旋轉導向鉆井工具信號下傳系統研究＊

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（北京））

旋轉導向鉆井工具信號下傳系統研究＊

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（北京））

結合旋轉導向鉆井系統自身的特點，選擇鉆井液脈沖作為旋轉導向鉆井工具信號下傳的方式，對信號下傳系統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，并結合鉆井液壓力脈沖的傳播特性和旋轉導向鉆井工具的自身特性設計了相適應的指令系統和編碼方式。經現場試驗驗證，所研制的旋轉導向鉆井工具信號下傳系統解碼成功率高，能夠滿足旋轉導向鉆井的需要。

旋轉導向鉆井工具 信號下傳 鉆井液壓力脈沖 傳播特性 編碼

自動化閉環鉆井的概念源于20世紀80年代，而代表自動化閉環鉆井最高水平的旋轉導向鉆井系統面世于20世紀90年代[1－2]。因旋轉導向鉆井系統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用[3－4]。國外各大石油服務公司大都研制了自己的旋轉導向鉆井系統，并投入商業應用獲取了巨大經濟效益。國內以中國海油為首的很多單位也進行了相關研究，但總體和國外仍有較大差距[5－6]。

旋轉導向鉆井系統是通過“測、傳、導”功能，引導控制鉆頭鉆入預期目標地層的智能化鉆井系統，一般由測量系統、通訊（傳輸）系統、導向機構等幾部分組成。信號下傳系統承擔地面控制指令向下傳輸至井底導向工具的工作，是旋轉導向鉆井系統必不可少的組成部分[6－8]。國外投入商業運營的旋轉導向鉆井系統均配備成熟的信號下傳系統，部分公司的信號下傳系統形成了單獨的商業運營系統，目前國內針對旋轉導向信號下傳系統的研究不多，且和國外有較大差距。中海油研究總院經過多年努力研制了具有自主知識產權的旋轉導向鉆井系統并進行了大量的現場試驗，突破了包括信號下傳在內的多項關鍵技術，取得了初步成功。本文結合中海油研究總院牽頭研制的旋轉導向鉆井工具，對其信號下傳系統進行相應分析研究。

1 信號下傳系統基本原理

信號下傳系統用于建立地面系統與井下系統的通訊通道，其應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；

③系統具有很高的準確性、穩定性和可靠性。

由于鉆井作業的特殊性，傳統的通訊方式很難在鉆井環境中得以應用。分析認為，用于鉆井系統信號下傳系統的傳播途徑主要有電纜、智能鉆桿、光纖、電磁波、聲波、鉆柱轉動、鉆井液脈沖等，各種傳輸方式的基本特性見表1。

表1 鉆井系統信號下傳方式比較

對于旋轉導向鉆井系統而言，其主要用于發送地面控制指令，數據量相對較小，同時對于通訊速度要求并不十分嚴格。結合旋轉導向鉆井系統自身特性，綜合考慮可靠性、經濟性、現場作業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。

旋轉導向鉆井信號下傳系統基本原理如圖1所示。地面鉆井液泄流通道的“開”或“關”，可以控制鉆柱內鉆井液流量的變化，進而在井底產生相應的壓力變化，即鉆井液壓力脈沖。地面按照一定順序控制泄流裝置產生鉆井液壓力脈沖（編碼），井下旋轉導向鉆井系統檢測鉆柱內壓力的變化并按照一定的規則進行相應的解析（解碼），則可以完成地面控制命令的發送和井下接收。

圖1 旋轉導向鉆井工具信號下傳系統原理框圖

2 鉆井液壓力脈沖傳播特性研究

2.1 信號下傳系統模型建立

如圖1所示，系統鉆井液的循環通道可以分為循環通道和泄流通道2個部分：當地面泄流裝置關閉時，鉆井液沿循環通道正常循環；當地面泄流裝置打開后時，鉆井液除沿循環通道流動外，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送。旋轉導向鉆井液循環系統可簡化成圖2所示框圖。

