几十年来，泥浆马达在定向钻井中扮演着重要角色。不过，水平段钻进时效率则很低。一种安装在地面的扭矩控制系统正帮助司钻钻的更快、更深、更远。定向井是油气生产的福祉，特别是在非传统资源开发领域，该领域所钻的井主要为水平井，以最大的井眼暴露穿过储层。为了让井眼穿过储层，通常泥浆马达与随钻测量 MWD 配合使用，从开始造斜，一直到完钻，全程工作在井下，完成造斜、稳斜、纠斜或降斜等定向作业，保持井眼轨迹控制，直到准确穿越目标储层。

 

定向钻井过程中，MWD 工具实时测量井斜和方位，为司钻提供任何偏离设计轨迹的动态数据。为了修正井眼轨迹出现的偏差，司钻从全钻具旋转模式切换到滑动钻进模式。在滑动模式下，钻具不旋转，钻头由泥浆马达带动旋转，钻进的方向为钻头的指向，通过控制工具面（马达壳体的一个弯角）的朝向实现定向钻进。为了钻达目的层，司钻需在旋转与滑动两种模式下来回切换，以确保设计的井眼轨迹。图 1 展示了水平井钻井的轨迹。当井垂直钻进至设计的造斜点时，泥浆马达用来进行造斜，届时需采用滑动模式造斜钻进，按设计角度完成造斜后，再以旋转模式钻进一个稳斜段，在保持井斜和方位钻进过程中，当钻进方向偏离设计方位时，司钻借助滑动模式修正轨迹偏差。在一些油田，储层上方的标志层可以通过随钻测井 LWD 探测到，让司钻再进行二次造斜，然后水平着陆于储层界内。

 

关于两种模式，滑动钻进效率低，水平抵达设计井深通常会耗费大量钻时，采用常规滑动方法得到的机械钻速一般是旋转模式的 10%至 25%。相反，旋转钻进能让司钻获得较高的机械钻速。自动控制系统能帮助司钻显著提高水平段钻进的机械钻速。美国科罗拉多州的现场应用描述了一种扭矩摇摆系统是如何帮助石油公司开发非传统资源以获取最大油气产量的。

滑动钻进的挑战
 

为了开始一次滑动钻进，司钻需停止钻进，上提下放，释放钻具积 累 的 扭 矩， 然 后 根 据 MWD 实测数据，将马达工具面调整到设计方位，定向司钻确定方位正确后，开始控制钻压滑动钻进。随着水平段的延伸，钻具滑动遭遇的井眼摩阻会越来越大，摩阻传送钻压并保持方位。滑动钻进带来的极大挑战直接结果是钻进托压、工具面难以控制，一味下放会使钻压突然释放，导致钻头撞击井底、憋泵、马达失速或损坏等一系列问题，最终导致机械钻速和钻井效率极低，也使保持轨迹钻达目的层变得非常困难，这些问题常常造成钻时和成本增加，还可能导致水平段无法延伸钻进。 滑动钻进控制原理已开发的 Slider 系统帮助作业者提高定向滑动钻进的性能和效率。Slider 是一个基于顶驱的控制系统，借助顶驱的优势，通过控制扭矩，滑动钻进时发起顺时针、逆时针钻具旋转，可大幅降低钻具的轴向摩阻，被称为扭矩摇摆技术。发自顶驱的扭矩自地面向下旋转钻具至一个最大摇摆深度，在此深度，钻具与井壁间的摩擦力阻止钻具继续旋转；与此同时，钻头滑动钻进产生的反扭矩向钻具上方扩散一个短距离，直到克服井底钻具至某一点之间的摩擦力为止，这个深度点被称为干扰点。图 2 展示了地面施加的旋转扭矩与钻头反扭矩对摩擦力的影响。通过摇摆旋转至井下某一深度来降低钻具的轴向摩阻，前提是不改变马达工具面的角度；同样，来自钻头钻进的反扭矩使井底部分钻具产生振动，也会降低这部分钻具的轴向摩阻。滑动钻进通过连续监测扭矩、钻压和机械钻速，Slider系统可以充分降低井眼摩阻。有效传送钻压，提高机械钻速。

软硬件系统
 

Slider 的硬件由一个紧凑的套装组件构成，包括一组与钻机顶驱控制系统互动所需的电路和传感器，组件安装在司钻控制台处，内部集成了一套程控软件，包括防震笔记本 电 脑 和 能 让 司 钻 向 Slider 下 达指令、监测地面和井下参数的软硬件控制系统，显示包括 MWD 工具面、扭矩和立管压力等多个数据。Slider 系统处理这些数据，判断是否应对钻具施加额外扭矩，以保持工具面角度和机械钻速。图 3 展示了 slider 系统的显示界面。开 始 滑 动 钻 进， 司 钻 启 动Slider，发起自动摇摆动作，交替施加右旋和左旋扭矩，通过改变地面的旋转扭矩来控制钻压传送，补偿反扭矩的变化，摇摆循环期间通过增加扭矩波动实现工具面角度的修正。对于每个左或右的扭矩循环周，会出现一个相应的压差尖峰，表示钻压正在传送给钻头。为了调整工具面方位，摇摆循环期间，司钻可以控制扭矩波动的幅度和频率来控制马达工具面。

现场应用
 

Slider 系统在美国非传统资源开发领域已成工具化产品。一家最早开发 Wattenberg 油田的石油公司采用 Slider 系统在白垩纪气田打了多口水平井。

 

其中的一口井是 2016 年 2 月开钻，垂直钻至造斜点，然后朝着向西方向的 Niobrara 储层着陆点钻进，从 XX25ft 开始，定向司钻手动控制滑动钻进，期间的平均机械钻 速 为 38ft/h（11.6m/h）。 当 启用 Slider 系统后，司钻报出的平均机 械 钻 速 为 51ft/h（15.5m/h），与手动控制滑动相比机械钻速提高了 34%；这口井钻进过程中 Slider系统启用了几次，每次井眼轨迹开始漂移超出规定容限时，定向司钻从旋转钻进切换到滑动钻进，开始井眼纠斜。规律性地交替运用手动控制滑动和 Slider 系统自动控制滑动，比较结果显示，自动滑动控制明显优于手动控制，机械钻速得到显 著 提 高。 从 XX25ft~XX35ft，图 2 地面施加的旋转扭矩与钻头反扭矩对摩擦力的影响图 3 Slider 系统显示器定向司钻手动控制滑动钻进，16 分钟后，这个井段平均机械钻速 38fth；司钻启用 Slider 自动控制系统,从 XX35ft~XX47ft，钻进 14 分钟，平均机械钻速 51ft/h，机械钻速提高 34%。

 

通 过 感 知 需 要 传 送 钻 压 的 地面扭矩的大小以及消除需要上提钻具调整工具面这种笨拙的工序，Slider 自动旋转控制系统能够显著提高机械钻速，使定向水平钻进更快、更深和更远。顺时针逆时针摇摆旋转钻具能帮助司钻克服井眼摩擦力，从而降低钻具摩阻，随着摩阻的降低，作业者可以减少润滑剂 的 使 用。Slider 自 动 控 制 系 统一般通过施加较小的钻压来保持工具面控制，与手动控制滑动相比能明显减少马达失速，通过获取一致的工具面控制，这种自动扭矩摇摆系统能钻更长的水平段，钻出的井眼轨迹扭曲少，最终实现油气增产。