定向鉆井井底鉆具組合（BHA）采用導(dǎo)向馬達(dá)執(zhí)行滑動鉆進(jìn)歷來是一項(xiàng)人工操作和依賴技能的作業(yè)。一直以來，該行業(yè)所采用的基本導(dǎo)向方法大致是：由定向司鉆（DD）負(fù)責(zé)計(jì)算所需鉆進(jìn)的滑動進(jìn)尺和目標(biāo)方向，然后執(zhí)行滑動，在此期間，還需控制鉆井參數(shù)，最終目的是優(yōu)化鉆井績效?；瑒淤|(zhì)量（按所需方向調(diào)整工具面的時間占比來定義）以及滑動期間所獲得的鉆進(jìn)表現(xiàn)很大程度上取決于DD的技能與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。
本文在此介紹另一種導(dǎo)向方法，該方法通過鉆機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滑動導(dǎo)向控制和鉆井參數(shù)控制自動化操作，由司鉆負(fù)責(zé)滑動監(jiān)管，確保定向作業(yè)獲得高質(zhì)量的績效指標(biāo)。利用這一工藝流程，將導(dǎo)向指令（計(jì)劃進(jìn)尺和工具面控制指令）傳遞給鉆機(jī)的可編程控制器（PLC），然后，執(zhí)行一組自動指令的序列：對齊或校準(zhǔn)馬達(dá)工具面、將鉆頭下至井底、執(zhí)行滑動鉆進(jìn)、滑動結(jié)束時恢復(fù)或重啟旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。
這種導(dǎo)向自動化的現(xiàn)場測試表明，該方法可達(dá)到或超過DD所能達(dá)到的滑動質(zhì)量的定向控制，而且，該方法是可重復(fù)的，性能表現(xiàn)具有充分的一致性，不依賴經(jīng)驗(yàn)監(jiān)管即可獲得高性能指標(biāo)。此外，這種導(dǎo)向方法是整個自動化鉆井工藝中的一個重要組成部分，其中，定向鉆井過程中的所有組成部分（定向指令的生成、滑動和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的執(zhí)行、鉆機(jī)各項(xiàng)活動或進(jìn)程的管理）都是完全自動化的。
技術(shù)介紹
在過去的18個月里，一種自動滑動導(dǎo)向控制方法已成功得以開發(fā)，并在美國幾個主要陸上盆地的多部鉆機(jī)上實(shí)施了鉆井作業(yè)。作為鉆機(jī)控制系統(tǒng)的一個集成部分，該方法能自動執(zhí)行將井底鉆具和鉆頭提離井底（滑動準(zhǔn)備）以及將其置于井底（滑動執(zhí)行）所有步驟全過程的動作操作，這些操作一并構(gòu)成滑動鉆進(jìn)。
鉆頭離底的自動化主要指的是在滑動之前鉆頭提離井底后發(fā)生的所有的操作活動。例如，鉆頭離底后的其中一項(xiàng)關(guān)鍵操作就是將其下至井底執(zhí)行滑動。置鉆頭于井底的關(guān)鍵操作又包括多個子操作，例如，在鉆頭吃入地層前輸入反扭矩以及根據(jù)壓差檢測井底狀態(tài)，這些都必須由控制系統(tǒng)來操控。離底作業(yè)的自動化對滑動鉆進(jìn)過程的整體優(yōu)化具有重要影響。在實(shí)施這項(xiàng)自動化技術(shù)之前和期間進(jìn)行的人工滑動分析表明，各個井、各個井段和不同定向司鉆之間在鉆頭離底的時長方面存在著很大差異。一項(xiàng)對水平段進(jìn)行的超過750次人工滑動的分析顯示，離底作業(yè)期間（預(yù)滑動或滑動準(zhǔn)備的時長）平均為13min，其中最短的為7.7min，最長的為23.5min，見圖1給出的水平段離底時長的分析。這一巨大的差異可以通過滑動自動化方法有效的予以解決，可為石油公司或運(yùn)營商節(jié)省大量的費(fèi)用。
