高速泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)推廣適應(yīng)性研究

王智明，賈立鵬，李 剛，張 爽，郭心宇

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊 065201）

1 概述

中海油服自主研發(fā)的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：“Drilog?”）到2020年底，已完成520井次作業(yè)[1]。Drilog?采用正作用泥漿脈沖器，泥漿壓力波通過(guò)鉆井液上傳，可以實(shí)現(xiàn)0.5～3bps數(shù)據(jù)傳輸速率，將井下實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)可通過(guò)指令下傳裝置將特定指令發(fā)送給井下儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下儀器工作模式的實(shí)時(shí)控制。

Drilog?研發(fā)之初，傳輸速率只有0.5bps，通過(guò)對(duì)已有正作用脈沖器編碼方式改進(jìn)，傳輸速率最快提升到了3bps，但實(shí)際使用中受鉆進(jìn)過(guò)程中各種參數(shù)影響，該類型脈沖器3bps傳輸速率在現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性較差，難以推廣。

傳輸速率是自主研發(fā)Drilog?的瓶頸，反觀國(guó)外兩大測(cè)井公司高速率傳輸儀器，斯倫貝謝Telescope和貝克休斯BCPM2，其傳輸速率裸傳超過(guò)12bps，甚至達(dá)到40bps。為了解決海上鉆井對(duì)鉆進(jìn)時(shí)效的需求，掛接高端隨鉆儀器，2017年中海油服采用了互聯(lián)互通的形式，借助貝克休斯BCPM2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸。誤碼率低，實(shí)井鉆進(jìn)效果好[2]。

隨鉆泥漿脈沖技術(shù)為隨鉆傳輸關(guān)鍵技術(shù)。中海油服自2012年起自主研制了高速傳輸系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“HSVP”），于2016年新疆輪臺(tái)進(jìn)行首次實(shí)鉆試驗(yàn)成功，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了12bps的傳輸速度。自此，國(guó)外高端泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)中國(guó)銷售，同時(shí)日費(fèi)也大幅降低。

經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和完善，中海油服自主研發(fā)的高速率泥漿脈沖器傳輸系統(tǒng)至2020年12月，已完成包括陸地和海上合計(jì)10口井的試作業(yè)。

2 Drilog?隨鉆測(cè)井系統(tǒng)

中海油服自主研發(fā)的Drilog?由井下儀器和地面系統(tǒng)組成[3-4]，如圖1所示。

圖1 Drilog?系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 Drilog?井下儀器

Drilog?井下儀器主要包括由隨鉆測(cè)量?jī)xDIM（MWD系統(tǒng)）、工程參數(shù)測(cè)量?jī)xDSM及隨鉆電阻率伽馬一體化測(cè)井儀ACPR組成。DIM采用泥漿正脈沖發(fā)生器作為井下信息上傳裝置，以三軸加速度計(jì)及三軸正交的磁通門(mén)實(shí)現(xiàn)井眼的井斜、方位及工具面角測(cè)量。DSM負(fù)責(zé)總線通訊控制及系統(tǒng)授時(shí)和供電，并具備超聲井徑測(cè)量，環(huán)空壓力測(cè)量及振動(dòng)沖擊測(cè)量的功能。ACPR集成電磁波電阻率和自然伽馬測(cè)量，具備多探測(cè)深度、高縱向分辨率等特性。

2.2 Drilog?地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)由前端處理單元（EPU）和地面管理主系統(tǒng)（IDEAS）組成，二者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊。EPU實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集處理、實(shí)時(shí)計(jì)算和通道擴(kuò)展功能[8]，符合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)防爆隔離的安全規(guī)范。IDEAS系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)管理、儀器通訊、實(shí)時(shí)解碼計(jì)算、出圖顯示等功能模塊。系統(tǒng)通過(guò)井場(chǎng)信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)（WITS），可將井場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)交氐膶?shí)時(shí)專家決策系統(tǒng)（RTC），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向。

3 HSVP?高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)

Drilog?中MWD系統(tǒng)低速正作用泥漿脈沖器制約了成像高端儀器的使用，需要研制高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)，替代正作用泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)。

