國(guó)產(chǎn)化互聯(lián)互通旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)首次應(yīng)用實(shí)踐

鄭 超，李 進(jìn)，張 鑫，徐光達(dá)，李兆亭，王 攀

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300459）

我國(guó)自主研發(fā)的D+W 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是基于Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及Drilog 隨鉆測(cè)斜、測(cè)井工具組合而成的造斜工具系統(tǒng)，具有造斜效率高，近鉆頭測(cè)斜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軌跡控制精準(zhǔn)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]。適用于常規(guī)定向井、大斜度井及水平井等多種井型?；诨ヂ?lián)互通技術(shù)的第二代D+W 系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)暴露的數(shù)據(jù)傳輸速率低、解碼易失真等問(wèn)題，大大提高了鉆井作業(yè)效率。并適用于包擴(kuò)深井、復(fù)雜井在內(nèi)的渤海各井型鉆井作業(yè)，應(yīng)用前景更加廣泛。本文對(duì)該系統(tǒng)首次現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)進(jìn)行分析，結(jié)合該工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，從多角度進(jìn)行分析，最終探索出該系統(tǒng)在水平段同層側(cè)鉆作業(yè)中的最佳應(yīng)用參數(shù)，以期對(duì)后續(xù)應(yīng)用該系統(tǒng)提高作業(yè)時(shí)效提供參考。

1 D+W 互聯(lián)互通系統(tǒng)

對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井工具而言，指令的傳達(dá)及響應(yīng)情況直接決定了井下工具能否按照工程需要進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而按照設(shè)計(jì)軌跡實(shí)施有效鉆進(jìn)，除去工具本身的機(jī)械性能外，指令發(fā)送及響應(yīng)情況是評(píng)價(jià)一套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向隨鉆測(cè)井系統(tǒng)科學(xué)性的“硬指標(biāo)”。而D+W 互聯(lián)互通工具相比原系統(tǒng)最大的進(jìn)步正是集中于數(shù)據(jù)傳輸方面。

D+W 互聯(lián)互通系統(tǒng)由地面系統(tǒng)及井下儀器系統(tǒng)兩部分組成[2]，地面部分包括SARAII 與IDEAS 兩個(gè)技術(shù)單元。當(dāng)井下測(cè)斜、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)向上傳達(dá)時(shí)，由SARAII采集泥漿壓力、泵沖、深度及其他信號(hào)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解碼。再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給IDEAS，由IDEAS 完成曲線繪制，出圖；當(dāng)需要下傳指令時(shí)，采取BPA 立管分流器進(jìn)行立管泥漿分流，使得井下渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律進(jìn)行變化，從而實(shí)現(xiàn)地面指令的編碼。井下儀器BCPMII 中的渦輪發(fā)電機(jī)檢測(cè)并解讀分流脈沖信號(hào)，編碼為1039 數(shù)據(jù)協(xié)議，并將數(shù)據(jù)傳送給互聯(lián)互通短節(jié)（ABC），互聯(lián)互通短節(jié)中控芯片對(duì)BCPMII 數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步轉(zhuǎn)碼為COSL Welleader 將信號(hào)電流升壓，加固信號(hào)質(zhì)量，將指令信號(hào)傳遞給旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，從而實(shí)現(xiàn)地面對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的精確控制（見(jiàn)圖1）。

