旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井通訊與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)

王炳森， 唐 達(dá)， 常 珍， 周 宇， 岳前進(jìn)， 周 佳

(1大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2大連理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 3盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是現(xiàn)代定向鉆井技術(shù)的核心技術(shù)，代表現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向[1-3]。為了提高井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的控制精度，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具所需的鉆井參數(shù)數(shù)量增多[4]，上下位機(jī)間通訊需傳輸更多的數(shù)據(jù)和信息。現(xiàn)今的鉆井工程當(dāng)中，多數(shù)選擇傳輸穩(wěn)定的鉆井液為通訊傳輸介質(zhì)，但鉆井液傳輸存在數(shù)據(jù)傳輸慢、傳輸信號(hào)受噪聲干擾而易出錯(cuò)的缺點(diǎn)[5]；另外，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)完全的井下閉環(huán)控制，需要合理有效地地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)井下鉆井工具進(jìn)行導(dǎo)向控制[6]。為解決上述問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)高效準(zhǔn)確的上下位機(jī)通訊協(xié)議和相應(yīng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]提出了鉆井液脈沖三降三升的編碼方式來(lái)實(shí)現(xiàn)下行指令信號(hào)的傳輸，方法簡(jiǎn)單，但5位指令碼只能表示導(dǎo)向力級(jí)別和工具面角兩個(gè)參數(shù)；文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)鉆井液脈沖下降沿的時(shí)間比上升沿短，利于檢測(cè)，因此選用TA編碼方式；文獻(xiàn)[9]利用MATLAB的圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)了地面監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，直觀簡(jiǎn)潔，但為多窗口形式。本文對(duì)通訊編碼和地面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以保證上下位機(jī)通訊高效同步和有效的地面監(jiān)控。

圖1 靜態(tài)偏置推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)井下總成(BHA)

一、系統(tǒng)組成及通訊原理

通訊與控制系統(tǒng)基于的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備為靜態(tài)偏置推靠式導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)[10]，其井下鉆具組合(BHA)如圖1所示，由導(dǎo)向單元、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)、井下中控等模塊組成，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)導(dǎo)向控制和井下參數(shù)測(cè)量的硬件基礎(chǔ)[11]。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備通訊與控制系統(tǒng)由兩部分組成：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭通訊與控制系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向MWD通訊與控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向頭通訊與控制系統(tǒng)主要用于下傳控制指令、地面調(diào)試及關(guān)于導(dǎo)向頭部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理和顯示；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向MWD通訊與控制系統(tǒng)主要對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波解碼，再將有關(guān)導(dǎo)向頭的數(shù)據(jù)傳輸給導(dǎo)向頭通訊與控制系統(tǒng)的上位機(jī)顯示。兩臺(tái)上位機(jī)相互獨(dú)立，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼、傳輸及系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)通訊采用鉆井液脈沖技術(shù)，即以鉆井液為傳輸介質(zhì)，通過(guò)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)地面與井下的通訊。在指令下傳過(guò)程中，上位機(jī)發(fā)出控制指令，通過(guò)地面操控箱控制負(fù)脈沖發(fā)生器的開(kāi)閉，從而控制鉆井液通道內(nèi)流量變化，使得旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向本體中的發(fā)電機(jī)頻率也隨之變化，解碼板從變化的頻率中解碼，達(dá)成指令的下傳；包含井眼工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)的信息上行過(guò)程與下傳過(guò)程類似；系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程通過(guò)CAN總線以有線連接的方式進(jìn)行信息交換。系統(tǒng)中三種數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井通訊與控制系統(tǒng)組成與數(shù)據(jù)流

二、通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

通訊協(xié)議是完成上下位機(jī)通訊與控制的基礎(chǔ)，考慮鉆井液脈沖傳輸速度慢、易誤碼等特點(diǎn)，在指令編碼設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①不同的壓力脈沖波形代表不同的控制命令[12]；②在保證指令信息完整的前提下，編碼長(zhǎng)度盡量簡(jiǎn)短，以減少脈沖傳輸時(shí)間和出錯(cuò)概率；③能夠在接收端對(duì)接受指令進(jìn)行校驗(yàn)，以增加容錯(cuò)率。因此，采用了控制參數(shù)不同(類型或數(shù)量)時(shí)位數(shù)可變的編碼形式，并在關(guān)鍵字節(jié)后設(shè)置固定校驗(yàn)位(奇偶校驗(yàn)或和校驗(yàn))。控制指令以二進(jìn)制編碼的形式向下發(fā)送，具體的控制指令數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表1。

