導(dǎo)向鉆井中壓力指令下傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 潘海洋

0 引言

導(dǎo)向鉆井技術(shù)是石油鉆井工程的最新研究領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)[1]。導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可以追蹤并鉆達(dá)含油豐富的油層，對(duì)于復(fù)雜條件下常規(guī)鉆井技術(shù)難以解決的井眼軌跡控制問題，導(dǎo)向鉆井更能顯示其優(yōu)越性。

在導(dǎo)向鉆井工程中，井地間雙向通訊系統(tǒng)是核心技術(shù)之一[2]。在我國，個(gè)別單位和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功研制出了基于鉆井液壓力波的無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)，即上傳通信系統(tǒng)[3]。而地面信息下傳系統(tǒng)，國外以廣泛應(yīng)用于鉆井工程中[4]，但國內(nèi)目前沒有成熟的技術(shù)。研究指令下傳技術(shù)有助于打破國外的技術(shù)壟斷局面，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)設(shè)備的國產(chǎn)化，對(duì)提高我國鉆井水平、提高油氣開采效率和采收率有重要意義。

1 鉆井信息的傳輸

1.1 有線傳輸方式

電纜傳輸方式是在鉆桿內(nèi)部導(dǎo)入電導(dǎo)線，導(dǎo)線的類型一般是鎧裝電纜。電纜傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)信息的雙向高速傳遞，且可以直接向井下設(shè)備提供電力。其缺點(diǎn)是經(jīng)常有鉆進(jìn)困難的現(xiàn)象，影響正常鉆進(jìn)過程。

特種鉆桿傳輸方式是將連續(xù)導(dǎo)體附在鉆桿內(nèi)使其成為鉆桿整體的一部分。裝在鉆桿接頭內(nèi)的特殊連接裝置使鉆柱在整個(gè)長度內(nèi)導(dǎo)電，從而實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)體從地面通向井底。特種鉆桿傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸快、雙向通信簡單；缺點(diǎn)是成本高，且操作復(fù)雜。

光纖傳輸方式是將光纖導(dǎo)入井眼中,光纖長度為整個(gè)鉆柱的長度。光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，能以大約1Mbit/s的速率傳送數(shù)據(jù)；缺點(diǎn)是光纖脆弱要加保護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩根光纖的對(duì)接不如電導(dǎo)線方便，光纖很難傳輸電能。

1.2 無線傳輸方式

電磁波傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要機(jī)械接收裝置，數(shù)據(jù)傳輸速度較快,適合于普通泥漿、泡沫泥漿、空氣鉆井、激光鉆井等鉆井施工中傳輸定向和地質(zhì)資料參數(shù)。不足之處是由于傳輸信號(hào)快速衰減，導(dǎo)致 EM 測(cè)量方法只適合在淺井中使用，且易受井場(chǎng)電氣設(shè)備和地層電阻率的影響，從而使信號(hào)的探測(cè)和接收變得較困難。

聲波傳輸方式實(shí)現(xiàn)方法簡單、投資較少。但信號(hào)在鉆桿中傳播衰減很快，需要在鉆桿內(nèi)每隔400～500m裝1個(gè)中繼站。并且易被鉆井設(shè)備產(chǎn)生的聲波噪聲所干擾，使系統(tǒng)可靠行降低。目前該技術(shù)應(yīng)用的最大井深為3000～4000m。

鉆井液脈沖傳輸方式是以鉆井液為傳輸介質(zhì)，通過改變鉆桿中鉆井液的排量產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而傳輸鉆井信息。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)鉆井工具的工藝沒有特殊的要求和限制，降低了開發(fā)成本；對(duì)正常鉆井作業(yè)影響很小，且通信可靠，能遠(yuǎn)距離傳輸。但由于壓力脈沖在鉆井液中傳播的速度較低，致使該方式的數(shù)據(jù)傳輸速率較低。并且在氣體和氣、液雙相流體中不能夠采用鉆井液脈沖傳輸方式。

導(dǎo)向鉆井下行傳輸?shù)亩酁榭刂浦噶?，指令?shù)據(jù)量小且間隔較長。因此，下行信息傳輸以鉆井液脈沖傳輸方式為最優(yōu)選擇。而且便于與目前廣泛使用的鉆井液脈沖方式上傳信息的MWD相結(jié)合，形成井地雙向通信系統(tǒng)。

2 下傳指令的編碼方式

鉆井液脈沖分為正脈沖和負(fù)脈沖兩種形式。綜合考慮導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)下行通訊傳輸?shù)纳疃取⑺俾?、可靠性的?shí)際需求及井下工具的工作特點(diǎn)等因素，采用鉆井液負(fù)脈沖方式來傳遞信息。

