 將成為鉆井設(shè)備的標準配置

頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)是依據(jù)鉆具粘滑現(xiàn)象作用機理而研發(fā)，通過合理使用，可有效地規(guī)避井底鉆具粘滑。國內(nèi)外鉆井作業(yè)現(xiàn)場證實，此系統(tǒng)能消除鉆具粘滑現(xiàn)象，有效減少卡鉆事故、保護頂驅(qū)和鉆具、提高作業(yè)時效等。從我公司去年配備的9套軟扭矩系統(tǒng)的實際使用效果來看，應(yīng)用軟扭矩系統(tǒng)可減少40%的粘滑現(xiàn)象發(fā)生，同時可提高機械鉆速20%。其良好的應(yīng)用效果已獲得眾多石油公司的認可。從石油鉆井行業(yè)頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)使用現(xiàn)狀和國際石油鉆井設(shè)備的發(fā)展動態(tài)來看，頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)將會很快成為石油鉆井設(shè)備的標準配置。

2.2 向自動化和智能化發(fā)展

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

2.3 將會更加先進并與頂驅(qū)集成一體

隨著石油鉆井設(shè)備自動化水平的發(fā)展，以及井下工況實時監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)的進步，人們對井底鉆具轉(zhuǎn)速和扭矩的動態(tài)變化，以及粘滑現(xiàn)象會有更加全面的理解和認識，從而研究設(shè)計出更加先進和效果更好的頂驅(qū)軟扭矩系統(tǒng)。為了提高頂驅(qū)性能，軟扭矩系統(tǒng)必將集成到頂驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)，成為頂驅(qū)系統(tǒng)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(xiàn)象分析及軟扭矩系統(tǒng)在長北氣田的應(yīng)用[J]．石油化工應(yīng)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(qū)新技術(shù)介紹．中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院北京石油機械廠，2015．10．

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