李峰飛 蔣世全 李漢興 高德利
(1.中海油研究總院; 2.中國石油大學(xué)(北京))
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)研究*
李峰飛1,2蔣世全1李漢興1高德利2
(1.中海油研究總院; 2.中國石油大學(xué)(北京))
結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)自身的特點,選擇鉆井液脈沖作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳的方式,對信號下傳系統(tǒng)鉆井液壓力脈沖的傳播特性進行了深入研究;分析了各種鉆井參數(shù)對鉆井液壓力脈沖幅值的影響,給出了鉆井液壓力脈沖的時間特性,并結(jié)合鉆井液壓力脈沖的傳播特性和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的自身特性設(shè)計了相適應(yīng)的指令系統(tǒng)和編碼方式。經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證,所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)解碼成功率高,能夠滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的需要。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具 信號下傳 鉆井液壓力脈沖 傳播特性 編碼
自動化閉環(huán)鉆井的概念源于20世紀80年代,而代表自動化閉環(huán)鉆井最高水平的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)面世于20世紀90年代[1-2]。因旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)具有井眼凈化效果好、井身軌跡控制精確、位移延伸能力強等優(yōu)點,在鉆超深井、高難定向井、叢式井、分支井等特殊工藝井中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。國外各大石油服務(wù)公司大都研制了自己的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng),并投入商業(yè)應(yīng)用獲取了巨大經(jīng)濟效益。國內(nèi)以中國海油為首的很多單位也進行了相關(guān)研究,但總體和國外仍有較大差距[5-6]。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是通過“測、傳、導(dǎo)”功能,引導(dǎo)控制鉆頭鉆入預(yù)期目標地層的智能化鉆井系統(tǒng),一般由測量系統(tǒng)、通訊(傳輸)系統(tǒng)、導(dǎo)向機構(gòu)等幾部分組成。信號下傳系統(tǒng)承擔(dān)地面控制指令向下傳輸至井底導(dǎo)向工具的工作,是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)必不可少的組成部分[6-8]。國外投入商業(yè)運營的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)均配備成熟的信號下傳系統(tǒng),部分公司的信號下傳系統(tǒng)形成了單獨的商業(yè)運營系統(tǒng),目前國內(nèi)針對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向信號下傳系統(tǒng)的研究不多,且和國外有較大差距。中海油研究總院經(jīng)過多年努力研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)并進行了大量的現(xiàn)場試驗,突破了包括信號下傳在內(nèi)的多項關(guān)鍵技術(shù),取得了初步成功。本文結(jié)合中海油研究總院牽頭研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具,對其信號下傳系統(tǒng)進行相應(yīng)分析研究。
信號下傳系統(tǒng)用于建立地面系統(tǒng)與井下系統(tǒng)的通訊通道,其應(yīng)該滿足以下基本要求[9-10]:
①完成地面控制命令的下傳和井下準確接收;
②不影響正常的鉆井作業(yè);
③系統(tǒng)具有很高的準確性、穩(wěn)定性和可靠性。
由于鉆井作業(yè)的特殊性,傳統(tǒng)的通訊方式很難在鉆井環(huán)境中得以應(yīng)用。分析認為,用于鉆井系統(tǒng)信號下傳系統(tǒng)的傳播途徑主要有電纜、智能鉆桿、光纖、電磁波、聲波、鉆柱轉(zhuǎn)動、鉆井液脈沖等,各種傳輸方式的基本特性見表1。
表1 鉆井系統(tǒng)信號下傳方式比較
對于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)而言,其主要用于發(fā)送地面控制指令,數(shù)據(jù)量相對較小,同時對于通訊速度要求并不十分嚴格。結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)自身特性,綜合考慮可靠性、經(jīng)濟性、現(xiàn)場作業(yè)可操作性等幾個方面的要求,選擇鉆井液脈沖作為其信號下傳方式。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號下傳系統(tǒng)基本原理如圖1所示。地面鉆井液泄流通道的“開”或“關(guān)”,可以控制鉆柱內(nèi)鉆井液流量的變化,進而在井底產(chǎn)生相應(yīng)的壓力變化,即鉆井液壓力脈沖。地面按照一定順序控制泄流裝置產(chǎn)生鉆井液壓力脈沖(編碼),井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)檢測鉆柱內(nèi)壓力的變化并按照一定的規(guī)則進行相應(yīng)的解析(解碼),則可以完成地面控制命令的發(fā)送和井下接收。