2 Welleader 工具造斜原理及導(dǎo)向力合成

圖1 ABC 互聯(lián)互通短節(jié)原理示意圖

Welleader 是一種推靠式的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具[3]，主要由芯軸與外部套筒兩大部分組成，二者通過(guò)上、下兩個(gè)軸承連接。在井下作業(yè)期間，工具芯軸與鉆具同步旋轉(zhuǎn)，而外部套筒因軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)而與內(nèi)部芯軸保持反向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與井壁的近似相對(duì)靜止。同時(shí)芯軸部分的電子單元將指令信號(hào)進(jìn)行解碼，控制液壓系統(tǒng)工作，分別撐起三個(gè)在工具切面上互呈120°的肋板，定向鉆進(jìn)模式下，三個(gè)肋板分別以不同角度張開(kāi)，以P1、P2、P3 三個(gè)壓力作用于井壁，在相反方向受到F1、F2、F3 三個(gè)反向支撐力，對(duì)三個(gè)反作用力矢量進(jìn)行求和，即可得出導(dǎo)向力的大小及方向。對(duì)此求和過(guò)程進(jìn)行逆推編程，即可實(shí)現(xiàn)通過(guò)不同代碼調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的不同支撐力，進(jìn)而使得工具按照預(yù)定方向產(chǎn)生軸向偏心，完成軌跡控制。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

D+W 互聯(lián)互通系統(tǒng)鉆具組合在常規(guī)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合中增添了互聯(lián)互通短節(jié)（ABC），該短節(jié)安裝在Welleader 工具與OnTrack 工具間，作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與隨鉆測(cè)斜、測(cè)井工具間的機(jī)械、電氣連接媒介，完成儀器總線協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)交換，并在工具串作業(yè)期間，通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換方式，實(shí)現(xiàn)BCPM2 對(duì)下部D+W 系統(tǒng)的供電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的兼容。

3.1 井口初始化及通電測(cè)試參數(shù)優(yōu)選

D+W 互聯(lián)互通系統(tǒng)井口初始化操作可通過(guò)互聯(lián)互通短節(jié)（ABC）接口進(jìn)行，亦可通過(guò)OnTrack 接口進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間可根據(jù)井架高度及鉆具配長(zhǎng)靈活調(diào)節(jié)。以往的D+W 系統(tǒng)只能通過(guò)隨鉆測(cè)斜、測(cè)井工具接口實(shí)現(xiàn)工具初始化及連通性測(cè)試，在初始化結(jié)束后會(huì)導(dǎo)致Welleader 工具肋板張開(kāi)，入井前需要發(fā)送指令收回肋板，利用互聯(lián)互通短節(jié)執(zhí)行儀器初始化及通電測(cè)試可在實(shí)現(xiàn)同等效果的基礎(chǔ)上避免肋板張開(kāi)，省去發(fā)送指令收回肋板程序。這是該系統(tǒng)在原D+W 系統(tǒng)上的升級(jí)點(diǎn)之一。

儀器入井前可配置多種傳輸時(shí)序，作業(yè)期間根據(jù)需求可在各工作模式之間進(jìn)行切換。傳統(tǒng)的D+W 系統(tǒng)只能通過(guò)正脈沖方式傳遞數(shù)據(jù)，而互聯(lián)互通系統(tǒng)借助第二代BCPM，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波傳輸方式[4]，在此模式下數(shù)據(jù)傳輸速率高且失真較少。在該旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)于渤海油田某井進(jìn)行首次應(yīng)用期間，調(diào)整系統(tǒng)以連續(xù)波傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并在該模式下分別測(cè)試400 kHz至2.0 MHz 頻段下的數(shù)據(jù)傳輸效果；最終驗(yàn)證在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能及泥漿泵注塞頻率綜合條件下，以2.0 MHz頻率下傳輸數(shù)據(jù)串傳輸效果受泥漿泵泵噪影響最小，解碼成功率達(dá)到100%，數(shù)據(jù)解碼效果最佳。

3.2 實(shí)鉆參數(shù)控制與指令調(diào)節(jié)

