隨鉆鉆井信號下傳系統研制及測試

劉 鵬

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

鉆井作業自動化程度越來越高，隨鉆井下通訊的需求也越來越多，但由于井下條件復雜，傳統的通訊技術無法在井下通訊過程中直接應用。隨鉆井下通訊方式主要分為有線傳輸和無線傳輸兩大類：有線傳輸方式即使用電纜、光纖等實現井下信息傳輸，但應用于隨鉆過程中存在著成本高、可靠性差、鉆柱旋轉易使電纜嚴重受損、不利于打撈作業等問題[1]；無線傳輸技術應用廣泛，以鉆井液脈沖信號傳輸和電磁波信號傳輸為主，同時發展了聲波傳輸、RFID標簽信號傳輸、振動傳輸等無線傳輸技術[2]。按照信號傳輸方向又分為信號上傳和信號下傳兩種：信號上傳是將井下信息傳輸到地面，實時獲取地層或鉆頭位置等信息；信號下傳是將地面指令傳輸到井下，從而控制井下儀器的工作狀態。目前已有的系統通常被集成在MWD、旋轉導向等工具內部，無法單獨用于其他工具[3]。本文開展鉆井液脈沖信號和鉆桿轉速信號下傳系統研究，具有信號下傳功能，同時還具有占用空間小、可移植性強、實時性能好和可擴展性等優點，可用于其他井下自動控制系統的研發。

1 鉆井液脈沖信號下傳系統

鉆井液脈沖信號技術是通過地面產生壓力脈沖信號并通過鉆井液傳輸到井下進行識別，目前應用廣泛的主要有正脈沖系統和負脈沖系統[4]。正脈沖系統的原理是用特殊的機電一體化結構，來阻止鉆柱中鉆井液的正常流動，從而引起壓力升高，使鉆井液壓力高于正常鉆進時的泵壓。例如哈里伯頓的鉆井液脈沖信號下傳系統，是通過計算機系統軟件發出指令來控制執行機構，執行機構根據信號驅動開關閥的氣動活塞做往復運動，活塞桿上的偏心輪驅動回轉閥旋轉1/4圈，實現閥的打開與關閉，形成下傳裝置所需要的脈沖信號[5]，如圖1所示。該裝置通過一個可換噴嘴的固定式節流閥來調節流量，以滿足不同井眼不同井深傳輸信號的需要。

圖1 開關閥及閥芯結構

負脈沖系統的原理是將鉆柱中少量的高壓鉆井液釋放到低壓的環空中，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共同研發的負脈沖系統，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閉。當脈沖閥打開時，鉆井液通過單向閥→脈沖閥→節流閥，分流了正常排量的20%。鉆井液的瞬間分流，導致立管以及鉆柱內壓力驟然下降；當脈沖閥關閉時，循環系統的壓力恢復到正常值。因此，通過脈沖閥的開啟與關閉，產生壓力下降、壓力上升的鉆井液負脈沖波形信號。

上述兩種裝置主要是通過地面裝置產生正負脈沖信號，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，當開停泵的壓力值和時間符合設定規律時，用于向井下傳輸指令。

1.1 壓力脈沖信號采集

井下流體壓力與深度、鉆井液性能等因素密切相關[7]。為了減少干擾因素，提高檢測的準確度，壓力脈沖信號采集系統同時測量管柱壓力和環空壓力，通過對比壓力差值來判斷開停泵狀態。壓力脈沖信號采集系統結構如圖2所示，主要由壓力孔、隔離活塞和壓力傳感器組成，引壓孔用于將環空流體引入壓力傳感器上部，從而測量環空壓力；隔離活塞避免環空流體與管柱內流體串流；壓力傳感器同時測量環空壓力和管柱壓力。開泵時管柱壓力升高，當管柱壓力與環空壓力差值大于設定值時，即認為開泵；當管柱壓力與環空壓力基本相同時，即認為停泵。

圖2 壓力脈沖信號采集系統

1.2 壓力脈沖信號編碼

通過開停泵序列下傳指令，根據開關泵時間長短，可將信號分為短開泵、長開泵、停泵等種類。短開泵時間為大于10 s而不大于30 s，長開泵時間為大于30 s而不大于50 s，停泵時間要求大于30 s而小于60 s。不同的信號組合形成不同的命令序列，通過優化單個信號的時長和整體信號的時長，可提高信號識別準確率。

2 鉆桿轉速信號下傳系統

鉆桿轉速信號下傳系統安裝在井下鉆具內，通過地面調整轉盤或頂驅的旋轉速度控制井下鉆具轉速變化，當系統檢測到鉆具轉速符合某種設定規律時，將指令傳送到控制系統中，改變工具的工作狀態[8]。采用鉆桿轉速傳輸信號受井深和鉆井液性能影響較小，不用額外增加裝備，但國內外極少采用鉆桿轉速進行信號傳輸[9]，其主要原因有：①鉆進過程中，根據現場情況頻繁調整轉速，容易出現井下接收鉆桿轉速的信息與設定指令類似，出現誤操作的情況[10]；②受井眼井斜、方位、井徑變化的影響，鉆桿在井下轉動過程中，受力不規則，轉速測量受影響較大。本文通過提高轉速測量精度，優化信號編碼技術研究，提高信號傳輸的準確性，避免信號誤傳。