鉆頭在底的自動化主要指的是依據(jù)隨鉆測量（MWD）測得的工具面數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地執(zhí)行滑動鉆進(jìn)。鉆頭在底的核心操作必須是自動化的，其操作是利用工具面方位和其它地面測量數(shù)據(jù)，需要時可對工具面進(jìn)行主動式和響應(yīng)式調(diào)向修正，修正的幅度和頻率必須與工具面移動或偏離的量相匹配，這種修正相應(yīng)地又會受到各種鉆井參數(shù)、地層類型、ROP和其它作業(yè)因素影響。
這種自動滑動方法的目標(biāo)是提供一個“精準(zhǔn)的滑動”，即馬達(dá)工具面與期望的方向始終對準(zhǔn)，而不是自動控制autodriller。目前，autodriller鉆井參數(shù)（鉆壓、壓差、ROP設(shè)定點(diǎn)）的控制是由司鉆進(jìn)行設(shè)定和執(zhí)行的，而滑動控制自動化是通過收集autodriller設(shè)定點(diǎn)的變化而產(chǎn)生的參數(shù)變化進(jìn)行控制的。例如，增大鉆壓會產(chǎn)生更大的壓差，這需要額外的反扭矩來保持工具面方向。這種職責(zé)分工（司鉆或DD對設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行控制、自動化系統(tǒng)對工具面進(jìn)行控制）讓人專注于鉆井性能，也是無人操作的一個使能者。
數(shù)據(jù)與控制
為了有效地發(fā)揮作用，一個自動滑動系統(tǒng)必須具有與多種鉆機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源：鉆機(jī)頂驅(qū)、鉆機(jī)提升系統(tǒng)、地面鉆井參數(shù)測量數(shù)據(jù)、以及MWD工具面測量數(shù)據(jù)的功能鏈接（數(shù)據(jù)和命令的輸入與輸出）。
Ÿ 鉆機(jī)頂驅(qū)：為了使工具面與期望的方位對齊并保持一致，自動化系統(tǒng)必須能控制鉆機(jī)頂驅(qū)主軸探針的位置；
Ÿ 鉆機(jī)提升系統(tǒng)：為了松弛絞車剎車讓鉆頭觸及井底執(zhí)行滑動鉆進(jìn)，以及完成一次滑動鉆進(jìn)后上提鉆具，自動化系統(tǒng)必須能控制鉆機(jī)的提升系統(tǒng)，例如絞車；
Ÿ 地面鉆井參數(shù)測量：控制系統(tǒng)必須能接收地面實(shí)測的壓差、鉆壓、扭矩和ROP等數(shù)據(jù)，以便對頂驅(qū)主軸探針的位置進(jìn)行調(diào)整，保持工具面在期望的方向；
Ÿ MWD工具面測量數(shù)據(jù)：控制系統(tǒng)必須能實(shí)時接收MWD測得的工具面（磁工具面和重力工具面）數(shù)據(jù)，以便對頂驅(qū)主軸探針的位置進(jìn)行調(diào)整，保持工具面在期望的方向。
由于這個自動滑動系統(tǒng)是在一部原始廠商鉆機(jī)（鉆機(jī)控制系統(tǒng)和鉆井綜合錄井儀已被集成于一體）的控制系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的，因此，對鉆機(jī)系統(tǒng)而言，很容易實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)募伞?br />
導(dǎo)向方法
導(dǎo)向自動化方法意在采用反應(yīng)式和主動式兩種導(dǎo)向算法來復(fù)制一名有豐富經(jīng)驗(yàn)的定向司鉆的導(dǎo)向表現(xiàn)。反應(yīng)式導(dǎo)向邏輯是基于輸入的MWD工具面測量數(shù)據(jù)來實(shí)施導(dǎo)向；而主動式導(dǎo)向邏輯是基于觀察到的鉆井參數(shù)來實(shí)施導(dǎo)向的。