分析鄰井實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，本井在窗口附近井段鉆進(jìn)期間，鉆頭自然左漂可能性較大，結(jié)合設(shè)計(jì)軌跡井斜方位變化趨勢(shì)，地層自然漂移規(guī)律對(duì)造斜有利。同時(shí)因旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具屬于精密工具，在井下工作過(guò)程中，其驅(qū)動(dòng)芯軸抗疲勞安全性受到來(lái)自鉆壓、鉆柱角速度及鉆井液等多方面影響[5]，在鉆頭出窗口后亦需控制鉆井參數(shù)，規(guī)避井壁臺(tái)階的產(chǎn)生。綜合考慮驗(yàn)證工具造斜能力需要及井眼軌跡控制要求，窗口附近側(cè)鉆初始井段首先采用TF340°，30% Ratio 實(shí)施鉆進(jìn)。當(dāng)OTK 模塊扶正器出窗口后，繼續(xù)采用3～6 t 鉆壓，110 r/min 轉(zhuǎn)速，1 800～1 900 L/min 排量進(jìn)行鉆進(jìn)，本井地層自然漂移規(guī)律，評(píng)價(jià)指令適用情況，而后提高鉆井參數(shù)至4～8 t鉆壓，110 r/min 轉(zhuǎn)速，1 900～2 100 L/min 排量進(jìn)行鉆進(jìn)，充分釋放機(jī)械鉆速。Welleader 互聯(lián)互通工具可提供近鉆頭ECD 數(shù)據(jù)，可為井眼清潔狀況提供參考，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)綜合分析時(shí)效，合理優(yōu)化倒劃眼次數(shù)及時(shí)間，最終將全井段機(jī)械鉆速整體維持在較高水平，提高作業(yè)時(shí)效（見(jiàn)圖2）。

目前，國(guó)產(chǎn)化D+W 系統(tǒng)智能穩(wěn)斜模式尚處于試驗(yàn)階段，該模式下Welleader 工具可自動(dòng)調(diào)節(jié)肋板收縮，進(jìn)而達(dá)到按照目的井斜、方位鉆進(jìn)的預(yù)期效果。但與此同時(shí)，肋板與井壁的頻繁接觸會(huì)導(dǎo)致托壓現(xiàn)象產(chǎn)生，進(jìn)而影響機(jī)械鉆速，作業(yè)人員分析該工具系統(tǒng)在渤海的前期應(yīng)用情況及本井軌跡特點(diǎn)綜合工程質(zhì)量及時(shí)效性考慮[6]，未在本井作業(yè)中采用智能穩(wěn)斜模式，而是根據(jù)設(shè)計(jì)井眼軌跡中井斜、方位變化情況及變化趨勢(shì)，發(fā)送指令調(diào)節(jié)工具導(dǎo)向力與工具面做出少量軌跡預(yù)留，而后發(fā)送指令收回肋板，利用地層自然漂移趨勢(shì)調(diào)整鉆井參數(shù)鉆進(jìn)，此舉既防止了因肋板托壓造成的機(jī)械鉆速影響，又對(duì)工具肋板進(jìn)行了保護(hù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)工具壽命，提高了整體作業(yè)時(shí)效。

圖2 機(jī)械鉆速-井深及ECD 變化關(guān)系圖

4 結(jié)論與建議

（1）本文研究概述了D+W 互聯(lián)互通系統(tǒng)的構(gòu)成、Welleader 工具造斜原理和側(cè)鉆導(dǎo)向力合成機(jī)理，解決了傳統(tǒng)D+W 系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速度方面存在不足。

（2）研究表明，基于互聯(lián)互通技術(shù)的第二代D+W系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)暴露的數(shù)據(jù)傳輸速率低、解碼易失真等問(wèn)題，大大提高了鉆井作業(yè)效率。并適用于包擴(kuò)深井、復(fù)雜井在內(nèi)的渤海各井型鉆井作業(yè)，應(yīng)用前景廣闊。

（3）采用D+W 互聯(lián)互通系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)斜段鉆進(jìn)時(shí)，盡量借助地層自然漂移規(guī)律，在肋板收回的狀態(tài)下鉆進(jìn)，依靠參數(shù)對(duì)軌跡趨勢(shì)做出微調(diào)，以消除肋板托壓影響，充分釋放機(jī)械鉆速。