貝克休斯AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向指令成功率與渦輪轉(zhuǎn)數(shù)配比研究

李 旭, 宋少博, 高立軍, 田秀明

(大慶鉆井工程技術(shù)研究院, 黑龍江大慶 163413)

除了能夠在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn), 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向區(qū)別于常規(guī)LWD最重要的一點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)井下工具和地面系統(tǒng)的雙向通訊：既能通過泥漿脈沖上傳井下的隨鉆測(cè)量信息(LWD), 又能夠在地面下傳指令改變工具的工作狀態(tài)和測(cè)量序列, 實(shí)現(xiàn)下傳通訊[1-3]。AutoTrak旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是貝克休斯（Baker Hughes, 美國(guó)公司）在垂直鉆井系統(tǒng)ATKV的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)出來, 雖然井下工具不斷更新升級(jí), 下傳通訊設(shè)備卻始終沿用ABPA[4]。作為下發(fā)指令的核心設(shè)備, ABPA性能穩(wěn)定可靠, 但由于鉆井隊(duì)之間設(shè)備差異和泥漿井深等影響因素, 指令發(fā)送不成功的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。隨鉆儀器工程師在現(xiàn)場(chǎng)通常通過經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置, 這就不可避免增加了試錯(cuò)成本。本文以井下渦輪轉(zhuǎn)數(shù)配比作為研究對(duì)象, 根據(jù)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行反推, 以實(shí)現(xiàn)增加下發(fā)指令成功率的目標(biāo)。

1 下行通訊模塊

1.1 發(fā)送模塊ABPA

旁通機(jī)構(gòu)ABPA（Adjust Bypass Actuator）是貝克旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向下發(fā)指令調(diào)整井下工具工作狀態(tài)和上傳序列的關(guān)鍵設(shè)備, 其內(nèi)部有兩個(gè)帶孔的碟片, ABPA實(shí)物圖見圖1。閥門關(guān)閉時(shí), 即常規(guī)狀態(tài)下兩個(gè)閥片保持相互垂直的狀態(tài), 此時(shí)泄流面積為0。當(dāng)下發(fā)指令時(shí), BPA利用氣源提供的動(dòng)力, 控制閥片會(huì)錯(cuò)開一定的角度, 立管內(nèi)的泥漿在泵壓推動(dòng)下從兩個(gè)碟片之間孔洞錯(cuò)出的流道流出。分流出的泥漿通過出口管線把立管內(nèi)的泥漿泄到泥漿池內(nèi), 改變鉆具內(nèi)的排量。

圖1 ABPA實(shí)物圖

貝克旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)就是通過控制ABPA閥門的開關(guān)頻率和間隔時(shí)間, 使得井下工具渦輪轉(zhuǎn)數(shù)發(fā)生周期性變化, 進(jìn)而識(shí)別地面?zhèn)鬏數(shù)闹噶钚畔ⅰ?/p>

1.2 接收模塊BCPM

BCPM（Bi-Directional Communication and Power Module）是在工具脈沖器功能（上傳井下測(cè)量信息）基礎(chǔ)上, 研發(fā)的接收下行指令的新模塊。為了讓BCPM能夠識(shí)別下傳信息的內(nèi)容, 下傳的信息需要以特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼。同時(shí), 當(dāng)BCPM成功接收到Downlink指令后, 通過13序列上傳到地面系統(tǒng), 確認(rèn)指令信息, 形成閉環(huán)通訊。Downlink信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

（1）喚醒序列Wake-Up Sequence：?jiǎn)拘研蛄邪凑請(qǐng)D2所示流程控制ABPA閥門, BCPM的渦輪轉(zhuǎn)數(shù)隨之發(fā)生變化。BCMP根據(jù)解碼的信息識(shí)別喚醒序列, 此時(shí)Pulser開始停止向地面發(fā)送脈沖信號(hào)。

圖2 喚醒序列控制流程

（2）指令Header Byte：頭部字節(jié)主要分別兩部分, 第一部分是指令的類型, 第二部分為奇偶校驗(yàn)位。

（3）數(shù)據(jù)Data：數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)了具體的下傳參數(shù)。

（4）校驗(yàn)Checksum：Checksum的作用是錯(cuò)誤檢測(cè), 當(dāng)Checksum監(jiān)測(cè)為錯(cuò)值, BCPM將拒絕接收Downlink的指令。

2 渦輪轉(zhuǎn)數(shù)影響因素

和普通的水力和風(fēng)力葉輪類似, BCPM的渦輪發(fā)電機(jī)也是將鉆井液的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能：鉆井液通過導(dǎo)流定子流出后, 以一個(gè)合適角度告訴沖擊渦輪轉(zhuǎn)子, 轉(zhuǎn)子隨之高速旋轉(zhuǎn)；同時(shí)在磁場(chǎng)的作用下, 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生交流電流, 再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)化為33V直流電為導(dǎo)向頭和隨鉆測(cè)量工具供能。