圖1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)原理框圖
如圖1所示,系統(tǒng)鉆井液的循環(huán)通道可以分為循環(huán)通道和泄流通道2個部分:當?shù)孛嫘沽餮b置關(guān)閉時,鉆井液沿循環(huán)通道正常循環(huán);當?shù)孛嫘沽餮b置打開后時,鉆井液除沿循環(huán)通道流動外,部分鉆井液將沿泄流通道直接返回泥漿池,進而完成鉆井液脈沖的發(fā)送。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井液循環(huán)系統(tǒng)可簡化成圖2所示框圖。
圖2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具鉆井液循環(huán)系統(tǒng)框圖
如圖2所示,鉆井液在主循環(huán)回路中流動的壓力損耗主要由管內(nèi)流、鉆頭、環(huán)空流幾部分組成,可分別用以下各式計算:
管內(nèi)流壓耗
環(huán)空流壓耗
鉆頭壓耗
式(1)~(3)中:Q 為鉆井液流量;ρ為鉆井液密度;L為鉆柱總長;dh為井眼直徑;D為鉆柱外徑;d為鉆柱內(nèi)徑;c為噴嘴水力系數(shù);A0為噴嘴出口截面積;f為摩阻系數(shù)。
對于鉆井液在地面管匯(高壓管線、立管、水龍帶、水龍頭)、鉆桿、鉆鋌、接頭等壓耗,可以用式(1)近似計算;對于鉆井液循環(huán)的各部分壓耗,均可以用下式近似計算:
式(4)中,k為鉆井液循環(huán)的各部分的等效水力系數(shù)。
根據(jù)柱塞式泥漿泵的特性可以將其等效為一恒流源,圖2所示框圖可以進一步轉(zhuǎn)化為圖3所示模型圖,其中kcl、kp、kbha、kb、ka、kbp分別為地面管匯、鉆柱、井底鉆具、鉆頭、環(huán)空、地面泄流裝置的簡化水力系數(shù)。設(shè)系統(tǒng)正常流量為Q0,泄流后主循環(huán)通道流量為Q1,泄流通道流量為Q2,泄流后主循環(huán)通道的壓耗為pm,泄流通道的壓耗為pbp,則有如下關(guān)系:
圖3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)模型圖
鉆井液壓力脈沖依賴地面泄流產(chǎn)生,所以鉆井液壓力脈沖幅值也即測量點泄流前后的壓力差值。設(shè)泄流前測量點的壓力值為p0,泄流后的壓力值為p1,鉆井液壓力脈沖幅值為pA,由圖3再結(jié)合式(4)則有
根據(jù)式(6)
結(jié)合式(5)、(7)、(8),簡化后可得
對于式(9)而言,鉆井液流量Q0為已知量,kcl、kp、kb、ka均可通過相應(yīng)的公式計算獲得,kbha、kbp分別代表內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地面泄流裝置和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具自身的等效水力系數(shù),為避免計算誤差,在實際工程中通過試驗測量計算獲得,這樣便可以獲得鉆井液壓力脈沖幅值。
以天津塘沽某試驗井為例,鉆井液密度為1.08 g/cm3;粘度3.1 mPa·s,使用φ215.9 mmPDC 鉆頭,噴嘴組合為3個8.73 mm和2個12.7 mm,泥漿泵排量為31.13 L/s,在井深800 m處通過信號下傳系統(tǒng)發(fā)送鉆井液壓力脈沖序列。經(jīng)理論計算,鉆井液壓力脈沖幅值為3.8 MPa;井下系統(tǒng)記錄保存壓力數(shù)據(jù),提鉆后進行實測值與計算值對比,其結(jié)果分析見表2。由表2可以看出,理論計算獲得的鉆井液壓力脈沖幅值和實測鉆井液壓力脈沖幅值吻合較好,誤差在±5%以內(nèi)。
表2 某試驗井鉆井液壓力脈沖幅值對比結(jié)果
結(jié)合式(1)~(9),在假設(shè)其他因素不變的情況下,對實際鉆井過程中各參數(shù)對鉆井液壓力脈沖幅值的影響進行了相應(yīng)的定性分析(表3)。
表3 實際鉆井過程中各參數(shù)對鉆井液壓力脈沖幅值的影響
控制地面泄流裝置泄流閥的“開”、“關(guān)”在井下形成鉆井液壓力脈沖,因此鉆井液壓力脈沖的時間特性和泄流閥的“開”、“關(guān)”動作直接相關(guān),鉆井液壓力脈沖的整體時間特性和地面控制動作相一致。
實際應(yīng)用中,由于鉆井液自身的特性,鉆井液壓力脈沖不可能發(fā)生壓力的突然變化,從高到低和從低到高的變化均需要一個過程。某試驗井泄流閥“開”、“關(guān)”形成的鉆井液壓力脈沖波形圖見圖4,可見該井鉆井液壓力脈沖波形呈指數(shù)變化[11-12]。一個完整的鉆井液壓力脈沖將由4個區(qū)域組成:下降區(qū)(A~B)、低壓穩(wěn)定區(qū)(B~C)、上升區(qū)(C~D)、高壓穩(wěn)定區(qū)(D~E),其中A~C對應(yīng)泄流閥持續(xù)打開時間,C~E對應(yīng)泄流閥持續(xù)關(guān)閉時間。
圖4 某試驗井泄流閥“開”、“關(guān)”形成的鉆井液壓力脈沖
2.3.1 鉆井液壓力脈沖下降沿及上升沿時間測量
對于鉆井液壓力脈沖而言,其波形呈指數(shù)變化,其變化的時間和鉆井液的密度、粘度、壓縮系數(shù)、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、泄流量、泥漿泵性能等一系列物理量相關(guān)。由于其涉及變量太多,理論計算可能造成較大的誤差,為了對鉆井液壓力脈沖的時間特性有更好的了解,可以在井場對鉆井液壓力脈沖的時間特性進行相應(yīng)的測量。
當旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆具下至井底后,通過安裝在立管處的壓力傳感器進行鉆井液壓力脈沖下降沿及上升沿時間的測量,具體測量步驟如下:①鉆具下至井底后開泵,調(diào)整泵沖至正常鉆進作業(yè)需要的泵沖;②泵壓穩(wěn)定后,記錄立管壓力;③打開地面泄流裝置進行泄流,同時啟動秒表;④當立管泵壓再次穩(wěn)定后,停止秒表,則獲得鉆井液壓力脈沖下降沿的時間;⑤清零秒表,準備關(guān)閉地面泄流裝置;⑥關(guān)閉地面泄流裝置,同時啟動秒表;⑦當立管壓力基本恢復(fù)至步驟②所記錄的壓力時,停止秒表,則獲得鉆井液壓力脈沖上升沿的時間。
2.3.2 實測鉆井液壓力脈沖時間數(shù)據(jù)
仍以天津塘沽某試驗井為例,結(jié)合所研制的地面泄流裝置對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在井口和井下進行了大量試驗,測得了大量的鉆井液壓力脈沖下降沿和上升沿數(shù)據(jù),繪制了其下降沿和上升沿時間特性曲線(圖5)。從圖5可以看出,該井鉆井液壓力脈沖下降沿一般在5 s以內(nèi);上升沿在10 s以內(nèi),下降沿較上升沿快。為避免干擾,給鉆井液壓力脈沖以充分的下降和恢復(fù)時間,在地面控制鉆井液壓力脈沖的發(fā)送中,采用開泄流閥10 s、關(guān)泄流閥15 s的時序來完成一個完整鉆井液壓力脈沖的發(fā)送。
圖5 某試驗井鉆井液壓力脈沖下降沿和上升沿時間特性曲線
要實現(xiàn)地面指令的向下傳輸,不僅需要能在井底產(chǎn)生鉆井液壓力脈沖,同時井下工具必須能從識別出的鉆井液壓力脈沖中解析出相應(yīng)的控制指令,因此必須按照一定的規(guī)律或時間順序來進行鉆井液壓力脈沖的發(fā)送,即必須對信號進行相應(yīng)的編碼。對于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的信號下傳系統(tǒng)而言,編碼必須遵循準確性、時效性、可行性(易于實現(xiàn))的原則。
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號下傳系統(tǒng)指令系統(tǒng)主要用于控制導(dǎo)向工具實現(xiàn)穩(wěn)斜、導(dǎo)向(增斜、降斜、增方位、降方位)等功能。結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具自身的特性,所設(shè)計的信號下傳系統(tǒng)指令系統(tǒng)見圖6,對應(yīng)井眼截面0°~360°范圍,每30°設(shè)計1個指令,共12個指令;同時設(shè)計1個穩(wěn)斜指令(KD)、1個停止指令(ST)和2個備用指令。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)共設(shè)計信號下傳指令16個。
圖6 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號下傳系統(tǒng)指令系統(tǒng)圖
對于鉆井液壓力脈沖而言,其下降沿出現(xiàn)的速度要較上升沿快且易于識別,所以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)設(shè)定以下降沿作為信號編碼的信源;同時,為了更好地接收和識別鉆井液壓力脈沖信號,在每個脈沖后需要有一定的恢復(fù)時間,即在發(fā)送一個脈沖后需要等待一個恢復(fù)周期才能進行下一個脈沖的發(fā)送。如果采用脈沖的有無表達數(shù)字信號的“0”、“1”,則傳輸過程中需要頻繁地開關(guān)地面泄流裝置,對系統(tǒng)影響較大。為盡量簡化操作,同時使系統(tǒng)具有數(shù)字編碼的抗干擾、容錯等能力,設(shè)計了以4個脈沖來進行信息傳輸?shù)木幋a方式,將整個命令劃分為4個區(qū)域(圖7),其中每個區(qū)域以一個完整的脈沖作為起始信號,每個區(qū)域的時間均由脈沖下降時間(TD)、脈沖恢復(fù)時間(TU)、命令時間(T1、T2、T3)等3個部分組成,命令時間可以為0,第3命令區(qū)作為校驗區(qū)且采用偶校驗。
圖7 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)信號編碼方式
根據(jù)本文前述,在此取TD=10 s,TU=15 s,對命令時間做如下定義:
其中n、m、c分別表示命令時間T1、T2、T3的區(qū)分參數(shù)。第1、2命令區(qū),命令時間區(qū)分參數(shù)n、m和實際命令對照如表4,第3命令區(qū)命令時間區(qū)分參數(shù)c按照判定原則由n、m共同決定。
由圖7所示,單個命令持續(xù)時間Tc=4×(TD+TU)+T1+T2+T3=(4+n+m+c)×TD+4×TU。例如,當要向120°方向?qū)蜚@進時,據(jù)表4取n=2、m=1,此時c=1,整個命令發(fā)送持續(xù)時間140 s。
表4 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)各命令時間對應(yīng)指令