(1)喚醒序列共包含四組脈沖信號(hào)，分別為8 s(開(kāi)閥)—8 s(閉閥)—30 s(開(kāi)閥)—8 s(閉閥)。

(2)控制系統(tǒng)共包含4大控制模式及其下屬的16個(gè)小模式，故4位CMD模式碼即可完全表示所有模式。

表1 控制指令數(shù)據(jù)格式

(3)參數(shù)序列是CMD指令中的特定參數(shù)值，不同的CMD指令所包含的參數(shù)不同，位數(shù)可變。

(4)和校驗(yàn)是將整條下傳指令中的參數(shù)序列各位為1相加的數(shù)量和。

表2為下傳控制指令的編碼順序及每條指令包含的具體參數(shù)。

表2 下傳控制指令編碼順序

以指令編碼“0”和“1”為例，當(dāng)選擇下發(fā)指令“0”時(shí)，設(shè)定參數(shù)工具面角為34°、力大小為66%，則該條指令編碼為00000-00010110-10100-00101，共計(jì)23位；而當(dāng)下發(fā)指令“1”時(shí)，則只需要設(shè)定工具面角一個(gè)參數(shù)，此時(shí)的指令編碼為00011-00010110-00011，長(zhǎng)度減少為18位?？梢?jiàn)，當(dāng)需要設(shè)置的控制參數(shù)減少時(shí)，所設(shè)計(jì)的通訊協(xié)議能有效縮短指令長(zhǎng)度，減少脈沖傳輸時(shí)間。

三、系統(tǒng)軟件集成

基于通訊與控制系統(tǒng)的功能需求分析，設(shè)計(jì)地面監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際控制接口和地面測(cè)試接口，進(jìn)行系統(tǒng)軟件集成。其中，實(shí)際控制接口用于現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制指令下傳和井下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能；地面測(cè)試接口用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井設(shè)備出廠前的系統(tǒng)檢測(cè)[13]，包括控制指令測(cè)試、電機(jī)狀態(tài)、翼肋狀態(tài)等。

為方便作業(yè)人員操作，減少多界面切換，將系統(tǒng)所需的功能要求整合為單一主界面，模塊劃分清晰，界面簡(jiǎn)潔且易于操作。系統(tǒng)軟件界面具體設(shè)計(jì)包含以下主要模塊：

1. 指令下傳模塊

系統(tǒng)的控制模式有導(dǎo)向模式、穩(wěn)斜模式、電機(jī)與劃眼模式和查詢模式4種。選定模式后，根據(jù)輸入的工程參數(shù)(目標(biāo)井斜、方位等)計(jì)算相應(yīng)的下行控制參數(shù)(井斜調(diào)整值等)，即可設(shè)定控制參數(shù)并下發(fā)指令。指令下發(fā)過(guò)程如圖3所示。

圖3 控制參數(shù)計(jì)算與設(shè)定

2. 上傳信息顯示模塊

地面監(jiān)控主界面的信息顯示方式有圖形顯示和數(shù)字顯示兩種。圖形顯示信息有導(dǎo)向點(diǎn)示意圖、導(dǎo)向分力與合力示意圖、翼肋支出狀態(tài)示意圖和控制指令與鉆井液壓力對(duì)比曲線；數(shù)字顯示區(qū)域則會(huì)顯示下傳指令的接收校驗(yàn)信息和查詢指令的結(jié)果。

2.1 上傳信息圖形顯示

2.1.1 導(dǎo)向點(diǎn)示意圖

導(dǎo)向點(diǎn)示意圖采用靶點(diǎn)的表示形式，能夠?qū)?dǎo)向點(diǎn)的方位和導(dǎo)向力大小(百分比)進(jìn)行形象表示，如圖4所示。其中，紅色亮點(diǎn)為目標(biāo)導(dǎo)向點(diǎn)，藍(lán)色亮點(diǎn)為當(dāng)前導(dǎo)向點(diǎn)，亮點(diǎn)距圓心的半徑大小表示導(dǎo)向力的大小，角度表示導(dǎo)向方位。

圖4 導(dǎo)向點(diǎn)效果

2.1.2 力與翼肋示意圖

分力與合力示意圖能夠顯示三個(gè)互成120°的翼肋對(duì)井壁作用力的大小以及導(dǎo)向合力的大小和方向，如圖5所示；翼肋支出狀態(tài)示意圖是對(duì)力示意圖的補(bǔ)充顯示，形象表示出與三個(gè)分力相對(duì)應(yīng)的翼肋支出情況。

圖5 導(dǎo)向分力與合力效果

2.2 上傳信息數(shù)字顯示

數(shù)字顯示主要為下傳校驗(yàn)和查詢信息顯示兩部分。下傳校驗(yàn)數(shù)字顯示用以驗(yàn)證井下控制單元對(duì)控制指令的接收結(jié)果與地面指令是否一致；查詢指令結(jié)果的數(shù)字顯示，包含當(dāng)前鉆井、電源、電機(jī)、測(cè)斜和主控5類信息，分別與相應(yīng)的查詢命令對(duì)應(yīng)。

四、結(jié)論

(1)在對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的硬件組成、通訊

原理和數(shù)據(jù)流向分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向通訊與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求與關(guān)鍵問(wèn)題。

(2)設(shè)計(jì)了上下位機(jī)的通訊和控制協(xié)議，在保證控制指令信息完整的前提下，使得指令準(zhǔn)確、有效和簡(jiǎn)潔傳輸，并給出了下傳控制指令的具體方案。

(3)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井通訊和控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)軟件集成，提供旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)際控制接口和地面測(cè)試接口，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際導(dǎo)向控制和地面測(cè)試功能，滿足鉆井工程的實(shí)際需求。