蔡偉，張振華，丁明海，楊志堅(jiān)，裴斐，劉海波

（中國(guó)石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，大慶163000）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井儀器是目前廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)水平段施工的新一代智能化閉環(huán)鉆井系統(tǒng)。通過(guò)整個(gè)井下鉆具管柱的360°旋轉(zhuǎn)模式，既能精準(zhǔn)控制井眼軌跡，又能避免傳統(tǒng)井下螺桿馬達(dá)等動(dòng)力鉆具滑動(dòng)鉆進(jìn)帶來(lái)的大摩阻和鉆進(jìn)效率低等問(wèn)題，因此，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠有效地減少鉆井周期和提高井眼軌跡質(zhì)量[1-2]。

1 DQXZ-172型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介

DQXZ-172型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院自主研發(fā)的高效鉆井系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)用了先進(jìn)的工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)測(cè)量模塊，采用推靠式導(dǎo)向工作原理的3 個(gè)獨(dú)立肋板產(chǎn)生合力矢量可使其在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的地質(zhì)導(dǎo)向。該系統(tǒng)具備井下渦輪發(fā)電機(jī)供電、與地面進(jìn)行雙向通訊、大功率非接觸能量信號(hào)電磁耦合、 近鉆頭傳感器連續(xù)測(cè)量和程控分流指令下傳等全套核心技術(shù)特點(diǎn)。

表1 DQXZ-172旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)參數(shù)表

圖1 DQXZ-172型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 DQXZ-172型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成

整套系統(tǒng)由地面、下傳、上傳、主控、工程參數(shù)測(cè)量、地質(zhì)參數(shù)測(cè)量、導(dǎo)向單元電源、導(dǎo)向（姿態(tài)測(cè)量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)）8個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

3 核心功能模塊簡(jiǎn)介

3.1 上半部電子系統(tǒng)短節(jié)介紹

上半部電子系統(tǒng)短節(jié)主要由300W三相泥漿發(fā)電機(jī)、BCPM供電轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、主控通訊及存儲(chǔ)電路系統(tǒng)和一個(gè)先進(jìn)的工程參數(shù)測(cè)量模塊組成。

300W泥漿發(fā)電機(jī)部分主要負(fù)責(zé)為整套旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的電子電路及導(dǎo)向頭液壓執(zhí)行系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動(dòng)力。其輸出功率不僅滿足目前整個(gè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的整體用電要求，同時(shí)還為今后掛接方位電阻率等新型測(cè)量模塊預(yù)留了空間。

BCPM供電轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的電路所承受最高輸入電壓為180V，然后經(jīng)該系統(tǒng)的整流和穩(wěn)壓電路為整個(gè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向電部分穩(wěn)定輸出36V直流電。

主控通訊及存儲(chǔ)電路系統(tǒng)采用電能耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)單總線供電，并設(shè)計(jì)小型協(xié)議棧滿足對(duì)下部各短節(jié)的高效通訊及監(jiān)控。該部分擁有基于SPI總線實(shí)現(xiàn)的NorFlash存儲(chǔ)陣列，容量為2*512Mb，采用獨(dú)立供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，并配合壓縮算法實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)。電流控制電路能夠在系統(tǒng)上電初期有效隔斷下部系統(tǒng)的工作電流，避免工程參數(shù)測(cè)量模塊工作時(shí)收到電磁影響，帶測(cè)量完成后釋放電流供下部系統(tǒng)工作。

工程參數(shù)測(cè)量模塊采用探管式嵌入設(shè)計(jì)，擁有APS傳感器，為整套系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的井斜、方位和工具面等工程參數(shù)。

3.2 地質(zhì)參數(shù)測(cè)量短節(jié)簡(jiǎn)介

地質(zhì)參數(shù)測(cè)量短節(jié)包括自主研發(fā)的DQ-LWD電磁波電阻率和方位伽馬兩個(gè)測(cè)量模塊。其中電阻率測(cè)量模塊采用插件式結(jié)構(gòu)，天線系設(shè)計(jì)為環(huán)縫式雙頻（1MHz和2MHz）四發(fā)雙收結(jié)構(gòu)，底層探測(cè)距離大于2m。方位伽馬測(cè)量模塊的傳感器采用基于微機(jī)電雙軸陀螺實(shí)現(xiàn)8扇區(qū)伽馬傳感器旋轉(zhuǎn)定位的布置，殼體采用外壁銑槽、并聯(lián)布置方式設(shè)計(jì)，測(cè)點(diǎn)距離鉆頭2.3m，其存儲(chǔ)能力達(dá)到1Gbits。開發(fā)過(guò)程中，先后開展了靜態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、高溫電路板老化實(shí)驗(yàn)（150℃）、高溫與振動(dòng)復(fù)合實(shí)驗(yàn)（ 150℃ 、16g、20～200Hz）等一系列可靠性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)來(lái)確保電路部分工作的穩(wěn)定性。

圖2 DQ-LWD電磁波電阻率原理框圖

圖3 方位伽馬測(cè)量模塊原理框圖

3.3 導(dǎo)向頭短節(jié)簡(jiǎn)介

導(dǎo)向頭短節(jié)主要由導(dǎo)向模塊電源系統(tǒng)（非接觸供電變壓器）、上電子倉(cāng)、下電子倉(cāng)及3個(gè)間隔120°分布的液壓導(dǎo)向執(zhí)行模塊組成。