2.1 鉆桿轉速信號采集

目前常用的測量轉速方法包括光電碼盤測速、旋轉編碼器測速、霍爾元件測速等[11]，但由于測量系統隨鉆桿同步運行，不存在相對運動，常用的測量轉速方法無法應用，為此，采用角度傳感器測速法。角度傳感器是一種通過高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。根據井下空間和工作環境，優選MEMS陀螺儀，利用科里奧利力正比于角速度原理，根據電容變化計算出角速度，實現把角速度轉化為電信號[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換為轉速，獲取鉆桿的實時轉速。

MEMS 陀螺儀已經在工業的各個領域得到了廣泛應用，影響其精度因素主要體現在兩個方面：一方面是內部因素，即MEMS陀螺儀本身結構、原理以及工藝等方面的缺陷而產生各種干擾力矩；另一方面是外部因素，即MEMS陀螺儀在運動的過程中環境的影響而產生各種干擾力矩[13]。與改善硬件相比較，通過優化濾波算法，提高 MEMS 陀螺儀精度更容易實現，而影響MEMS陀螺儀精度的因素主要有零點漂移與動態誤差[14]。通過采集數據，繪制陀螺儀的靜態工作曲線，建立誤差數學模型，通過補償算法，減少零點漂移誤差。采用卡爾曼濾波技術減少動態隨機誤差[15]， 假設現在的系統狀態是k，根據系統模型，可以基于系統的上一狀態預測出現在的狀態，公式為：

卡爾曼濾波技術要求系統噪聲以及被測量的噪聲必須是一個平穩的隨機過程，因此利用時間序列分析法來建立平穩隨機過程的數學模型，選取滑動平均模型作為時間序列分析法模型，如公式6所示，t時刻的測量值由其之前的q個時間點的白噪聲加權擬合之后再與t時刻的白噪聲組合而成。

為了提高鉆桿轉速采集的準確率，在施工工藝上也要進行優化，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，降低裸眼井段對鉆桿轉速的影響。

2.2 鉆桿轉速脈沖信號編碼

為了避免鉆進、接單根等正常作業情況下鉆桿轉速與傳輸指令出現重合，造成誤操作，使編碼具有抗干擾和容錯等能力，同時盡量簡化操作，對編碼進行了如下處理：

（1）地面控制鉆桿轉速，形成相對的高轉速、低轉速，通過控制不同的轉速值和時長形成多種轉速脈沖信號組合；

（2）相對的高轉速、低轉速要避免與鉆進過程中采用的轉速相同或相近；

（3）通過限定脈沖信號的總時間和單個脈沖信號的時間，進一步提高信號識別的準確率，同時考慮井身質量等因素對轉速傳遞的影響，適當擴大有效轉速和時間范圍；

（4）轉速脈沖信號采用上升沿和下降沿的方式觸發，當信號觸發后，通過時間判斷信號的有效性。

3 室內性能測試

3.1 鉆井液脈沖信號下傳系統性能

在模擬試驗井中開展相關測試，首先在金屬桿的外表面開槽，將壓力脈沖信號下傳系統固定在槽內并密封，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。將下傳系統下放至不同井深進行測試，測試過程中鉆柱保持靜止，根據開關泵組合序列，控制鉆井液泵開停，檢測下傳指令的有效性。以一組“三開三停”指令為例：設定壓力差大于2.5 MPa為開泵，壓力差小于0.5 MPa為停泵，開泵時間40～80 s，停泵時間20～60 s，整個指令時長小于300 s，則信號有效，如圖3所示。

圖3 鉆井液脈沖信號

3.2 鉆桿轉速信號下傳系統性能

為了模擬井下鉆桿轉動，研制了小型實驗裝置，主要包括支架、驅動電機、外筒、轉速測量系統等，如圖4所示。驅動電機下部與外筒連接，可模擬鉆桿轉速，最高轉速100 r/min，外筒內放置電池筒，轉速測量系統固定在外筒外部，方便進行調試。同時外筒還可以固定光敏元件，接收碼盤反射的光線，通過光電碼盤測速等方式驗證轉速測量系統的精度。

圖4 轉速模擬裝置

以一組“三高三低”指令為例，將20～40 r/min設定為高轉速，0～10 r/min設置為低轉速，單個信號的持續時長為5～20 s，整個指令的時間不超過120 s。通過控制驅動電機旋轉傳遞指令，下傳系統

采集的轉速和時間變化如圖5所示。從圖中可以看出，鉆桿轉速呈現三個明顯的高低變化，在①、③、⑤區域，鉆桿處于高轉速狀態；在②、④、⑥區域，鉆桿處于低轉速狀態，轉速下降到小于10 r/min。①～⑤區域時間都在5～20 s，區域⑥時間在5～20 s內，并處于低鉆速，三組信號總時長小于100 s，系統判定信號有效。

圖5 下傳采集系統轉速脈沖信號

4 結論

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

（2）MEMS 陀螺儀可以滿足井下空間小、隨鉆桿同步運行等工況下，精確測量轉速的要求，卡爾曼濾波技術可以進一步提高測量精度。

（3）通過控制信號時間，改變脈沖信號組合形式，形成下傳信號指令序列，傳遞多種指令；通過優化信號下傳工藝，可提高信號傳輸的準確度；通過優化信號的編碼和解碼，可提高信號下傳的容錯能力，室內測試信號下傳和解碼的準確率高。