導(dǎo)向鉆井下行指令傳輸?shù)木陆邮昭b置研究

霍愛清，湯 楠，汪躍龍，程為彬

(西安石油大學(xué)，陜西西安710065)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井技術(shù)是當(dāng)今最具突破性和戰(zhàn)略意義的現(xiàn)代鉆井新技術(shù)［1－4］。在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中，地面監(jiān)控系統(tǒng)和操作人員需要根據(jù)井下信息，不斷調(diào)整發(fā)送給井下工具的控制指令從而控制井下導(dǎo)向工具，使鉆井軌跡按預(yù)定的設(shè)計(jì)逼近靶區(qū)。要實(shí)現(xiàn)地面到井下的下傳通訊，井下接收裝置是必不可少的，因此研究指令下傳井下接收裝置對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于鉆機(jī)井下條件及其下行通信的特殊性使得井下信息的接收受到限制［5］，國(guó)內(nèi)外研究人員為此進(jìn)行了各種研究。文獻(xiàn)［6］提出了用傾斜計(jì)和三軸磁力計(jì)監(jiān)測(cè)鉆柱的旋轉(zhuǎn)角度或鉆柱的旋轉(zhuǎn)速率，以形成命令代碼，但該方法磁力計(jì)輸出易受地層參數(shù)的影響，且只能用于裸眼井。專利US7298285［7］則是通過(guò)監(jiān)測(cè)井下工具中泥漿發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化實(shí)現(xiàn)下行通道的信號(hào)接收，該方法在使用過(guò)程中需抬起鉆頭，以避免井下鉆具組合BHA 在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中鉆頭與井底之間的摩擦力，才能保證更好地控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度。專利US2006225920［8］中下行通道系統(tǒng)則是利用泥漿流速的改變傳送地面命令信號(hào)，該方法檢測(cè)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)速較低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。西安石油大學(xué)傅鑫生教授等對(duì)鉆柱施加一定激勵(lì)，通過(guò)井下實(shí)測(cè)鉆頭處的振動(dòng)信號(hào)來(lái)解碼地面發(fā)送的編碼信號(hào)，該方法在正常的井況條件下可以實(shí)現(xiàn)信息傳遞，但它需要提起鉆桿進(jìn)行信息傳遞，在下傳信息的方法、在操作上都有一定的局限性［9－10］。劉修善［11］結(jié)合鉆井工程實(shí)際，確定出地面信號(hào)下傳系統(tǒng)宜采用泥漿壓力脈沖方式，但只給出了地面信號(hào)下傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和工作原理。

調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中［12］，渦輪電機(jī)本身就是導(dǎo)向鉆井工具中的一部分，不需額外地增加檢測(cè)傳感器，裝置簡(jiǎn)單可靠，可有效解決文獻(xiàn)［6－11］中存在的問(wèn)題。因此，開發(fā)以渦輪電機(jī)為井下信息接收裝置，實(shí)現(xiàn)地面向井下發(fā)送控制指令的下行信息傳輸研究就顯得非常必要與迫切。

1 下行指令的編碼傳輸方案

為了有效實(shí)現(xiàn)井下接收信息，必須對(duì)下行指令編碼有特殊的要求。

綜合考慮國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的指令下傳方式及其編碼方式等特點(diǎn)［5］，以鉆井液為傳輸介質(zhì)，提出通過(guò)改變鉆井液排量三降三升為核心的脈沖指令編碼傳輸方案，利用三降三升的脈寬形成有效的控制指令代碼，該方案既能不改變現(xiàn)有導(dǎo)向鉆井的鉆井工藝，也不影響實(shí)際鉆井導(dǎo)向操作，從而突破現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外編碼方式的諸多限制［13－14］。

編碼指令由鉆井液排量變化形成的3 個(gè)下降沿和3 個(gè)上升沿組成，編碼指令示意圖如圖1 所示。在不影響鉆井前提下，通過(guò)在鉆柱中產(chǎn)生20% 左右的鉆井液排量變化產(chǎn)生脈沖，三降三升的鉆井液排量變化波會(huì)產(chǎn)生5 個(gè)脈寬，即5 位編碼。只要保證有足夠的脈寬，計(jì)算機(jī)就可以識(shí)別，同時(shí)變排量操作需有一定的反應(yīng)時(shí)間。規(guī)定脈寬為T 的整數(shù)倍，其中T 值不能小于井眼內(nèi)鉆井液波動(dòng)的衰減周期。