圖2 旋轉導向鉆井工具鉆井液循環系統框圖

如圖2所示，鉆井液在主循環回路中流動的壓力損耗主要由管內流、鉆頭、環空流幾部分組成，可分別用以下各式計算：

管內流壓耗

環空流壓耗

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為鉆柱內徑；c為噴嘴水力系數；A0為噴嘴出口截面積；f為摩阻系數。

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為鉆井液循環的各部分的等效水力系數。

根據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、環空、地面泄流裝置的簡化水力系數。設系統正常流量為Q0，泄流后主循環通道流量為Q1，泄流通道流量為Q2，泄流后主循環通道的壓耗為pm，泄流通道的壓耗為pbp，則有如下關系：

圖3 旋轉導向鉆井工具信號下傳系統模型圖

2.2 鉆井液壓力脈沖幅值計算

鉆井液壓力脈沖依賴地面泄流產生，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再結合式（4）則有

根據式（6）

結合式（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均可通過相應的公式計算獲得，kbha、kbp分別代表內部結構復雜的地面泄流裝置和旋轉導向鉆井工具自身的等效水力系數，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發送鉆井液壓力脈沖序列。經理論計算，鉆井液壓力脈沖幅值為3.8 MPa；井下系統記錄保存壓力數據，提鉆后進行實測值與計算值對比，其結果分析見表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。

表2 某試驗井鉆井液壓力脈沖幅值對比結果

結合式（1）～（9），在假設其他因素不變的情況下，對實際鉆井過程中各參數對鉆井液壓力脈沖幅值的影響進行了相應的定性分析（表3）。

表3 實際鉆井過程中各參數對鉆井液壓力脈沖幅值的影響

2.3 鉆井液壓力脈沖的頻率特性

控制地面泄流裝置泄流閥的“開”、“關”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”動作直接相關，鉆井液壓力脈沖的整體時間特性和地面控制動作相一致。

實際應用中，由于鉆井液自身的特性，鉆井液壓力脈沖不可能發生壓力的突然變化，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”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變化[11－12]。一個完整的鉆井液壓力脈沖將由4個區域組成：下降區（A～B）、低壓穩定區（B～C）、上升區（C～D）、高壓穩定區（D～E），其中A～C對應泄流閥持續打開時間，C～E對應泄流閥持續關閉時間。

圖4 某試驗井泄流閥“開”、“關”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，其波形呈指數變化，其變化的時間和鉆井液的密度、粘度、壓縮系數、井身結構、鉆具組合、泄流量、泥漿泵性能等一系列物理量相關。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的測量。

當旋轉導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，調整泵沖至正常鉆進作業需要的泵沖；②泵壓穩定后，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，準備關閉地面泄流裝置；⑥關閉地面泄流裝置，同時啟動秒表；⑦當立管壓力基本恢復至步驟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據

仍以天津塘沽某試驗井為例，結合所研制的地面泄流裝置對旋轉導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據，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；上升沿在10 s以內，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時間，在地面控制鉆井液壓力脈沖的發送中，采用開泄流閥10 s、關泄流閥15 s的時序來完成一個完整鉆井液壓力脈沖的發送。

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

3 信號下傳系統指令系統與信號編碼方式設計

要實現地面指令的向下傳輸，不僅需要能在井底產生鉆井液壓力脈沖，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的控制指令，因此必須按照一定的規律或時間順序來進行鉆井液壓力脈沖的發送，即必須對信號進行相應的編碼。對于旋轉導向鉆井工具的信號下傳系統而言，編碼必須遵循準確性、時效性、可行性（易于實現）的原則。

3.1 指令系統設計

旋轉導向鉆井信號下傳系統指令系統主要用于控制導向工具實現穩斜、導向（增斜、降斜、增方位、降方位）等功能。結合旋轉導向鉆井工具自身的特性，所設計的信號下傳系統指令系統見圖6，對應井眼截面0°～360°范圍，每30°設計1個指令，共12個指令；同時設計1個穩斜指令（KD）、1個停止指令（ST）和2個備用指令。旋轉導向鉆井工具信號下傳系統共設計信號下傳指令16個。

