導向鉆井中壓力指令下傳系統的設計

鄭州職業技術學院 潘海洋

0 引言

導向鉆井技術是石油鉆井工程的最新研究領域和發展趨勢[1]。導向鉆井系統有自動調節功能，可以追蹤并鉆達含油豐富的油層，對于復雜條件下常規鉆井技術難以解決的井眼軌跡控制問題，導向鉆井更能顯示其優越性。

在導向鉆井工程中，井地間雙向通訊系統是核心技術之一[2]。在我國，個別單位和研究機構已經成功研制出了基于鉆井液壓力波的無線隨鉆測量系統(MWD)，即上傳通信系統[3]。而地面信息下傳系統，國外以廣泛應用于鉆井工程中[4]，但國內目前沒有成熟的技術。研究指令下傳技術有助于打破國外的技術壟斷局面，實現導向鉆井技術設備的國產化，對提高我國鉆井水平、提高油氣開采效率和采收率有重要意義。

1 鉆井信息的傳輸

1.1 有線傳輸方式

電纜傳輸方式是在鉆桿內部導入電導線，導線的類型一般是鎧裝電纜。電纜傳輸方式的優點是可實現信息的雙向高速傳遞，且可以直接向井下設備提供電力。其缺點是經常有鉆進困難的現象，影響正常鉆進過程。

特種鉆桿傳輸方式是將連續導體附在鉆桿內使其成為鉆桿整體的一部分。裝在鉆桿接頭內的特殊連接裝置使鉆柱在整個長度內導電，從而實現電導體從地面通向井底。特種鉆桿傳輸方式的優點是數據傳輸快、雙向通信簡單；缺點是成本高，且操作復雜。

光纖傳輸方式是將光纖導入井眼中,光纖長度為整個鉆柱的長度。光纖傳輸的優點是傳輸速度快，能以大約1Mbit/s的速率傳送數據；缺點是光纖脆弱要加保護，實現兩根光纖的對接不如電導線方便，光纖很難傳輸電能。

1.2 無線傳輸方式

電磁波傳輸方式的優點是不需要機械接收裝置，數據傳輸速度較快,適合于普通泥漿、泡沫泥漿、空氣鉆井、激光鉆井等鉆井施工中傳輸定向和地質資料參數。不足之處是由于傳輸信號快速衰減，導致 EM 測量方法只適合在淺井中使用，且易受井場電氣設備和地層電阻率的影響，從而使信號的探測和接收變得較困難。

聲波傳輸方式實現方法簡單、投資較少。但信號在鉆桿中傳播衰減很快，需要在鉆桿內每隔400～500m裝1個中繼站。并且易被鉆井設備產生的聲波噪聲所干擾，使系統可靠行降低。目前該技術應用的最大井深為3000～4000m。

鉆井液脈沖傳輸方式是以鉆井液為傳輸介質，通過改變鉆桿中鉆井液的排量產生壓力波動，從而傳輸鉆井信息。其優點是對鉆井工具的工藝沒有特殊的要求和限制，降低了開發成本；對正常鉆井作業影響很小，且通信可靠，能遠距離傳輸。但由于壓力脈沖在鉆井液中傳播的速度較低，致使該方式的數據傳輸速率較低。并且在氣體和氣、液雙相流體中不能夠采用鉆井液脈沖傳輸方式。

導向鉆井下行傳輸的多為控制指令，指令數據量小且間隔較長。因此，下行信息傳輸以鉆井液脈沖傳輸方式為最優選擇。而且便于與目前廣泛使用的鉆井液脈沖方式上傳信息的MWD相結合，形成井地雙向通信系統。

2 下傳指令的編碼方式

鉆井液脈沖分為正脈沖和負脈沖兩種形式。綜合考慮導向鉆井系統下行通訊傳輸的深度、速率、可靠性的實際需求及井下工具的工作特點等因素，采用鉆井液負脈沖方式來傳遞信息。

通過對鉆井液負脈沖波形的研究，發現鉆井液負脈沖的下降沿時間比上升沿時間短，單位時間內下降沿的變化量比上升沿的變化量大。因此，在充分考慮到井下識別準確性、指令傳輸時間、鉆井工藝的可行性等要求的前提下，設計了利用壓力脈沖下降沿和相鄰下降沿時間差的下傳指令編碼方式（圖1）。

