導向鉆井下行指令傳輸的井下接收裝置研究

霍愛清，湯 楠，汪躍龍，程為彬

(西安石油大學，陜西西安710065)

0 引 言

旋轉導向閉環鉆井技術是當今最具突破性和戰略意義的現代鉆井新技術［1－4］。在旋轉導向鉆井中，地面監控系統和操作人員需要根據井下信息，不斷調整發送給井下工具的控制指令從而控制井下導向工具，使鉆井軌跡按預定的設計逼近靶區。要實現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旋轉導向鉆井技術發展具有重要的現實意義。

由于鉆機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］，國內外研究人員為此進行了各種研究。文獻［6］提出了用傾斜計和三軸磁力計監測鉆柱的旋轉角度或鉆柱的旋轉速率，以形成命令代碼，但該方法磁力計輸出易受地層參數的影響，且只能用于裸眼井。專利US7298285［7］則是通過監測井下工具中泥漿發電機的轉子轉速變化實現下行通道的信號接收，該方法在使用過程中需抬起鉆頭，以避免井下鉆具組合BHA 在旋轉過程中鉆頭與井底之間的摩擦力，才能保證更好地控制轉動速度。專利US2006225920［8］中下行通道系統則是利用泥漿流速的改變傳送地面命令信號，該方法檢測系統的物理結構比較復雜，且當鉆柱轉速較低時，會產生較大的誤差。西安石油大學傅鑫生教授等對鉆柱施加一定激勵，通過井下實測鉆頭處的振動信號來解碼地面發送的編碼信號，該方法在正常的井況條件下可以實現信息傳遞，但它需要提起鉆桿進行信息傳遞，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］結合鉆井工程實際，確定出地面信號下傳系統宜采用泥漿壓力脈沖方式，但只給出了地面信號下傳系統的設計方案和工作原理。

調制式旋轉導向鉆井中［12］，渦輪電機本身就是導向鉆井工具中的一部分，不需額外地增加檢測傳感器，裝置簡單可靠，可有效解決文獻［6－11］中存在的問題。因此，開發以渦輪電機為井下信息接收裝置，實現地面向井下發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

為了有效實現井下接收信息，必須對下行指令編碼有特殊的要求。

綜合考慮國內外現行的旋轉導向工具的指令下傳方式及其編碼方式等特點［5］，以鉆井液為傳輸介質，提出通過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有導向鉆井的鉆井工藝，也不影響實際鉆井導向操作，從而突破現有國內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 個下降沿和3 個上升沿組成，編碼指令示意圖如圖1 所示。在不影響鉆井前提下，通過在鉆柱中產生20% 左右的鉆井液排量變化產生脈沖，三降三升的鉆井液排量變化波會產生5 個脈寬，即5 位編碼。只要保證有足夠的脈寬，計算機就可以識別，同時變排量操作需有一定的反應時間。規定脈寬為T 的整數倍，其中T 值不能小于井眼內鉆井液波動的衰減周期。

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

2 井下檢測接收裝置設計

2.1 設計要求

導向鉆井系統正常工作時，鉆井液排量變化范圍為20 L/s～45 L/s，井下渦輪電機工作頻率變化范圍為10～60 Hz，其電壓測量范圍為20～120 V。考慮到井下工具工作環境的特殊性，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 ℃，故要求檢測裝置工作溫度為125 ℃。系統應能夠承受近鉆頭200 g 的沖擊。

井下渦輪電機設計為過流式結構，電機內部的材料選用嚴格，能在200 ℃以下的酸、堿和油環境中長期工作。

軸承設計方面，對帶鏡面密封和不帶鏡面密封、加黃銅套鍍鉻及滾動軸承等不同結構的渦輪發電機進行試驗表明，有鏡面密封時，電機的效率更高，但其可靠性達不到設計要求。由于國內無法加工專用的橡膠軸承，為滿足工程需要，選用了滾動軸承系。

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

2.2 渦輪電機

渦輪電機由外渦輪、電機主軸、定子繞組、定子鐵心、永久磁鐵等組成，內部結構示意圖如圖2 所示。電機主軸上有定子繞組，電機的永磁磁極固定在機殼內部，渦輪固定在電機主體外部。在鉆鋌內鉆井液驅動渦輪旋轉，使電機發電，產生交變電壓，從而為導向鉆井工具中的控制系統提供工作電源。根據導向鉆井要求，所設計的渦輪電機采用低速大扭矩渦輪，電機采用單相繞組，額定輸出電壓15 V，功率100 W。

井下渦輪電機是為導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置壓力或流量傳感器，簡化了井下信息接收裝置的安裝，提高系統的可靠性。用于井下試驗的渦輪電機實物如圖3 所示。

2.3 井下渦輪電機電參數檢測系統設計

由于井下的空間限制和高溫高壓環境的限制，工作在井下渦輪電機電參數檢測具有有別于地面的特殊性，首先是對測量器件有尺寸限制;其次是測量過程無法直接觀察，測量數據只能由測量裝置記錄的數據事后回放與地面記錄進行對照分析;三是必須解決高溫高壓與沖擊振動對測量電路板的影響。