指令的編碼以T 為最小單位，考慮到操作的方便及識(shí)別的準(zhǔn)確性，一組指令最長(zhǎng)時(shí)間不宜超過(guò)nT，而編碼的每一位應(yīng)為mT(m ＜n)。若出現(xiàn)脈寬大于mT，甚至指令總時(shí)間超過(guò)nT，均視為無(wú)效指令。例如圖1 構(gòu)成的編碼指令前面3 位代表導(dǎo)向控制的工具面角135°，第四位代表導(dǎo)向力大小(分100% 導(dǎo)向力、67 % 導(dǎo)向力、33 % 導(dǎo)向力三種情況［5］)，最后一位代表奇偶校驗(yàn)。故此通過(guò)這樣5位編碼就構(gòu)成了下行導(dǎo)向控制指令。

2 井下檢測(cè)接收裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)正常工作時(shí)，鉆井液排量變化范圍為20 L/s～45 L/s，井下渦輪電機(jī)工作頻率變化范圍為10～60 Hz，其電壓測(cè)量范圍為20～120 V?？紤]到井下工具工作環(huán)境的特殊性，井下的溫度隨著井深和地層而變化，大致為井深每增加33 m，溫度約增加1 ℃，故要求檢測(cè)裝置工作溫度為125 ℃。系統(tǒng)應(yīng)能夠承受近鉆頭200 g 的沖擊。

井下渦輪電機(jī)設(shè)計(jì)為過(guò)流式結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部的材料選用嚴(yán)格，能在200 ℃以下的酸、堿和油環(huán)境中長(zhǎng)期工作。

軸承設(shè)計(jì)方面，對(duì)帶鏡面密封和不帶鏡面密封、加黃銅套鍍鉻及滾動(dòng)軸承等不同結(jié)構(gòu)的渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)表明，有鏡面密封時(shí)，電機(jī)的效率更高，但其可靠性達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。由于國(guó)內(nèi)無(wú)法加工專用的橡膠軸承，為滿足工程需要，選用了滾動(dòng)軸承系。

為增加功率輸出，選用耐高溫(200 ℃)高磁能積磁鋼。電機(jī)的繞組及引線經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的絕緣與密封處理，以保證可靠性。

2.2 渦輪電機(jī)

渦輪電機(jī)由外渦輪、電機(jī)主軸、定子繞組、定子鐵心、永久磁鐵等組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。電機(jī)主軸上有定子繞組，電機(jī)的永磁磁極固定在機(jī)殼內(nèi)部，渦輪固定在電機(jī)主體外部。在鉆鋌內(nèi)鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生交變電壓，從而為導(dǎo)向鉆井工具中的控制系統(tǒng)提供工作電源。根據(jù)導(dǎo)向鉆井要求，所設(shè)計(jì)的渦輪電機(jī)采用低速大扭矩渦輪，電機(jī)采用單相繞組，額定輸出電壓15 V，功率100 W。

井下渦輪電機(jī)是為導(dǎo)向鉆井工具提供工作電源而制作的。采用這種井下接收裝置可以不必在井下再專門設(shè)置壓力或流量傳感器，簡(jiǎn)化了井下信息接收裝置的安裝，提高系統(tǒng)的可靠性。用于井下試驗(yàn)的渦輪電機(jī)實(shí)物如圖3 所示。

2.3 井下渦輪電機(jī)電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于井下的空間限制和高溫高壓環(huán)境的限制，工作在井下渦輪電機(jī)電參數(shù)檢測(cè)具有有別于地面的特殊性，首先是對(duì)測(cè)量器件有尺寸限制;其次是測(cè)量過(guò)程無(wú)法直接觀察，測(cè)量數(shù)據(jù)只能由測(cè)量裝置記錄的數(shù)據(jù)事后回放與地面記錄進(jìn)行對(duì)照分析;三是必須解決高溫高壓與沖擊振動(dòng)對(duì)測(cè)量電路板的影響。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，井下渦輪電機(jī)采用單相交流永磁電機(jī)，其電參數(shù)檢測(cè)電路采用Rogowski 微型互感線圈檢測(cè)其電壓，具體電路由信號(hào)檢測(cè)、精密整流、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換與數(shù)字處理等環(huán)節(jié)構(gòu)成［15］，井下檢測(cè)電路封裝在導(dǎo)向鉆井工具的測(cè)控電子艙中，電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，井下信號(hào)處理電路實(shí)物圖如圖5 所示。