在經(jīng)驗(yàn)公式中, 渦輪轉(zhuǎn)數(shù)和通過渦輪的實(shí)際流量、渦輪計(jì)算半徑、轉(zhuǎn)子出入口截面積、渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)出口處的鉆井液絕對(duì)速度相關(guān)。此外, 實(shí)際影響渦輪轉(zhuǎn)數(shù)的參數(shù)還有很多, 再加上諸如液流偏離、泵效等忽略的影響參數(shù), 無法直接對(duì)渦輪轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行線性描述。

3 信號(hào)識(shí)別和渦輪高低轉(zhuǎn)數(shù)配比

BCPM模塊通過渦輪的高低轉(zhuǎn)數(shù)來識(shí)別下傳的信號(hào), 排量與渦輪轉(zhuǎn)數(shù)成正相關(guān), 但卻不能夠量化。

實(shí)際工作中通過控制手輪的圈數(shù)來調(diào)整碟片錯(cuò)開的角度, 達(dá)到調(diào)整泄流面積的目的。根據(jù)貝克休斯提供的手冊(cè)合理的泄壓量保持在20%, 8.5″井眼的手輪初始圈數(shù)為24圈, 隨著井深的增加逐漸增加圈數(shù)。

施工過程中, 出現(xiàn)過若干次指令下發(fā)不成功的現(xiàn)象, 需要通過控制手輪的圈數(shù)來調(diào)整泄流面積, 根據(jù)貝克休斯提供的手冊(cè), 合理的泄壓量保持在20%, 8-1/2″井眼的手輪初始圈數(shù)為24圈, 隨著井深的增加逐漸增加圈數(shù), 但卻無法量化所需對(duì)比。針對(duì)這個(gè)問題, 本文對(duì)井下渦輪的轉(zhuǎn)數(shù)做了數(shù)據(jù)分析, 并研究對(duì)比了發(fā)送指令成功時(shí)的解碼曲線的變化規(guī)律, 總結(jié)出指令發(fā)送成功的參數(shù)配比和應(yīng)對(duì)方案。

3.1 數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)象描述

井下模塊通過渦輪的高低轉(zhuǎn)數(shù)來識(shí)別信號(hào)。雖然可以通過控制排量來控制井下渦輪轉(zhuǎn)數(shù), 但實(shí)際影響渦輪轉(zhuǎn)數(shù)的參數(shù)很多, 包括泥漿密度、排量、井深, 因此無法通過排量對(duì)渦輪轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行線性描述。

3.1.1 數(shù)據(jù)分析

觀察發(fā)現(xiàn), 通過直接對(duì)成功發(fā)送指令的渦輪轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析, 可以給出渦輪轉(zhuǎn)數(shù)的配比范圍。統(tǒng)計(jì)方法為（高轉(zhuǎn)速-低轉(zhuǎn)數(shù)）/高轉(zhuǎn)數(shù), 其中轉(zhuǎn)數(shù)的差值代表了泄壓形成的波動(dòng), 只有波動(dòng)在井下模塊的可識(shí)別范圍內(nèi), 指令才能發(fā)送成功。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 比值控制在0.27～0.37之間, 井下模塊就能夠識(shí)別下傳指令。

3.1.2 解碼預(yù)判

除了數(shù)據(jù), 通過觀察發(fā)送指令期間的解碼界面, 也能夠識(shí)別指令下傳的情況。當(dāng)圖3標(biāo)志的直線部分出現(xiàn)時(shí), 表明井下BCPM模塊識(shí)別到了下傳指令, 控制脈沖器停止動(dòng)作。實(shí)鉆過程中, 可以觀察直線部分出現(xiàn)的位置有如下情況：

圖3 下傳指令圖

（1）出現(xiàn)過早, 證明當(dāng)前設(shè)置泄壓量可能過大, 需要減少手輪圈數(shù), 極端情況甚至?xí)鹦蛄兄貑ⅰ?/p>

（2）出現(xiàn)過晚, 證明當(dāng)前泄壓量可能不足, 需增加手輪圈數(shù)或進(jìn)行其他調(diào)整。

3.2 解決方案

通過上述分析, 解決發(fā)送指令成功率的關(guān)鍵是合適的渦輪高低轉(zhuǎn)數(shù)配比, 可以通過以下步驟提高成功率：

（1）觀察解碼界面：觀察發(fā)送指令期間的解碼界面, 當(dāng)直線部分出現(xiàn)在指令后期時(shí), 很大幾率是泄壓量不足。

（2）計(jì)算渦輪轉(zhuǎn)數(shù)配比：下發(fā)指令成功后, 會(huì)上傳此次指令渦輪的高低轉(zhuǎn)數(shù), 如果泄壓比接近0.27～0.37的邊緣時(shí), 就需要調(diào)整手輪或排量。

（3）調(diào)整參數(shù)：如果泄壓比值貼近0.27時(shí)可以通過增加手輪圈數(shù)或降低泵沖進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)論

（1）影響井下渦輪轉(zhuǎn)數(shù)因素較多, 難以對(duì)渦輪轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

（2）通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 反推出貝克休斯ABPA發(fā)送指令成功的渦輪轉(zhuǎn)數(shù)配比區(qū)間為0.27～0.37。

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí), 可以根據(jù)上返的渦輪轉(zhuǎn)數(shù)配比和解碼情況來判斷當(dāng)前手輪配比情況是否合理, 提高發(fā)送指令的成功率。