隨鉆鉆井信號(hào)下傳系統(tǒng)研制及測(cè)試

劉 鵬

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

鉆井作業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，隨鉆井下通訊的需求也越來(lái)越多，但由于井下條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的通訊技術(shù)無(wú)法在井下通訊過程中直接應(yīng)用。隨鉆井下通訊方式主要分為有線傳輸和無(wú)線傳輸兩大類：有線傳輸方式即使用電纜、光纖等實(shí)現(xiàn)井下信息傳輸，但應(yīng)用于隨鉆過程中存在著成本高、可靠性差、鉆柱旋轉(zhuǎn)易使電纜嚴(yán)重受損、不利于打撈作業(yè)等問題[1]；無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用廣泛，以鉆井液脈沖信號(hào)傳輸和電磁波信號(hào)傳輸為主，同時(shí)發(fā)展了聲波傳輸、RFID標(biāo)簽信號(hào)傳輸、振動(dòng)傳輸?shù)葻o(wú)線傳輸技術(shù)[2]。按照信號(hào)傳輸方向又分為信號(hào)上傳和信號(hào)下傳兩種：信號(hào)上傳是將井下信息傳輸?shù)降孛妫瑢?shí)時(shí)獲取地層或鉆頭位置等信息；信號(hào)下傳是將地面指令傳輸?shù)骄拢瑥亩刂凭聝x器的工作狀態(tài)。目前已有的系統(tǒng)通常被集成在MWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等工具內(nèi)部，無(wú)法單獨(dú)用于其他工具[3]。本文開展鉆井液脈沖信號(hào)和鉆桿轉(zhuǎn)速信號(hào)下傳系統(tǒng)研究，具有信號(hào)下傳功能，同時(shí)還具有占用空間小、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能好和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，可用于其他井下自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)。

1 鉆井液脈沖信號(hào)下傳系統(tǒng)

鉆井液脈沖信號(hào)技術(shù)是通過地面產(chǎn)生壓力脈沖信號(hào)并通過鉆井液傳輸?shù)骄逻M(jìn)行識(shí)別，目前應(yīng)用廣泛的主要有正脈沖系統(tǒng)和負(fù)脈沖系統(tǒng)[4]。正脈沖系統(tǒng)的原理是用特殊的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，來(lái)阻止鉆柱中鉆井液的正常流動(dòng)，從而引起壓力升高，使鉆井液壓力高于正常鉆進(jìn)時(shí)的泵壓。例如哈里伯頓的鉆井液脈沖信號(hào)下傳系統(tǒng)，是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件發(fā)出指令來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)閥的氣動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞桿上的偏心輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)1/4圈，實(shí)現(xiàn)閥的打開與關(guān)閉，形成下傳裝置所需要的脈沖信號(hào)[5]，如圖1所示。該裝置通過一個(gè)可換噴嘴的固定式節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)流量，以滿足不同井眼不同井深傳輸信號(hào)的需要。

圖1 開關(guān)閥及閥芯結(jié)構(gòu)

負(fù)脈沖系統(tǒng)的原理是將鉆柱中少量的高壓鉆井液釋放到低壓的環(huán)空中，使鉆柱中的鉆井液壓力降低[6]。例如勝利油田和西安石油大學(xué)共同研發(fā)的負(fù)脈沖系統(tǒng)，是在立管上引出一條分支管線，由脈沖閥控制器控制脈沖閥的開啟與關(guān)閉。當(dāng)脈沖閥打開時(shí)，鉆井液通過單向閥→脈沖閥→節(jié)流閥，分流了正常排量的20%。鉆井液的瞬間分流，導(dǎo)致立管以及鉆柱內(nèi)壓力驟然下降；當(dāng)脈沖閥關(guān)閉時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)的壓力恢復(fù)到正常值。因此，通過脈沖閥的開啟與關(guān)閉，產(chǎn)生壓力下降、壓力上升的鉆井液負(fù)脈沖波形信號(hào)。

上述兩種裝置主要是通過地面裝置產(chǎn)生正負(fù)脈沖信號(hào)，本文主要在不增加地面裝置情況下，通過控制開停泵形成的壓力脈沖信號(hào)，當(dāng)開停泵的壓力值和時(shí)間符合設(shè)定規(guī)律時(shí)，用于向井下傳輸指令。

1.1 壓力脈沖信號(hào)采集

井下流體壓力與深度、鉆井液性能等因素密切相關(guān)[7]。為了減少干擾因素，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，壓力脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量管柱壓力和環(huán)空壓力，通過對(duì)比壓力差值來(lái)判斷開停泵狀態(tài)。壓力脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由壓力孔、隔離活塞和壓力傳感器組成，引壓孔用于將環(huán)空流體引入壓力傳感器上部，從而測(cè)量環(huán)空壓力；隔離活塞避免環(huán)空流體與管柱內(nèi)流體串流；壓力傳感器同時(shí)測(cè)量環(huán)空壓力和管柱壓力。開泵時(shí)管柱壓力升高，當(dāng)管柱壓力與環(huán)空壓力差值大于設(shè)定值時(shí)，即認(rèn)為開泵；當(dāng)管柱壓力與環(huán)空壓力基本相同時(shí)，即認(rèn)為停泵。