基于能量、信號(hào)非接觸式雙向高效無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)要求，非接觸變壓器部分采用對(duì)稱繞線方法，并應(yīng)用高性能軟磁材料，最終研制出了旋轉(zhuǎn)耦合變壓器，無(wú)線能量傳輸效率達(dá)82.6%。

上、下電子倉(cāng)為導(dǎo)向短節(jié)的電子電路部分，包含控制電路、驅(qū)動(dòng)和二次電路以及一個(gè)近鉆頭井斜傳感器，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)計(jì)算三個(gè)液壓導(dǎo)向執(zhí)行單元觸及井壁時(shí)反向推力的合力矢量位置，按照接收到的下傳指令實(shí)施三維導(dǎo)向控制，使鉆頭按預(yù)定方位鉆進(jìn)，達(dá)到精準(zhǔn)控制井眼軌跡的目的。

導(dǎo)向頭部分安裝有測(cè)量模塊可以測(cè)得支撐爪1相對(duì)于高邊的位置, 圖4中偏置合力即是控制目標(biāo),當(dāng)系統(tǒng)下達(dá)控制指令時(shí), 井下微處理器按照預(yù)定控制算法計(jì)算出各支撐爪力, 通過(guò)液壓推動(dòng)支撐爪支出, 同時(shí)獲得井壁對(duì)支撐爪的反向推力。在井下應(yīng)用時(shí)按照預(yù)定的軌跡,將目標(biāo)導(dǎo)向力傳給井下處理器, 井下處理器通過(guò)按照已定的控制參數(shù)計(jì)算各支撐爪力大小, 并通過(guò)井下處理器傳給控制閥, 再傳給各支撐爪, 各支撐爪按計(jì)算出的控制參數(shù)支出,使儀器受到井壁反向支撐力 ,從而使鉆頭按目標(biāo)方向進(jìn)行高效鉆進(jìn), 鉆進(jìn)的同時(shí)將測(cè)得工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)通過(guò)井下傳感器上傳到地面監(jiān)控系統(tǒng), 地面工程師通過(guò)對(duì)上傳數(shù)據(jù)的分析, 確定接下來(lái)井下工作參數(shù)的調(diào)整[3-6]。

圖4 控制平面內(nèi)結(jié)構(gòu)分布圖

圖5 液壓執(zhí)行模塊工作原理框圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，儀器的可靠性和穩(wěn)定性得到了極大的提高，截至目前，該項(xiàng)技術(shù)累計(jì)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)23口井，總進(jìn)尺6332米，累計(jì)工作時(shí)間983小時(shí)，最大造斜率每30米6.5度，最大單井水平段進(jìn)尺841米，砂巖鉆遇率最高86.4%，平均機(jī)械鉆速較同區(qū)塊LWD施工提高了129.49%，為產(chǎn)業(yè)化推廣奠定了基礎(chǔ)。下面主要介紹臺(tái)36-平83井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 DQXZ-172型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)臺(tái)36-平83井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

指令下傳成功率 % 80液壓模塊目標(biāo)值與實(shí)際值偏差度 % ＜10儀器下鉆次數(shù) times 1總誤工時(shí)間 h 0平均鉆壓 t 4～5平均排量 L/S 30-35平均轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 r/min 90～100鉆井液密度 g/cm3 1.25～1.3粘度 s 52～55含沙 % 0.5

期間在薄差油層地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中工程參數(shù)測(cè)量模塊、地質(zhì)參數(shù)測(cè)量模塊、液壓導(dǎo)向執(zhí)行單元均能夠正常工作。尤其方位伽瑪測(cè)量模塊因其距鉆頭近、且具有方位特性，可以實(shí)現(xiàn)地層方位伽瑪測(cè)量與成像，能夠精確地質(zhì)導(dǎo)向，實(shí)時(shí)指導(dǎo)鉆頭鉆進(jìn)方向，提高砂巖鉆遇率。此外，泥漿泵穩(wěn)定工作時(shí)下傳指令能夠正確解碼，實(shí)施隨鉆雙向通訊，實(shí)現(xiàn)在鉆進(jìn)時(shí)下傳指令，提升鉆進(jìn)效率。

5 結(jié)論

通過(guò)DQXZ-172型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果可以確定，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行智能化自動(dòng)導(dǎo)向，又可以根據(jù)實(shí)際井眼軌跡和地層情況隨時(shí)下傳指令并調(diào)整導(dǎo)向方向和導(dǎo)向力，因此滿足智能化自動(dòng)導(dǎo)向鉆井作業(yè)及隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)的雙重需要，同時(shí)也保證了較高的機(jī)械鉆速及提高井眼軌跡質(zhì)量。隨著油田勘探開發(fā)的深入，高難定向井、叢式井、水平井、大位移井、分支井等特殊工藝井逐年增多，對(duì)比滑動(dòng)導(dǎo)向鉆井，DQXZ-172型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)具有位移延伸能力更強(qiáng)，井身軌跡控制精度更高，鉆進(jìn)速度更快的特點(diǎn)，有助于降低特殊工藝井的鉆井成本。