在這些導(dǎo)向算法中，每一種算法都擁有控制該系統(tǒng)行為的大量參數(shù)，這些控制參數(shù)須由該系統(tǒng)動態(tài)地進(jìn)行調(diào)整，以確保導(dǎo)向算法得出準(zhǔn)確且適用的指令。例如，當(dāng)觀察到壓差增加時，系統(tǒng)必須輸入一個與反扭矩量值相對應(yīng)的頂驅(qū)主軸探針位置的調(diào)整，以保持工具面在期望的方向。對于出現(xiàn)的增量壓差，探針位置調(diào)整的幅度將根據(jù)鉆具尺寸、壓差大小和其它鉆井參數(shù)的變化來調(diào)整，而且，這種調(diào)整必須被限定為能夠產(chǎn)生一個精確的導(dǎo)向響應(yīng)。此外，該系統(tǒng)還必須考慮到有條件地改變導(dǎo)向響應(yīng)的復(fù)雜性：例如，如果一個壓差的增加帶來的反扭矩會將工具面移向期望的方向，則無需采取動作。這些調(diào)整必須是建立在連續(xù)、實(shí)時的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，以實(shí)現(xiàn)有效的導(dǎo)向。最后，該系統(tǒng)必須在安全的前提下，在現(xiàn)有安全互鎖范圍內(nèi)進(jìn)行操作。
導(dǎo)向算法的選擇（反應(yīng)式、主動式、或兩者兼有）以及決定算法表現(xiàn)的參數(shù)選擇很大程度上取決于井段（垂直段、造斜段／曲線段、水平段）的變化和所在井段的鉆井深度。為了便于靈活操作，這些參數(shù)被集成到一些被稱為“導(dǎo)向處方”的初始化文件中，當(dāng)每口井將要鉆井時，不同的導(dǎo)向處方會被自動地加載（通常由某個井段的開始或某個井深所觸發(fā)），以保持最佳的導(dǎo)向效果。
滑動精度
滑動精度通?？梢岳斫鉃樵谡麄€滑動過程中，導(dǎo)向馬達(dá)在期望的工具面方向上保持井眼軌跡連續(xù)性如何的一種測量。持續(xù)保持在期望方向上的滑動鉆進(jìn)會使馬達(dá)打出更高的造斜率和鉆進(jìn)效率，而精準(zhǔn)度差的工具面控制，滑動效率會大幅降低，滑動進(jìn)尺和井眼狗腿度可能會變化無常。從定向控制角度來看，滑動精度是馬達(dá)所鉆的進(jìn)尺是否接近其預(yù)期應(yīng)打的進(jìn)尺以及各次滑動之間導(dǎo)向的連貫性和一致性是否良好兩項(xiàng)指標(biāo)的綜合描述，使之能正確地確定后續(xù)滑動井段的進(jìn)尺和工具面的方向。精確連貫的滑動進(jìn)尺是減少井眼扭曲和做出更好定向決策的前提保障。
對于此項(xiàng)應(yīng)用，應(yīng)以三種衡量標(biāo)準(zhǔn)對滑動精度進(jìn)行評價(jià)：滑動評分、工具面分布（工具面的變化）和廢進(jìn)尺（Burn Footage燒掉的進(jìn)尺）?；瑒釉u分是一種通過計(jì)算進(jìn)行的滑動評判，通過計(jì)算整個累積的滑動表現(xiàn)來表明實(shí)際的工具面控制與期望的工具面值的接近程度?；瑒釉u分范圍從-100到100，-100是沿與預(yù)期方向正好相反的方向進(jìn)行的滑動鉆進(jìn)（例如以90°重力工具面的滑動，而不是270°的滑動）；而100是完全沿預(yù)期的方向進(jìn)行的滑動鉆進(jìn)。這種衡量通常用來比較各次滑動精準(zhǔn)度的表現(xiàn)，盡管對于井與井的比較可能是某個井段的平均值（例如造斜段／曲線段的平均滑動得分）。
工具面分布是一個圖形指示器，該指示器顯示了整個一個滑動鉆進(jìn)井段的工具面控制精度。工具面控制被認(rèn)為是“很好”（目標(biāo)方向20°范圍內(nèi)），“可接受的”（目標(biāo)方向45°范圍內(nèi)），或“差”（偏離或超過目標(biāo)方向45°以上的）。繪制每個控制量程內(nèi)滑動鉆進(jìn)耗費(fèi)的百分率占比可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行井與井之間和井段與井段之間的對比。圖2列舉了一個工具面分布，給出了該指示器的圖示說明。
圖2中，每個豎條代表不同的井水平段范圍內(nèi)工具面的分布，從這些數(shù)據(jù)中得出的一個可能的結(jié)論或許是：圖中右側(cè)更多的最近的井滑動鉆進(jìn)工具面控制表現(xiàn)為“好”的占比有所增加，滑動鉆進(jìn)工具面控制表現(xiàn)為“差”的占比有所減少。
