國產LWD與旋轉導向工具互聯互通及在新疆油田區塊的應用

＊李彬李焱坤徐廣飛付仕姚耕耘喬團結

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 新疆 830011 2.北京恒泰萬博石油技術股份有限公司 北京 102211）

為節約成本和提高產量，對于地理位置受限或處于開發后期的油田，一般通過開發深井、大位移井和長水平井來實現。此類井如采用常規彎螺桿造斜，造斜段滑動鉆進時鉆柱受井壁摩阻大，鉆壓無法平滑傳遞，且此時鉆柱處于靜止狀態，容易托壓。突然釋放易造成蹩泵、打倒車以及黏卡現象。

旋轉導向工具具有在旋轉鉆進時連續導向以及井眼軌跡自動控制能力，可提高井眼清潔度及軌跡平滑度。同時減少導向過程中與井壁接觸，降低扭矩和摩阻，消除螺桿鉆具鉆進加壓困難的問題，提高機械鉆速。降低巖屑床堆積可能性，減少卡鉆等井下復雜井況發生幾率，縮短鉆井周期[1-3]。

針對我國越來越多的復雜油氣藏和高難度深井、長水平井，國內鉆井公司引進并采購了多套國外旋轉導向鉆井工具。而其中進口LWD工具的采購和維護成本較高，維修保養周期長，所以采用國產LWD替代進口LWD是較好的解決方案。其中實現國產LWD與進口旋轉導向工具之間的相互通訊是此方案的主要技術難點。本文對兩者之間互聯互通的思路和實現方法，以及互聯互通系統的現場應用做了分析和介紹。

1.旋轉導向技術及應用情況簡介

國外從20世紀80年代末開始旋轉導向技術的研發，90年代進入商業應用，逐步改進、升級、完善。目前，以Schlumberger的PowerDrive系列、Baker-Hughes的AutoTrack系列、Halliburton的Geo-Pliot系列以及Weatherford的Revolution系列為代表的旋轉導向系統，已大規模應用在國際油田技術服務中。在北美、北海、中東等多個地區已經作為主要的水平井、定向井鉆井技術得到應用[2]。典型的如PowerDrive系統在英國WytchFarm油田已完成多口水平位移超萬米的大位移井[4]。我國旋轉導向技術的研究起步較晚，近年來部分國產旋轉導向系統進入現場試驗階段，但整體還未達到商業化應用。目前國內旋導工具主要采用國外產品，且整體應用規模較小[5-6]。

Schlumberger的導向工具以其“所有部件全旋轉”的特性占據了大部分的服務市場，具有一定的代表性。目前在國內應用的主要有三種導向系統：推靠式旋轉導向系統PowerDrive Orbit、指向式旋轉導向系統PowerDrive Xceed以及混合式旋轉導向系統PowerDrive Archer。國內鉆井公司除了購買其鉆井技術服務以外，同時也采購了多套Schlumberger旋轉導向鉆井工具。由于采購的進口成套工具數量有限，且維修保養的周期較長，旋轉導向工具無法及時滿足現場的技術服務需求，明顯制約了鉆井公司對高端業務的服務保障能力。

2.國產LWD與Schlumberger旋轉導向工具互聯互通

針對如上所述問題，中國石油西部鉆探工程有限公司開展了國產LWD工具與Schlumberger旋導工具互聯互通項目的研究與實踐。目前，由于國產LWD工具日趨完善，在國內已進入大規模商業應用。所以將國產LWD工具與Schlumberger旋導工具掛接，實現兩者信息互聯互通[7-8]。新系統可以集合國產LWD的測量功能與Schlumberger旋導工具的井眼軌跡控制優勢，通過國產LWD上傳旋轉導向工具測量數據和參數。

新系統優點：

（1）采用單泥漿閥的先導式液壓驅動脈沖信號發生器可有效提高LWD系統泥漿傳輸信號質量和抗干擾能力，滿足深井和復雜泥漿環境的使用。

（2）國產LWD采用模塊化設計，脈沖信號發生器、定向探管、伽馬探管和電阻率可在鉆井現場更換，操作更迅速、靈活。

（3）LWD系統完全國產化，儀器維修和保養成本低，周期短。

（4）互聯互通系統相較原有Schlumberger旋轉導向降低了使用成本，提高了設備使用率。

國產LWD與Schlumberger旋轉導向工具互聯互通方案具有技術可行性，一方面國產LWD儀器的帶載能力足夠大，可以穩定地為Schlumberger旋轉導向工具及其他掛接儀器供電；另一方面協議互通，可以在數據總線上傳輸命令和數據。兩者之間互聯互通中最大的難點是互相兼容問題，也就是如何在國產LWD系統中加入Schlumberger旋轉導向相關參數的設置、傳輸、存儲、編解碼和顯示，同時保證國產LWD系統單獨工作時能夠穩定正常工作。