自2012年1月開(kāi)始，為了解決傳輸瓶頸，中海油服開(kāi)始投入力量進(jìn)行新一代高速泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)的研發(fā)。至2013年12月，研制出高速率泥漿脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的脈沖發(fā)生短節(jié)，數(shù)據(jù)采集及解調(diào)子系統(tǒng)軟件，該短節(jié)在中海油服燕郊科技園3000m地面循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)傳輸速率10Bit/s。在該階段，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了儀器傳動(dòng)方案，驅(qū)動(dòng)控制硬件軟件，消噪降噪方法，此外還進(jìn)行了泥漿脈沖信號(hào)傳輸特性分析、信道容量分析、流體數(shù)值分析等初步研究。

2016年10月，中海油服自主研發(fā)的新一代擺動(dòng)閥泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)，在中國(guó)海油COSL工程技術(shù)學(xué)院新疆分院的“探索者”號(hào)鉆井平臺(tái)上，按照預(yù)先制定的實(shí)驗(yàn)方案完成了首次真井循環(huán)和實(shí)鉆實(shí)驗(yàn)。最終成功實(shí)現(xiàn)了3016m井深時(shí)，實(shí)鉆實(shí)時(shí)傳輸速率12bps的傳輸指標(biāo)。

新一代高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)由井下脈沖發(fā)生器和地面數(shù)據(jù)采集解調(diào)系統(tǒng)兩部分組成。

3.1 高速傳輸系統(tǒng)井下儀器

自主研發(fā)的高速泥漿脈沖器采用獨(dú)立短節(jié)結(jié)構(gòu)，利用插接的方法進(jìn)行連接，井下儀器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，由適配頭、流道轉(zhuǎn)換1、電子骨架、流道轉(zhuǎn)換2、脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)、鉆鋌、流道轉(zhuǎn)換3、硬連接等組成。

圖2 井下脈沖器結(jié)構(gòu)示意圖

自主研發(fā)的高速泥漿器為擺動(dòng)閥原理的脈沖器，轉(zhuǎn)子以1～40Hz的頻率進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，定轉(zhuǎn)子周期性斷流體通道，是產(chǎn)生壓力波的機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子擺動(dòng)的傳動(dòng)系是脈沖器主要耗能機(jī)構(gòu)，也決定著轉(zhuǎn)子的位置精度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度[5-6]。

3.2 HSVP地面數(shù)據(jù)采集及解碼系統(tǒng)

地面系統(tǒng)由壓力傳感器、泵沖傳感器、數(shù)據(jù)采集箱、終端顯示等組成。數(shù)據(jù)采集箱見(jiàn)圖3。

圖3 地面數(shù)據(jù)采集解調(diào)系統(tǒng)框圖

從接收到的泥漿壓力信號(hào)中獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)采樣、數(shù)據(jù)去噪、消除泵噪、匹配濾波、同步、均衡解碼等過(guò)程[7]。其流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)解調(diào)流程

4 HSVP?陸地和海上推廣作業(yè)

4.1 儀器組合情況

自2017年開(kāi)始，HSVP?進(jìn)入儀器改進(jìn)完善、試作業(yè)及推廣作業(yè)階段，在實(shí)鉆中改進(jìn)儀器，對(duì)解碼算法進(jìn)行迭代。到2020年10月，共完成8口陸地井作業(yè)。在陸地油田主要提供MWD測(cè)量、軌跡控制服務(wù)。提供的定向數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，滿足作業(yè)要求。

2020年12月HSVP?在渤海完成了首次試作業(yè)。海上油田為甲方提供MWD測(cè)量、LWD測(cè)井、軌跡控制服務(wù)，儀器工作正常，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確，軌跡控制符合甲方要求。該井的作業(yè)成功，為Drilog?高速率脈沖器作業(yè)模式的完善奠定了基礎(chǔ)。HSVP?完成的試驗(yàn)及推廣作業(yè)情況見(jiàn)圖5。

圖5 HSVP累計(jì)進(jìn)尺及循環(huán)時(shí)間

4.2 HSVP?作業(yè)分析

4.2.1 鉆井設(shè)備及儀器組合影響

（1）泵噪影響。解碼成功率對(duì)泥漿泵依賴較大，消噪算法主要是消除泵噪對(duì)信號(hào)的影響，一般通過(guò)時(shí)域或頻域方法消噪，時(shí)域消噪要求泵沖穩(wěn)定。單泵供液時(shí)，泵沖頻率在100次/min左右，雙泵供液時(shí)，泵沖頻率在50次/min左右，雙泵供液時(shí)要求兩個(gè)泵的泵沖要基本一致。