根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具現(xiàn)場試驗要求,信號下傳系統(tǒng)配合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在天津塘沽、長慶、四川等試驗現(xiàn)場完成了10余井次的信號下傳作業(yè),均取得了理想結(jié)果。2012年3月,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在天津塘沽JJSY-4井進行了現(xiàn)場試驗。在試驗中根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具實際作業(yè)需要,按照所設(shè)計信號下傳指令編碼方法累積發(fā)送信號下傳指令15個,其中0°導(dǎo)向指令(增斜指令)9個、穩(wěn)斜指令(KD)1個、停止指令(ST)5個,完成一個指令的發(fā)送一般需要2~3 min,這與國外投入商業(yè)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)相近。作業(yè)結(jié)束提鉆后對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向內(nèi)部測量保存數(shù)據(jù)進行了分析,試驗中正確執(zhí)行信號下傳指令共14個,未能正確執(zhí)行的1個信號下傳指令是由于地面發(fā)送時序錯誤導(dǎo)致,這說明本文所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)解碼準確率接近100%,可以滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的需要。
研究結(jié)果表明,根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的自身特性綜合考慮可靠性、經(jīng)濟性、現(xiàn)場作業(yè)可操作性等要求,選用鉆井液脈沖作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳方式是可行的,現(xiàn)場試驗表明,本文研制的信號下傳系統(tǒng)解碼成功率高,可以成功應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。由于受泄流裝置以及鉆井液通道自身特性的限制,本文研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)要求地面泄流的速率不能太高,完成一個指令的發(fā)送一般需要2~3 min的時間,但這與國外投入商業(yè)應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)相近。
需要指出的是,當指令系統(tǒng)較為復(fù)雜時,需要對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號下傳系統(tǒng)進行相應(yīng)的擴展。同時,目前所研制的信號下傳系統(tǒng)的配套系統(tǒng)仍有所欠缺,需要進一步完善與優(yōu)化。
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Study on downward signaling system of rotary steerable drilling tool
Li Fengfei1,2Jiang Shiquan1Li Hanxing1Gao Deli2
(1.CNOOC Research Institute,Beijing,100027;2.China University of Petroleum,Beijing,102249)
Combined with the characteristics of rotary steerable drilling system,the drilling fluid pressure pulse was taken as the downward signaling mode of the rotary steerable drilling tool and the deep study was carried out on the transmission characteristics of the drilling fluid pressure pulses in the system.The influences of various drilling parameters no the pulse amplitude were analyzed and the time characteristics of the pulses were obtained.Thereby the suitable command system and the coding method were designed combined with the transmission characteristics of drilling fluid pressure pulses and the characteristics of the rotary steerable drilling tool.The field test has demonstrated that the developed downward signaling system has high decoding rate and meet the needs of the rotary steerable drilling tool.
rotary steerable drilling tool;downward signaling;drilling fluid pressure pulse;propagation characteristic;coding
*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化技術(shù)研究(編號:2007AA090801)”部分研究成果。
李峰飛,男,2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),獲博士學(xué)位,現(xiàn)主要從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)相關(guān)的研究工作。地址:北京市東城區(qū)東直門外小街6號海油大廈(郵編:100027)。電話:010-84525497。
2011-12-27改回日期:2012-02-21
(編輯:葉秋敏)