高速泥漿脈沖遙傳系統推廣適應性研究

王智明，賈立鵬，李 剛，張 爽，郭心宇

（中海油田服務股份有限公司，河北 燕郊 065201）

1 概述

中海油服自主研發的隨鉆測井系統（簡稱：“Drilog?”）到2020年底，已完成520井次作業[1]。Drilog?采用正作用泥漿脈沖器，泥漿壓力波通過鉆井液上傳，可以實現0.5～3bps數據傳輸速率，將井下實時測量數據傳輸至地面系統，地面系統可通過指令下傳裝置將特定指令發送給井下儀器，實現對井下儀器工作模式的實時控制。

Drilog?研發之初，傳輸速率只有0.5bps，通過對已有正作用脈沖器編碼方式改進，傳輸速率最快提升到了3bps，但實際使用中受鉆進過程中各種參數影響，該類型脈沖器3bps傳輸速率在現場適應性較差，難以推廣。

傳輸速率是自主研發Drilog?的瓶頸，反觀國外兩大測井公司高速率傳輸儀器，斯倫貝謝Telescope和貝克休斯BCPM2，其傳輸速率裸傳超過12bps，甚至達到40bps。為了解決海上鉆井對鉆進時效的需求，掛接高端隨鉆儀器，2017年中海油服采用了互聯互通的形式，借助貝克休斯BCPM2實現數據快速傳輸。誤碼率低，實井鉆進效果好[2]。

隨鉆泥漿脈沖技術為隨鉆傳輸關鍵技術。中海油服自2012年起自主研制了高速傳輸系統（簡稱“HSVP”），于2016年新疆輪臺進行首次實鉆試驗成功，在國內首次實現了12bps的傳輸速度。自此，國外高端泥漿脈沖遙傳系統開始對中國銷售，同時日費也大幅降低。

經過不斷改進和完善，中海油服自主研發的高速率泥漿脈沖器傳輸系統至2020年12月，已完成包括陸地和海上合計10口井的試作業。

2 Drilog?隨鉆測井系統

中海油服自主研發的Drilog?由井下儀器和地面系統組成[3-4]，如圖1所示。

圖1 Drilog?系統總體架構

2.1 Drilog?井下儀器

Drilog?井下儀器主要包括由隨鉆測量儀DIM（MWD系統）、工程參數測量儀DSM及隨鉆電阻率伽馬一體化測井儀ACPR組成。DIM采用泥漿正脈沖發生器作為井下信息上傳裝置，以三軸加速度計及三軸正交的磁通門實現井眼的井斜、方位及工具面角測量。DSM負責總線通訊控制及系統授時和供電，并具備超聲井徑測量，環空壓力測量及振動沖擊測量的功能。ACPR集成電磁波電阻率和自然伽馬測量，具備多探測深度、高縱向分辨率等特性。

2.2 Drilog?地面系統

地面系統由前端處理單元（EPU）和地面管理主系統（IDEAS）組成，二者通過網絡實現通訊。EPU實現信號采集處理、實時計算和通道擴展功能[8]，符合作業現場防爆隔離的安全規范。IDEAS系統集成數據管理、儀器通訊、實時解碼計算、出圖顯示等功能模塊。系統通過井場信息傳輸標準（WITS），可將井場作業數據實時傳輸到基地的實時專家決策系統（RTC），實現遠程實時地質導向。

3 HSVP?高速率泥漿脈沖遙傳系統

Drilog?中MWD系統低速正作用泥漿脈沖器制約了成像高端儀器的使用，需要研制高速率泥漿脈沖遙傳系統，替代正作用泥漿脈沖遙傳系統。

自2012年1月開始，為了解決傳輸瓶頸，中海油服開始投入力量進行新一代高速泥漿脈沖傳輸系統的研發。至2013年12月，研制出高速率泥漿脈沖隨鉆數據傳輸系統的脈沖發生短節，數據采集及解調子系統軟件，該短節在中海油服燕郊科技園3000m地面循環，實現了實時傳輸速率10Bit/s。在該階段，設計并實現了儀器傳動方案，驅動控制硬件軟件，消噪降噪方法，此外還進行了泥漿脈沖信號傳輸特性分析、信道容量分析、流體數值分析等初步研究。

2016年10月，中海油服自主研發的新一代擺動閥泥漿脈沖遙傳系統，在中國海油COSL工程技術學院新疆分院的“探索者”號鉆井平臺上，按照預先制定的實驗方案完成了首次真井循環和實鉆實驗。最終成功實現了3016m井深時，實鉆實時傳輸速率12bps的傳輸指標。

新一代高速率泥漿脈沖遙傳系統由井下脈沖發生器和地面數據采集解調系統兩部分組成。

3.1 高速傳輸系統井下儀器

自主研發的高速泥漿脈沖器采用獨立短節結構，利用插接的方法進行連接，井下儀器結構見圖2，由適配頭、流道轉換1、電子骨架、流道轉換2、脈沖發生機構、鉆鋌、流道轉換3、硬連接等組成。