圖6 旋轉導向鉆井信號下傳系統指令系統圖

3.2 信號編碼方式設計

對于鉆井液壓力脈沖而言，其下降沿出現的速度要較上升沿快且易于識別，所以旋轉導向鉆井工具信號下傳系統設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時間，即在發送一個脈沖后需要等待一個恢復周期才能進行下一個脈沖的發送。如果采用脈沖的有無表達數字信號的“0”、“1”，則傳輸過程中需要頻繁地開關地面泄流裝置，對系統影響較大。為盡量簡化操作，同時使系統具有數字編碼的抗干擾、容錯等能力，設計了以4個脈沖來進行信息傳輸的編碼方式，將整個命令劃分為4個區域（圖7），其中每個區域以一個完整的脈沖作為起始信號，每個區域的時間均由脈沖下降時間（TD）、脈沖恢復時間（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命令區作為校驗區且采用偶校驗。

圖7 旋轉導向鉆井工具信號下傳系統信號編碼方式

根據本文前述，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的區分參數。第1、2命令區，命令時間區分參數n、m和實際命令對照如表4，第3命令區命令時間區分參數c按照判定原則由n、m共同決定。

由圖7所示，單個命令持續時間Tc＝4×（TD＋TU）＋T1＋T2＋T3＝（4＋n＋m＋c）×TD＋4×TU。例如，當要向120°方向導向鉆進時，據表4取n＝2、m＝1，此時c＝1，整個命令發送持續時間140 s。

表4 旋轉導向鉆井工具信號下傳系統各命令時間對應指令

4 現場試驗

根據旋轉導向鉆井工具現場試驗要求，信號下傳系統配合旋轉導向鉆井工具在天津塘沽、長慶、四川等試驗現場完成了10余井次的信號下傳作業，均取得了理想結果。2012年3月，旋轉導向鉆井工具在天津塘沽JJSY－4井進行了現場試驗。在試驗中根據旋轉導向鉆井工具實際作業需要，按照所設計信號下傳指令編碼方法累積發送信號下傳指令15個，其中0°導向指令（增斜指令）9個、穩斜指令（KD）1個、停止指令（ST）5個，完成一個指令的發送一般需要2～3 min，這與國外投入商業應用的旋轉導向鉆井工具信號下傳系統相近。作業結束提鉆后對旋轉導向內部測量保存數據進行了分析，試驗中正確執行信號下傳指令共14個，未能正確執行的1個信號下傳指令是由于地面發送時序錯誤導致，這說明本文所研制的旋轉導向鉆井工具信號下傳系統解碼準確率接近100%，可以滿足旋轉導向鉆井的需要。

5 結束語

研究結果表明，根據旋轉導向鉆井系統的自身特性綜合考慮可靠性、經濟性、現場作業可操作性等要求，選用鉆井液脈沖作為旋轉導向鉆井工具信號下傳方式是可行的，現場試驗表明，本文研制的信號下傳系統解碼成功率高，可以成功應用于旋轉導向鉆井系統。由于受泄流裝置以及鉆井液通道自身特性的限制，本文研制的旋轉導向鉆井工具信號下傳系統要求地面泄流的速率不能太高，完成一個指令的發送一般需要2～3 min的時間，但這與國外投入商業應用的旋轉導向鉆井工具信號下傳系統相近。

需要指出的是，當指令系統較為復雜時，需要對旋轉導向鉆井工具信號下傳系統進行相應的擴展。同時，目前所研制的信號下傳系統的配套系統仍有所欠缺，需要進一步完善與優化。

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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

＊國家高技術研究發展計劃（863計劃）“旋轉導向鉆井系統工程化技術研究（編號：2007AA090801）”部分研究成果。

李峰飛，男，2010年畢業于中國地質大學（武漢），獲博士學位，現主要從事旋轉導向鉆井系統相關的研究工作。地址：北京市東城區東直門外小街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）