廢進(jìn)尺指的是以“差”的工具面控制（偏離目標(biāo)方向45°以上）開始滑動的一種距離的度量。該指標(biāo)可對每次滑動或多段滑動的平均值來進(jìn)行評價(jià)，以便在井與井之間進(jìn)行績效對比。開始一次工具面控制差的滑動是一種浪費(fèi)精力作業(yè)，是一種未按期望方向變化進(jìn)行的滑動鉆進(jìn)，被視為是無績效的鉆進(jìn)作業(yè)，因此，所打的進(jìn)尺被視為是“廢進(jìn)尺”?；瑒娱_始后所打的大量的廢進(jìn)尺需要定向司鉆再做導(dǎo)向進(jìn)行滑動糾斜，以滿足要求的定向目標(biāo)，這將導(dǎo)致更多的滑動時間。在與各種滑動速度標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系在一起進(jìn)行評價(jià)時，從自動滑動系統(tǒng)的角度來看，廢進(jìn)尺在評價(jià)是否“到達(dá)井底（go to bottom）”的邏輯時是有用的。結(jié)合滑動評分、工具面分布和廢進(jìn)尺這三個衡量指標(biāo)，可在每次滑動、每個滑動井段，或在每口井基礎(chǔ)上對滑動表現(xiàn)進(jìn)行一個快速和有意義的評價(jià)。
滑動速度
與工具面控制精度一樣，滑動執(zhí)行的速度對滑動成功與否同樣重要。如前所述，作為KPI的一個指標(biāo)，在評價(jià)自動滑動系統(tǒng)時，由于該系統(tǒng)管控的不僅僅是井底的表現(xiàn)，ROP的快與慢也是一個重要指標(biāo)。在與人工滑動相比較時，從預(yù)滑動時間的衡量中已觀察到有大量的節(jié)省。請注意，可能存在某些情況，對比一位定向司鉆和司鉆各自執(zhí)行的一次滑動鉆進(jìn)的ROP可從中獲得有價(jià)值的信息或啟示，這樣可以評價(jià)是否能夠減少作業(yè)人員。例如，確保減少人員的操作不會影響在底滑動鉆進(jìn)的績效表現(xiàn)。利用三個績效指標(biāo)來評價(jià)自動滑動的速度：累積的旋轉(zhuǎn)至旋轉(zhuǎn)或滑動至旋轉(zhuǎn)（RtR或StR）的時長；每次滑動的RtR或StR時長；以及滑動速度。
RtR和StR是執(zhí)行一次滑動所需的總時長的度量。當(dāng)一次滑動發(fā)生在同一立柱的兩個旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)周期之間時，采用RtR，其時長開始于鉆頭從第一個旋轉(zhuǎn)周期結(jié)束后提離井底的那一時刻，而結(jié)束于鉆頭為執(zhí)行第二個旋轉(zhuǎn)周期而返回井底的那一時刻，兩個時間之差為RtR的時長。StR是一種類似的度量，但其指的是發(fā)生在該立柱上部先前未進(jìn)行過旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的那段立柱的滑動。StR的時長開始于司鉆退出滑動的那一時刻，而結(jié)束于滑動后鉆頭返回井底的那一時刻，這兩個時間之差為StR的時長。這些時長的度量包含所有的受滑動自動化或受定向司鉆影響的離底活動。RtR和StR的總時長被所執(zhí)行的滑動次數(shù)所平均，為的是獲得每次滑動的RtR/StR的時長，這對跟蹤井與井之間的滑動效率以及尋找控制邏輯中是否存在改進(jìn)的潛力是非常有幫助的。
最后，將各井段總的滑動進(jìn)尺除以累計(jì)的RtR/StR時長得出滑動速度，即一種包含滑動前后離底時間的速度度量（ft/hr.）。在評價(jià)人工滑動或自動滑動的表現(xiàn)時，相比ROP的衡量，滑動成本的衡量則更加有用，因?yàn)樗紤]了與滑動鉆進(jìn)有關(guān)的所有的活動。檢查滑動過程中執(zhí)行具體任務(wù)的持續(xù)時間——例如平均的預(yù)滑動時長或平均的工具面設(shè)定時長一定程度上可能是有用的。雖然這些時長是以RtR或StR時長的度量來考慮的，但具體地對其進(jìn)行檢查可能會讓滑動處方得到改進(jìn)。
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