圖2 井下脈沖器結構示意圖

自主研發的高速泥漿器為擺動閥原理的脈沖器，轉子以1～40Hz的頻率進行往復擺動，定轉子周期性斷流體通道，是產生壓力波的機構，帶動轉子擺動的傳動系是脈沖器主要耗能機構，也決定著轉子的位置精度和轉動速度[5-6]。

3.2 HSVP地面數據采集及解碼系統

地面系統由壓力傳感器、泵沖傳感器、數據采集箱、終端顯示等組成。數據采集箱見圖3。

圖3 地面數據采集解調系統框圖

從接收到的泥漿壓力信號中獲得目標數據需要經過采樣、數據去噪、消除泵噪、匹配濾波、同步、均衡解碼等過程[7]。其流程如圖4所示。

圖4 信號解調流程

4 HSVP?陸地和海上推廣作業

4.1 儀器組合情況

自2017年開始，HSVP?進入儀器改進完善、試作業及推廣作業階段，在實鉆中改進儀器，對解碼算法進行迭代。到2020年10月，共完成8口陸地井作業。在陸地油田主要提供MWD測量、軌跡控制服務。提供的定向數據準確，滿足作業要求。

2020年12月HSVP?在渤海完成了首次試作業。海上油田為甲方提供MWD測量、LWD測井、軌跡控制服務，儀器工作正常，測井數據準確，軌跡控制符合甲方要求。該井的作業成功，為Drilog?高速率脈沖器作業模式的完善奠定了基礎。HSVP?完成的試驗及推廣作業情況見圖5。

圖5 HSVP累計進尺及循環時間

4.2 HSVP?作業分析

4.2.1 鉆井設備及儀器組合影響

（1）泵噪影響。解碼成功率對泥漿泵依賴較大，消噪算法主要是消除泵噪對信號的影響，一般通過時域或頻域方法消噪，時域消噪要求泵沖穩定。單泵供液時，泵沖頻率在100次/min左右，雙泵供液時，泵沖頻率在50次/min左右，雙泵供液時要求兩個泵的泵沖要基本一致。

高速傳輸的載波頻率完全可以避開泵噪。避開噪聲及噪聲N次諧波能量段，可采用較高載波頻率。泥漿泵轉速不穩定，泥漿泵空氣包，泥漿泵老化，箱體和活塞密封不嚴，形成供液系統噪聲渦輪發電機的渦輪轉動，對解碼影響不大，高頻帶外噪聲。

（2）BHA影響。BHA中渦輪發電機、馬達等，會隨著排量的變化產生周期性噪聲，這些噪聲屬于帶外噪聲，不影響解碼。

鉆頭水眼、儀器變徑、脈沖器剪切閥距離鉆頭的位置等，會使泥漿壓力波產生反射，形成疊加，進而形成頻選效果，通過選擇載波頻率，可有效地解決這個問題[8-9]。

此外，脈沖器作業對BHA中使用馬達時滑動或旋轉鉆進，以及是否使用旋轉導向工具均不敏感。

（3）鉆井工程參數對解碼的影響。泵壓波動對解碼成功率影響不大。鉆壓不穩對解碼成功率影響也不大。

海上作業當ROP超過100h，解碼成功率仍然超過98%，表明ROP對解碼影響較小。

（4）泥漿參數對解碼系統的影響。統計顯示，作業井的泥漿密度1.1～1.4g/cm3之間，這個密度區間對驅動控制效果及解碼效果影響不大。泥漿中含有氣泡會影響解碼，這主要是泥漿中含有氣泡會改變壓力波的傳播速度，需要解碼系統有高度的自適應特性。

泥漿粘度的影響需要在后續的作業中驗證。

4.2.2 安全性及適用性分析

（1）脈沖發生機構定子上插件、轉子材料均為硬質合金，泥漿中有落物沖擊時易碎，會造成鉆柱內憋壓。可以通過增加濾網短節過濾來流中的落物。

（2）泥漿里面混有氣泡，泥漿粘度過大，原始信號幅值弱，都會造成解碼不成功。

（3）電機控制參數目前可匹配大部分井況，幾乎無需在井口調試。

5 結語

（1）截至2020年底，中海油服自主研發隨鉆測井系統累計超過鉆進50×104m，作業范圍全面覆蓋國內海上和主要陸地油氣產區。目前高速傳輸主要采用互聯互通的方式，即利用國外公司的高速傳輸儀器進行作業。

（2）中海油服自主研發的高速率泥漿脈沖遙傳系統自2016年開始進行實鉆試驗，迄今完成了10井次的實鉆，總進尺14912m，總循環時間1845.3h。在2019～2020年度，形成穩定作業能力，證明了系統在鉆進過程中測井質量優良，為系統的擴大使用積累了作業經驗。

（3）高速率脈沖遙傳技術是隨鉆測井系統的關鍵組成，隨著自主高速傳輸儀器的定型和量產，可逐步替代國外高速傳輸儀器。

（4）隨著作業經驗積累，儀器設計日益完善，其作業線可掛接儀器日益增多，由基本的MWD拓展到ACPR電阻率伽馬，再到先進的中子、密度等測井儀器，甚至高端成像儀器，自主研發的HSVP?高速泥漿脈沖遙傳系統，可充分滿足日益增長的隨鉆數據傳輸量需求。