圖2 壓力脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)

1.2 壓力脈沖信號(hào)編碼

通過開停泵序列下傳指令，根據(jù)開關(guān)泵時(shí)間長(zhǎng)短，可將信號(hào)分為短開泵、長(zhǎng)開泵、停泵等種類。短開泵時(shí)間為大于10 s而不大于30 s，長(zhǎng)開泵時(shí)間為大于30 s而不大于50 s，停泵時(shí)間要求大于30 s而小于60 s。不同的信號(hào)組合形成不同的命令序列，通過優(yōu)化單個(gè)信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)和整體信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)，可提高信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確率。

2 鉆桿轉(zhuǎn)速信號(hào)下傳系統(tǒng)

鉆桿轉(zhuǎn)速信號(hào)下傳系統(tǒng)安裝在井下鉆具內(nèi)，通過地面調(diào)整轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)速度控制井下鉆具轉(zhuǎn)速變化，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到鉆具轉(zhuǎn)速符合某種設(shè)定規(guī)律時(shí)，將指令傳送到控制系統(tǒng)中，改變工具的工作狀態(tài)[8]。采用鉆桿轉(zhuǎn)速傳輸信號(hào)受井深和鉆井液性能影響較小，不用額外增加裝備，但國(guó)內(nèi)外極少采用鉆桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行信號(hào)傳輸[9]，其主要原因有：①鉆進(jìn)過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況頻繁調(diào)整轉(zhuǎn)速，容易出現(xiàn)井下接收鉆桿轉(zhuǎn)速的信息與設(shè)定指令類似，出現(xiàn)誤操作的情況[10]；②受井眼井斜、方位、井徑變化的影響，鉆桿在井下轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，受力不規(guī)則，轉(zhuǎn)速測(cè)量受影響較大。本文通過提高轉(zhuǎn)速測(cè)量精度，優(yōu)化信號(hào)編碼技術(shù)研究，提高信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，避免信號(hào)誤傳。

2.1 鉆桿轉(zhuǎn)速信號(hào)采集

目前常用的測(cè)量轉(zhuǎn)速方法包括光電碼盤測(cè)速、旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速、霍爾元件測(cè)速等[11]，但由于測(cè)量系統(tǒng)隨鉆桿同步運(yùn)行，不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，常用的測(cè)量轉(zhuǎn)速方法無(wú)法應(yīng)用，為此，采用角度傳感器測(cè)速法。角度傳感器是一種通過高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。根據(jù)井下空間和工作環(huán)境，優(yōu)選MEMS陀螺儀，利用科里奧利力正比于角速度原理，根據(jù)電容變化計(jì)算出角速度，實(shí)現(xiàn)把角速度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[12]。MEMS陀螺儀安置在與鉆桿垂直的水平面，且中心位置盡可能與鉆桿同軸，將陀螺儀輸出的角速度轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速，獲取鉆桿的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

MEMS 陀螺儀已經(jīng)在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，影響其精度因素主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是內(nèi)部因素，即MEMS陀螺儀本身結(jié)構(gòu)、原理以及工藝等方面的缺陷而產(chǎn)生各種干擾力矩；另一方面是外部因素，即MEMS陀螺儀在運(yùn)動(dòng)的過程中環(huán)境的影響而產(chǎn)生各種干擾力矩[13]。與改善硬件相比較，通過優(yōu)化濾波算法，提高 MEMS 陀螺儀精度更容易實(shí)現(xiàn)，而影響MEMS陀螺儀精度的因素主要有零點(diǎn)漂移與動(dòng)態(tài)誤差[14]。通過采集數(shù)據(jù)，繪制陀螺儀的靜態(tài)工作曲線，建立誤差數(shù)學(xué)模型，通過補(bǔ)償算法，減少零點(diǎn)漂移誤差。采用卡爾曼濾波技術(shù)減少動(dòng)態(tài)隨機(jī)誤差[15]， 假設(shè)現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài)是k，根據(jù)系統(tǒng)模型，可以基于系統(tǒng)的上一狀態(tài)預(yù)測(cè)出現(xiàn)在的狀態(tài)，公式為：

卡爾曼濾波技術(shù)要求系統(tǒng)噪聲以及被測(cè)量的噪聲必須是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，因此利用時(shí)間序列分析法來(lái)建立平穩(wěn)隨機(jī)過程的數(shù)學(xué)模型，選取滑動(dòng)平均模型作為時(shí)間序列分析法模型，如公式6所示，t時(shí)刻的測(cè)量值由其之前的q個(gè)時(shí)間點(diǎn)的白噪聲加權(quán)擬合之后再與t時(shí)刻的白噪聲組合而成。