根據系統設計要求，井下渦輪電機采用單相交流永磁電機，其電參數檢測電路采用Rogowski 微型互感線圈檢測其電壓，具體電路由信號檢測、精密整流、濾波、A/D 轉換與數字處理等環節構成［15］，井下檢測電路封裝在導向鉆井工具的測控電子艙中，電參數檢測系統結構如圖4 所示，井下信號處理電路實物圖如圖5 所示。

3 井下指令接收測試實驗

3.1 渦輪電機井下水力實驗

為了研究渦輪排量與電機輸出電壓之間的動態關系，必須進行水力驅動試驗。在完成井下渦輪電機電參數檢測系統設計、調試與標定后，進行了多次水力驅動現場測試。

水力驅動實驗采用單臺三缸往復式鉆井泵，鉆井泵沖數在20～120 沖/min，缸徑150 mm。通過泥漿泵給鉆鋌注入泥漿，帶動渦輪電機轉動。當排量從11 L/s 至27 L/s 變化時，實測的渦輪電機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電壓之間呈現線性關系，因此完全可以用渦輪電機作為井下檢測裝置實現對下傳指令的接收，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轉換成電壓變化信號。

3.2 三降三升下傳指令的接收實驗

3．2．1 地面模擬實驗

為了驗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，進行了地面模擬實驗［5］，地面模擬實驗裝置如圖7 所示。在地面模擬實驗中，利用拖動電機模擬泥漿泵，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 相當于泥漿泵鉆井液正常排量，40 Hz 相當于鉆井液正常排量的80%。經變頻器輸出三降三升，實現一組指令的發送。經檢測接收和編碼解釋，還原出發送的控制指令。實驗結果表明，接收和發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現指令下傳的可行性。

3．2．2 井下實驗

試驗時通過改變鉆井液排量及對應每一位脈寬的時間實現對指令的編碼。

圖8 為某次下傳指令時渦輪電機井下接收實驗曲線圖。圖中前兩個3 min 對應的排量分別為22 L/s、24 L/s。從361 s 開始進行三降三升變排量試驗，排量由24 L/s 變至18 L/s，又升至22 L/s，再降至18 L/s，如此反復形成5 個指令編碼，每個排量保持30 s。記錄的電壓準確反映了排量的波動，測量與記錄的曲線變化平滑，連續，測量準確。

井下現場試驗證明，井下渦輪電機實現了對鉆井液排量變化的精確測量，準確再現了下傳的編碼指令，為下行通信解碼提供了可靠的數據，同時也為進一步研究導向鉆井控制系統井下控制規律提供準確數據和測試手段。

4 結 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、安裝位置以及與測量電路連接等問題。

3)通過渦輪電機可以實現對鉆井液排量變化的檢測，將鉆井液排量變化轉變成電壓信號。

［1］ Laurie P，Philip H，Smith J E．Smart drilling with electric drill string［J］．Oil ＆ Gas Science and Technology，2004，59(4):343－345．

［2］ 張紹槐．現代導向鉆井技術的新進展及發展方向［J］．石油學報，2003，24(3):82－85．

［3］ 姜偉，蔣世全，盛利民，等．旋轉導向鉆井工具系統的研究及應用［J］．石油鉆采工藝，2008，30(5):21－24．

［4］ 吳超，菅志軍，郭云，等．旋轉導向鉆井系統關鍵技術研究與實鉆試驗［J］．中國海上油氣，2012，24(3):52－57．

［5］ 李琪，彭元超，張紹槐，等．旋轉導向鉆井中指令下傳技術的研究［J］．石油學報，2007，28(4):108－111．

［6］ Engelder．Method and apparatus for telemetry while drilling by changing drill string rotation angel or speed:United states:4763258［P］．1998－08－09．

［7］ Moriarty K．Rotary downlink system．美國，7298285［P］．2007 －11－1．

［8］ Treviranus．Method and apparatus for downlink communication［P］．United States:2006225920．2006－10－12．

［9］ 尚海燕，周靜，付鋼．閉環鉆井由地面向井下通訊的一種實現方法［J］．西安石油學院學報(自然科學版)，2002，3(17):70－73．

［10］ 周靜，付鑫生．利用敏感井底鉆具振動傳遞地面信息的方法［J］．石油學報，2005，26(2):104－107．

［11］ 劉修善，蘇義腦．地面信號下傳系統的方案設計［J］．石油學報，2000，21(6):88－92．

［12］ 閆文輝，彭勇，張紹槐．旋轉導向鉆井工具的研制原理［J］．石油學報，2005，26(4):94－97．

［13］ Tang Nan，Huo Aiqing，Wang Yaolong，et al．Study and Implement of Downward Communication Function in Rotary Steerable Drilling System［C］/ /WCSE．2009:494－497．

［14］ 湯楠，穆向陽．調制式旋轉導向鉆井工具穩定平臺控制機構研究［J］．石油鉆采工藝，2003，25(3):9－12．

［15］ 汪躍龍，呂錦省，霍愛清，等．井下渦輪電機參數精密檢測系統設計［J］．微特電機，2010，38(11):24－30．