高速傳輸?shù)妮d波頻率完全可以避開(kāi)泵噪。避開(kāi)噪聲及噪聲N次諧波能量段，可采用較高載波頻率。泥漿泵轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，泥漿泵空氣包，泥漿泵老化，箱體和活塞密封不嚴(yán)，形成供液系統(tǒng)噪聲渦輪發(fā)電機(jī)的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)解碼影響不大，高頻帶外噪聲。

（2）BHA影響。BHA中渦輪發(fā)電機(jī)、馬達(dá)等，會(huì)隨著排量的變化產(chǎn)生周期性噪聲，這些噪聲屬于帶外噪聲，不影響解碼。

鉆頭水眼、儀器變徑、脈沖器剪切閥距離鉆頭的位置等，會(huì)使泥漿壓力波產(chǎn)生反射，形成疊加，進(jìn)而形成頻選效果，通過(guò)選擇載波頻率，可有效地解決這個(gè)問(wèn)題[8-9]。

此外，脈沖器作業(yè)對(duì)BHA中使用馬達(dá)時(shí)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，以及是否使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具均不敏感。

（3）鉆井工程參數(shù)對(duì)解碼的影響。泵壓波動(dòng)對(duì)解碼成功率影響不大。鉆壓不穩(wěn)對(duì)解碼成功率影響也不大。

海上作業(yè)當(dāng)ROP超過(guò)100h，解碼成功率仍然超過(guò)98%，表明ROP對(duì)解碼影響較小。

（4）泥漿參數(shù)對(duì)解碼系統(tǒng)的影響。統(tǒng)計(jì)顯示，作業(yè)井的泥漿密度1.1～1.4g/cm3之間，這個(gè)密度區(qū)間對(duì)驅(qū)動(dòng)控制效果及解碼效果影響不大。泥漿中含有氣泡會(huì)影響解碼，這主要是泥漿中含有氣泡會(huì)改變壓力波的傳播速度，需要解碼系統(tǒng)有高度的自適應(yīng)特性。

泥漿粘度的影響需要在后續(xù)的作業(yè)中驗(yàn)證。

4.2.2 安全性及適用性分析

（1）脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)定子上插件、轉(zhuǎn)子材料均為硬質(zhì)合金，泥漿中有落物沖擊時(shí)易碎，會(huì)造成鉆柱內(nèi)憋壓?？梢酝ㄟ^(guò)增加濾網(wǎng)短節(jié)過(guò)濾來(lái)流中的落物。

（2）泥漿里面混有氣泡，泥漿粘度過(guò)大，原始信號(hào)幅值弱，都會(huì)造成解碼不成功。

（3）電機(jī)控制參數(shù)目前可匹配大部分井況，幾乎無(wú)需在井口調(diào)試。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）截至2020年底，中海油服自主研發(fā)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)累計(jì)超過(guò)鉆進(jìn)50×104m，作業(yè)范圍全面覆蓋國(guó)內(nèi)海上和主要陸地油氣產(chǎn)區(qū)。目前高速傳輸主要采用互聯(lián)互通的方式，即利用國(guó)外公司的高速傳輸儀器進(jìn)行作業(yè)。

（2）中海油服自主研發(fā)的高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)自2016年開(kāi)始進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)，迄今完成了10井次的實(shí)鉆，總進(jìn)尺14912m，總循環(huán)時(shí)間1845.3h。在2019～2020年度，形成穩(wěn)定作業(yè)能力，證明了系統(tǒng)在鉆進(jìn)過(guò)程中測(cè)井質(zhì)量?jī)?yōu)良，為系統(tǒng)的擴(kuò)大使用積累了作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

（3）高速率脈沖遙傳技術(shù)是隨鉆測(cè)井系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，隨著自主高速傳輸儀器的定型和量產(chǎn)，可逐步替代國(guó)外高速傳輸儀器。

（4）隨著作業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累，儀器設(shè)計(jì)日益完善，其作業(yè)線可掛接儀器日益增多，由基本的MWD拓展到ACPR電阻率伽馬，再到先進(jìn)的中子、密度等測(cè)井儀器，甚至高端成像儀器，自主研發(fā)的HSVP?高速泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)，可充分滿足日益增長(zhǎng)的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸量需求。