方案實施具體思路：利用公司現有國產LWD及Schlumberger旋導工具，兩者之間加入一個通訊互聯短節COMM SUB。保持原有國產LWD儀器和旋導工具總體結構不變，對機械部件、傳輸線路、通訊協議、解碼軟件進行局部的升級改造，實現互聯互通。圖1和圖2為互聯互通系統的結構示意圖。

圖2 國產LWD與旋導工具互聯互通系統示意圖

3.互聯互通項目的設計研發

(1)LWD下行通訊供電結構及數據接口

考慮到旋導系統啟動電流較大，有可能會引起探管過流保護，所以在下行通訊中設計軟啟動電路，同時適當提高探管中的過流保護閾值電流。其總體的數據接口設計（圖3）：上端為BUS+，GND，485A，485B，下端為BUS+，GND，CAN1H，CAN1L。

圖3 通訊供電結構及數據接口

(2)通訊互聯短節COMM SUB軟件及硬件設計

通訊互聯短節COMM SUB為PowerDrive系列旋轉導向工具的無線通訊短節BabbelFish供電，同時將旋轉導向的18個參數，共計24BYTES的數據傳輸給上方LWD系統。如圖3所示，上端采用485接口設計，下端采用CAN口設計，CAN口按照旋導的發數協議取數；485按照MWD的取數協議發數。為了避免接口沖突，在取數和發數之間用定時器控制時序。圖4為PowerDrive旋轉導向的XBUS通訊協議，通訊短節據此通過取數命令得到不同長度的旋導參數。

圖5為通訊互聯短節COMM SUB的結構示意圖。其中旋轉連接器尾部采用彈性自適應結構，可以工作在井下振動劇烈的環境，保證與Bablefish良好接觸導通。旋轉連接器與內部電路之間采用抗壓密封塞隔離，將PowerDrive旋轉導向系統與國產LWD系統隔開，并減小外部諸如泥漿進入帶來的風險。骨架的柔性結構及減振橡膠圈可以保證電路板在劇烈振動環境下正常工作。尾部的固線組件保證連接線牢固連接，保證在高速旋轉和振動下不松脫。

(3)LWD系統上傳中控數據結構的設計

LWD系統中中控數據結構的設計在探管中完成。在井下工作狀態下，LWD探管不斷查詢下方掛接儀器狀態，然后發送取數命令，接收由PowerDrive旋轉導向采集的18個參數數據，并進行存儲、編碼，驅動上方的脈沖發生器發送泥漿正脈沖。在地面由壓力傳感器接收脈沖信號，并轉化為電信號與接口箱通訊，讀取內存數據。

(4)地面數據處理軟件的升級

地面數據處理軟件增加的功能有：對PowerDrive旋轉導向數據解碼、顯示，以及對LWD內存模式的設置和內存數據的讀取。因此，設計了一套專屬協議，LWD系統按照此協議將旋轉導向數據編碼，地面數據軟件按照此協議將收到脈沖信號解碼成對應的旋導數據，并進行顯示。

4.互聯互通項目的現場應用

以新疆油田JLHW2029井實驗應用。其鉆具組合為：Φ215.9mm PDC鉆頭+Φ171mm Archer+Φ171mm互聯互通LWD+Φ171mm MWD+Φ127mm無磁承壓鉆桿+Φ168mm單流閥+轉換接頭+Φ127mm加重鉆桿（3根）+Φ127mm斜坡鉆桿。使用井段：3801～3931m，進尺：130m，循環時間：49h，純鉆時間：37h。在整個井下鉆進期間，Schlumberger旋轉導向工具與國產LWD之間的聯通率和數據完整性及準確率都達到100%，圓滿達到實驗目標。

在后續推廣應用期間，國產LWD與Schlumberger旋轉導向工具互聯互通系統工作穩定，數據傳輸完整準確。2022年全年已經累計服務53井次，服務進尺2.76萬米，取得良好業績。在保證旋轉導向鉆井系統性能與優勢基礎上，與原有進口LWD工具相比，國產LWD工具采購成本降低40%以上，維護成本降低40%以上，同時自有儀器的利用率充分提高，取得明顯經濟效益。

5.結語

國內首次實現Schlumberger旋轉導向工具與國產LWD多種型號、多種儀器組合進行隨鉆實時通訊。開展進口旋轉導向工具與國產LWD互聯互通組配系統研發與應用，能夠降低對進口旋轉導向鉆井整套系統的依賴性，以及降低旋轉導向工具的使用成本，提高自有工具的利用率，提升國內鉆井公司對油田勘探開發的保障能力和水平。

對其他不同類型鉆井工具之間互聯互通研究提供思路和借鑒，有利于利用不同鉆井工具的優點進行組合作業。