為了提高鉆桿轉(zhuǎn)速采集的準(zhǔn)確率，在施工工藝上也要進(jìn)行優(yōu)化，在采集傳輸指令前，將鉆頭起出井底，并盡可能起鉆至上層套管內(nèi)，降低裸眼井段對(duì)鉆桿轉(zhuǎn)速的影響。

2.2 鉆桿轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)編碼

為了避免鉆進(jìn)、接單根等正常作業(yè)情況下鉆桿轉(zhuǎn)速與傳輸指令出現(xiàn)重合，造成誤操作，使編碼具有抗干擾和容錯(cuò)等能力，同時(shí)盡量簡(jiǎn)化操作，對(duì)編碼進(jìn)行了如下處理：

（1）地面控制鉆桿轉(zhuǎn)速，形成相對(duì)的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速，通過控制不同的轉(zhuǎn)速值和時(shí)長(zhǎng)形成多種轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)組合；

（2）相對(duì)的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速要避免與鉆進(jìn)過程中采用的轉(zhuǎn)速相同或相近；

（3）通過限定脈沖信號(hào)的總時(shí)間和單個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間，進(jìn)一步提高信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確率，同時(shí)考慮井身質(zhì)量等因素對(duì)轉(zhuǎn)速傳遞的影響，適當(dāng)擴(kuò)大有效轉(zhuǎn)速和時(shí)間范圍；

（4）轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)采用上升沿和下降沿的方式觸發(fā)，當(dāng)信號(hào)觸發(fā)后，通過時(shí)間判斷信號(hào)的有效性。

3 室內(nèi)性能測(cè)試

3.1 鉆井液脈沖信號(hào)下傳系統(tǒng)性能

在模擬試驗(yàn)井中開展相關(guān)測(cè)試，首先在金屬桿的外表面開槽，將壓力脈沖信號(hào)下傳系統(tǒng)固定在槽內(nèi)并密封，金屬桿下部與鉆頭相連，金屬桿上部與鉆桿相連，鉆桿與鉆井液泵相連。將下傳系統(tǒng)下放至不同井深進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程中鉆柱保持靜止，根據(jù)開關(guān)泵組合序列，控制鉆井液泵開停，檢測(cè)下傳指令的有效性。以一組“三開三停”指令為例：設(shè)定壓力差大于2.5 MPa為開泵，壓力差小于0.5 MPa為停泵，開泵時(shí)間40～80 s，停泵時(shí)間20～60 s，整個(gè)指令時(shí)長(zhǎng)小于300 s，則信號(hào)有效，如圖3所示。

圖3 鉆井液脈沖信號(hào)

3.2 鉆桿轉(zhuǎn)速信號(hào)下傳系統(tǒng)性能

為了模擬井下鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，研制了小型實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括支架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、外筒、轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)等，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)下部與外筒連接，可模擬鉆桿轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速100 r/min，外筒內(nèi)放置電池筒，轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)固定在外筒外部，方便進(jìn)行調(diào)試。同時(shí)外筒還可以固定光敏元件，接收碼盤反射的光線，通過光電碼盤測(cè)速等方式驗(yàn)證轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的精度。

圖4 轉(zhuǎn)速模擬裝置

以一組“三高三低”指令為例，將20～40 r/min設(shè)定為高轉(zhuǎn)速，0～10 r/min設(shè)置為低轉(zhuǎn)速，單個(gè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為5～20 s，整個(gè)指令的時(shí)間不超過120 s。通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)傳遞指令，下傳系統(tǒng)

采集的轉(zhuǎn)速和時(shí)間變化如圖5所示。從圖中可以看出，鉆桿轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)三個(gè)明顯的高低變化，在①、③、⑤區(qū)域，鉆桿處于高轉(zhuǎn)速狀態(tài)；在②、④、⑥區(qū)域，鉆桿處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速下降到小于10 r/min。①～⑤區(qū)域時(shí)間都在5～20 s，區(qū)域⑥時(shí)間在5～20 s內(nèi)，并處于低鉆速，三組信號(hào)總時(shí)長(zhǎng)小于100 s，系統(tǒng)判定信號(hào)有效。

圖5 下傳采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)

4 結(jié)論

（1）鉆井液壓力脈沖信號(hào)以管柱內(nèi)外壓差為依據(jù)，可以減少井深、鉆井液性能等對(duì)井底壓力的影響，提高脈沖信號(hào)的識(shí)別精度。

（2）MEMS 陀螺儀可以滿足井下空間小、隨鉆桿同步運(yùn)行等工況下，精確測(cè)量轉(zhuǎn)速的要求，卡爾曼濾波技術(shù)可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

（3）通過控制信號(hào)時(shí)間，改變脈沖信號(hào)組合形式，形成下傳信號(hào)指令序列，傳遞多種指令；通過優(yōu)化信號(hào)下傳工藝，可提高信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度；通過優(yōu)化信號(hào)的編碼和解碼，可提高信號(hào)下傳的容錯(cuò)能力，室內(nèi)測(cè)試信號(hào)下傳和解碼的準(zhǔn)確率高。