3 井下指令接收測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 渦輪電機(jī)井下水力實(shí)驗(yàn)

為了研究渦輪排量與電機(jī)輸出電壓之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，必須進(jìn)行水力驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)。在完成井下渦輪電機(jī)電參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試與標(biāo)定后，進(jìn)行了多次水力驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

水力驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)采用單臺(tái)三缸往復(fù)式鉆井泵，鉆井泵沖數(shù)在20～120 沖/min，缸徑150 mm。通過(guò)泥漿泵給鉆鋌注入泥漿，帶動(dòng)渦輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)排量從11 L/s 至27 L/s 變化時(shí)，實(shí)測(cè)的渦輪電機(jī)電壓及頻率隨鉆井液排量變化曲線如圖6 所示。

由圖6 可見，鉆井液排量與渦輪電機(jī)電壓之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此完全可以用渦輪電機(jī)作為井下檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)下傳指令的接收，以其電壓變化跟蹤鉆井液排量變化，將鉆井液排量變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓變化信號(hào)。

3.2 三降三升下傳指令的接收實(shí)驗(yàn)

3．2．1 地面模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證三降三升指令編碼能否被井下工具中的接收裝置順利接收，進(jìn)行了地面模擬實(shí)驗(yàn)［5］，地面模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖7 所示。在地面模擬實(shí)驗(yàn)中，利用拖動(dòng)電機(jī)模擬泥漿泵，利用齒輪裝置代替渦輪，利用變頻器輸出頻率變化模擬鉆井液排量改變。變頻器輸出50 Hz 相當(dāng)于泥漿泵鉆井液正常排量，40 Hz 相當(dāng)于鉆井液正常排量的80%。經(jīng)變頻器輸出三降三升，實(shí)現(xiàn)一組指令的發(fā)送。經(jīng)檢測(cè)接收和編碼解釋，還原出發(fā)送的控制指令。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接收和發(fā)送的編碼指令是完全一致的，證明了利用三降三升編碼脈沖實(shí)現(xiàn)指令下傳的可行性。

3．2．2 井下實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)改變鉆井液排量及對(duì)應(yīng)每一位脈寬的時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)指令的編碼。

圖8 為某次下傳指令時(shí)渦輪電機(jī)井下接收實(shí)驗(yàn)曲線圖。圖中前兩個(gè)3 min 對(duì)應(yīng)的排量分別為22 L/s、24 L/s。從361 s 開始進(jìn)行三降三升變排量試驗(yàn)，排量由24 L/s 變至18 L/s，又升至22 L/s，再降至18 L/s，如此反復(fù)形成5 個(gè)指令編碼，每個(gè)排量保持30 s。記錄的電壓準(zhǔn)確反映了排量的波動(dòng)，測(cè)量與記錄的曲線變化平滑，連續(xù)，測(cè)量準(zhǔn)確。

井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，井下渦輪電機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆井液排量變化的精確測(cè)量，準(zhǔn)確再現(xiàn)了下傳的編碼指令，為下行通信解碼提供了可靠的數(shù)據(jù)，同時(shí)也為進(jìn)一步研究導(dǎo)向鉆井控制系統(tǒng)井下控制規(guī)律提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和測(cè)試手段。

4 結(jié) 論

1)變鉆井液排量三降三升編碼傳輸方案可以形成有效的指令編碼，滿足鉆井工程下傳指令需要。

2)利用渦輪電機(jī)可以有效解決井下接收裝置在鉆鋌中的安裝受空間尺寸、密封絕緣、安裝位置以及與測(cè)量電路連接等問(wèn)題。

3)通過(guò)渦輪電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液排量變化的檢測(cè)，將鉆井液排量變化轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。

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