圖1 指令下傳的編碼方式

其中脈沖T1、T3分別作幀頭和幀尾表示脈沖信號的開始和結束。T2包含著核心命令字。T1～t7是T的整數倍。由于實驗測得鉆井液脈沖下降沿時間至少2秒，考慮到下降沿的產生以及下降沿的檢測誤差，取T值為5秒。T1～t7中，除了t4可變外，其他都是固定的。在壓力下降后，必須有足夠長的時間用來恢復壓力至初始值，以便下次產生有效的下降沿，因此b取為2。為了能區別開幀頭和幀尾，t6取為3T。t1、t3、t5、t7取2T。d可取2～11的整數，表示10種不同的命令（表1）。

表1 T2與指令編號的對應關系

3 系統設計及實現

指令下傳系統主要包括下傳壓力指令的產生和井下壓力指令的接收兩大部分。下傳壓力指令的產生部分是通過地面計算機軟件控制，在鉆桿里產生鉆井液脈沖指令。井下壓力指令的接收部分完成的是對井下鉆井液壓力變化的接收，并從中解析出地面下傳的指令。

3.1 下傳壓力指令的產生

下傳壓力指令產生的基本工作原理是在泥漿泵和立管之間的地面管線上引出一條開閉可控的分支管線，通過對分支管線的開閉控制，從而在立管和鉆桿中產生鉆井液負脈沖——下傳壓力指令。開閉可控支路是通過對支路上脈沖閥的控制實現的，其控制流程為：先在計算機中的指令下傳控制軟件設置好下傳指令的參數并傳遞給脈沖控制器，然后由脈沖控制器產生控制脈沖閥開閉的脈沖序列，從而產生下傳指令。開發的壓力指令下傳控制軟件包括控制軟件的主界面和壓力指令編輯模塊、指令下載模塊。在壓力指令編輯模塊中可設置需要下傳的指令及指令序列；在指令下載模塊中可選擇以編輯好的指令序列并將其下載到脈沖控制器，產生下傳指令序列。此外，壓力指令下傳控制軟件中還包括了作業信息錄入模塊、壓力實時監控模塊和壓力數據處理模塊，分別可完成對一系列鉆井作業參數的記錄、地面實時壓力的監控和井下存儲的壓力數據的回放及處理等。

3.2 井下壓力指令的接收

井下壓力指令接收裝置硬件結構如圖2所示，包括壓力傳感器、信號調理電路、模數轉換電路、控制和處理單元、時鐘單元、復位單元、存儲單元、通信單元。

圖2 井下壓力指令接收裝置硬件結構

井下壓力指令接收裝置的工作原理是：壓力傳感器接收來自鉆桿中鉆井液的壓力信號并將壓力信號轉換成電壓信號，電壓信號經由信號調理電路放大濾波后傳送到高精度A/D轉換電路的模擬信號輸入端。A/D轉換電路在控制和處理單元的控制下將模擬的電壓信號轉換為量化的數字信號并回傳控制和處理單元。控制和處理單元使用的是單片機，它將對采樣所得壓力信號進行處理：①將原始壓力值存入存儲單元；②對壓力值進行一系列處理后，從中解析出地面下傳的指令，并將解析結果通過通信單元傳遞給導向控制器。時鐘單元的作用是為控制和處理單元提供時間基準以便將采集到的壓力值及解析出的指令與時間對應。復位單元是為了防止控制和處理單元出現工作異常，提高系統的可靠性。

4 結論

（1）導向鉆井下行信息傳輸以鉆井液脈沖傳輸方式為最優選擇，提出了利用壓力脈沖下降沿和相鄰下降沿時間差的下傳指令編碼方式。

（2）研制了壓力指令下傳控制軟件，可對鉆井作業信息、下傳壓力指令產生、實時壓力監測等進行記錄或控制。

（3）研制了井下壓力指令接收裝置，可存儲、解析地面下傳的壓力脈沖指令。