通過對(duì)鉆井液負(fù)脈沖波形的研究，發(fā)現(xiàn)鉆井液負(fù)脈沖的下降沿時(shí)間比上升沿時(shí)間短，單位時(shí)間內(nèi)下降沿的變化量比上升沿的變化量大。因此，在充分考慮到井下識(shí)別準(zhǔn)確性、指令傳輸時(shí)間、鉆井工藝的可行性等要求的前提下，設(shè)計(jì)了利用壓力脈沖下降沿和相鄰下降沿時(shí)間差的下傳指令編碼方式（圖1）。

圖1 指令下傳的編碼方式

其中脈沖T1、T3分別作幀頭和幀尾表示脈沖信號(hào)的開始和結(jié)束。T2包含著核心命令字。T1～t7是T的整數(shù)倍。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)得鉆井液脈沖下降沿時(shí)間至少2秒，考慮到下降沿的產(chǎn)生以及下降沿的檢測(cè)誤差，取T值為5秒。T1～t7中，除了t4可變外，其他都是固定的。在壓力下降后，必須有足夠長的時(shí)間用來恢復(fù)壓力至初始值，以便下次產(chǎn)生有效的下降沿，因此b取為2。為了能區(qū)別開幀頭和幀尾，t6取為3T。t1、t3、t5、t7取2T。d可取2～11的整數(shù)，表示10種不同的命令（表1）。

表1 T2與指令編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

指令下傳系統(tǒng)主要包括下傳壓力指令的產(chǎn)生和井下壓力指令的接收兩大部分。下傳壓力指令的產(chǎn)生部分是通過地面計(jì)算機(jī)軟件控制，在鉆桿里產(chǎn)生鉆井液脈沖指令。井下壓力指令的接收部分完成的是對(duì)井下鉆井液壓力變化的接收，并從中解析出地面下傳的指令。

3.1 下傳壓力指令的產(chǎn)生

下傳壓力指令產(chǎn)生的基本工作原理是在泥漿泵和立管之間的地面管線上引出一條開閉可控的分支管線，通過對(duì)分支管線的開閉控制，從而在立管和鉆桿中產(chǎn)生鉆井液負(fù)脈沖——下傳壓力指令。開閉可控支路是通過對(duì)支路上脈沖閥的控制實(shí)現(xiàn)的，其控制流程為：先在計(jì)算機(jī)中的指令下傳控制軟件設(shè)置好下傳指令的參數(shù)并傳遞給脈沖控制器，然后由脈沖控制器產(chǎn)生控制脈沖閥開閉的脈沖序列，從而產(chǎn)生下傳指令。開發(fā)的壓力指令下傳控制軟件包括控制軟件的主界面和壓力指令編輯模塊、指令下載模塊。在壓力指令編輯模塊中可設(shè)置需要下傳的指令及指令序列；在指令下載模塊中可選擇以編輯好的指令序列并將其下載到脈沖控制器，產(chǎn)生下傳指令序列。此外，壓力指令下傳控制軟件中還包括了作業(yè)信息錄入模塊、壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和壓力數(shù)據(jù)處理模塊，分別可完成對(duì)一系列鉆井作業(yè)參數(shù)的記錄、地面實(shí)時(shí)壓力的監(jiān)控和井下存儲(chǔ)的壓力數(shù)據(jù)的回放及處理等。

3.2 井下壓力指令的接收

井下壓力指令接收裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制和處理單元、時(shí)鐘單元、復(fù)位單元、存儲(chǔ)單元、通信單元。

圖2 井下壓力指令接收裝置硬件結(jié)構(gòu)

井下壓力指令接收裝置的工作原理是：壓力傳感器接收來自鉆桿中鉆井液的壓力信號(hào)并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后傳送到高精度A/D轉(zhuǎn)換電路的模擬信號(hào)輸入端。A/D轉(zhuǎn)換電路在控制和處理單元的控制下將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為量化的數(shù)字信號(hào)并回傳控制和處理單元?？刂坪吞幚韱卧褂玫氖菃纹瑱C(jī)，它將對(duì)采樣所得壓力信號(hào)進(jìn)行處理：①將原始?jí)毫χ荡嫒氪鎯?chǔ)單元；②對(duì)壓力值進(jìn)行一系列處理后，從中解析出地面下傳的指令，并將解析結(jié)果通過通信單元傳遞給導(dǎo)向控制器。時(shí)鐘單元的作用是為控制和處理單元提供時(shí)間基準(zhǔn)以便將采集到的壓力值及解析出的指令與時(shí)間對(duì)應(yīng)。復(fù)位單元是為了防止控制和處理單元出現(xiàn)工作異常，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

（1）導(dǎo)向鉆井下行信息傳輸以鉆井液脈沖傳輸方式為最優(yōu)選擇，提出了利用壓力脈沖下降沿和相鄰下降沿時(shí)間差的下傳指令編碼方式。

（2）研制了壓力指令下傳控制軟件，可對(duì)鉆井作業(yè)信息、下傳壓力指令產(chǎn)生、實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)等進(jìn)行記錄或控制。

（3）研制了井下壓力指令接收裝置，可存儲(chǔ)、解析地面下傳的壓力脈沖指令。