磁耦合有纜鉆桿關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

胡永建 黃衍福 李顯義

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院北京石油機(jī)械有限公司

0 引言

磁耦合有纜鉆桿應(yīng)用磁耦合原理完成有纜鉆桿間的無線通信，在不改變接單根等常規(guī)鉆井工藝的條件下實(shí)現(xiàn)了地面、井下數(shù)據(jù)的雙向、高速、全天候傳輸。

作為磁耦合有纜鉆桿的典范，美國(guó)國(guó)民油井華高(NOV)旗下IntelliServ 公司的智能鉆桿(IntelliPipe)是全球第一個(gè)商業(yè)化應(yīng)用的磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)，被稱為21世紀(jì)最具革命性的鉆井工藝［1-2］。NOV的eVolve鉆井參數(shù)優(yōu)化服務(wù)的目的是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能鉆井，包括實(shí)現(xiàn)全井筒數(shù)據(jù)采集的BlackStream 沿鉆柱測(cè)量工具和實(shí)時(shí)決策分析的SoftSpeed 專家系統(tǒng)等，所有數(shù)據(jù)通過基于智能鉆桿的寬帶網(wǎng)絡(luò)(Broadband Network)傳輸，通訊速率高達(dá)57 kb/s［3-6］。中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院遴選了2018 年值得關(guān)注的10大國(guó)外工程技術(shù)進(jìn)展：鉆井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)特指NOV 的eVolve 鉆井參數(shù)優(yōu)化服務(wù)；在隨鉆前探技術(shù)和智能鉆機(jī)技術(shù)中，具有高速、雙向特性的磁耦合有纜鉆桿也將發(fā)揮重要作用［7］。

作為“十三五”深井超深井鉆完井技術(shù)發(fā)展目標(biāo)之一［8］，中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院自主研制了?127 mm 全系統(tǒng)、全功能磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)，稱為信息鉆桿(InforPipe)，通訊速率為100 kb/s，其中繼器同時(shí)具備鉆壓、扭矩、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、黏滑、環(huán)空壓力、環(huán)空溫度等多種分布式參數(shù)測(cè)量功能，可獲得全井筒的工程參數(shù)，該系統(tǒng)已成功完成多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步具備了商業(yè)化應(yīng)用條件。

1 工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

與鉆井液脈沖、電磁波、聲波等井下數(shù)據(jù)傳輸方法不同，有纜鉆桿技術(shù)使用光纖、雙絞線、同軸電纜等完成數(shù)據(jù)傳輸，自建的通訊線路不受地層、鉆井液、鉆具等的影響，具有全天候工作的能力，更容易實(shí)現(xiàn)高速、高可靠性的通訊。其中光纖方式在連續(xù)油管作業(yè)中更方便部署［9］。

俄羅斯電動(dòng)鉆具使用有纜鉆桿在傳輸電能的同時(shí)傳輸井下信息，有纜鉆桿之間通過雙接觸導(dǎo)電裝置有線連接［10］；挪威國(guó)家石油公司的ReelWell 鉆井法使用雙壁鉆桿實(shí)現(xiàn)了鉆井液的閉環(huán)循環(huán)，其雙壁結(jié)構(gòu)相當(dāng)于同軸電纜，雙向通訊速率64 kb/s［11-12］；國(guó)內(nèi)也有企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)研制有纜鉆桿［13］，但未見商業(yè)化應(yīng)用報(bào)道。這些有纜鉆桿的鉆桿間連接均使用有線方式。

磁耦合有纜鉆桿使用同軸電纜傳輸高頻信號(hào)，其鉆桿間連接為磁耦合無線方式。如圖1所示，水眼內(nèi)同軸電纜是主要傳輸信道，使用雙絞線等線纜也可以傳遞信號(hào)，但通訊速率較低、通訊距離較近［14-15］，與之相比，本文所說的裝備同軸電纜的有纜鉆桿可稱之為高頻有纜鉆桿。每根高頻磁耦合有纜鉆桿的兩頭都裝配有磁耦合線圈，鉆桿間的信道連接是磁耦合無線感應(yīng)通訊方式。

圖1通訊信道示意圖Fig.1 Sketch of communication channel

圖2為鉆桿接頭之間磁耦合無線通訊示意圖。在有纜鉆桿的公接頭與母接頭處各放置了一個(gè)磁耦合線圈(單匝或多匝)，高頻信號(hào)通過線圈之間的磁耦合實(shí)現(xiàn)無線通訊。磁耦合線圈放置在鐵氧體材料中，具有高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率特性的鐵氧體材料一方面形成磁場(chǎng)回路，另一方面可避免在金屬中產(chǎn)生渦流帶來能量損耗。

圖2磁耦合通訊示意圖Fig.2 Sketch of magnetic-coupling communication

由于不存在電氣接頭插拔等操作，這種磁耦合無線連接方式不會(huì)影響接單根等常規(guī)鉆井工藝，具有更廣的應(yīng)用范圍。為了延長(zhǎng)磁耦合有纜鉆桿的通訊距離，對(duì)其信道建模并進(jìn)行電路仿真［16］、線性仿真［17］、線性與電磁結(jié)構(gòu)混合仿真［18］，確定影響衰減的主要原因并歸納調(diào)諧方法。在經(jīng)過仔細(xì)調(diào)諧之后，單根有纜鉆桿的衰減可降至2 dB以內(nèi)，高頻信號(hào)在無需中繼的情況下，可以在無源有纜鉆柱中傳輸一定距離(無中繼傳輸距離)，目前信息鉆桿的無中繼傳輸距離超過300 m，能有效減少中繼器的使用數(shù)量。由于通信信道是有纜鉆具和中繼器的串聯(lián)連接，減少中繼器數(shù)量不僅可以提高可靠性，也可以降低生產(chǎn)、運(yùn)行及維護(hù)成本。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)可用于轉(zhuǎn)盤鉆或頂驅(qū)鉆機(jī)。以信息鉆桿為例，適合轉(zhuǎn)盤鉆的磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3信息鉆桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of information drill pipe system

磁耦合有纜鉆桿是井下數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)的物理層，每隔若干根有纜鉆桿就需要一個(gè)中繼器接力放大信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)井下與地面的網(wǎng)絡(luò)通訊，需要配套各類有纜鉆具和其他功能組件及設(shè)備。以信息鉆桿為例，磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)包含表1 所示的主要功能部件。

表 1信息鉆桿主要功能部件Table 1 Main functional components of information drill pipe

所有井下測(cè)量數(shù)據(jù)，包含使用虛擬串口技術(shù)得到的第三方測(cè)量工具(如各類成像測(cè)量、隨鉆核磁共振及隨鉆地震前探(VSP)等)的數(shù)據(jù)、井下單元測(cè)量的動(dòng)態(tài)定向參數(shù)(在鉆柱旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)時(shí)精確測(cè)量的井斜、方位及工具面等定向參數(shù))及各個(gè)中繼器測(cè)量的分布參數(shù)，均通過有纜鉆具與中繼器調(diào)制解調(diào)器形成的井下令牌環(huán)網(wǎng)傳輸，這些數(shù)據(jù)在地面與數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站、司鉆顯示器等共同接入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)可以同時(shí)發(fā)送給外部的WITSML 服務(wù)器供第三方使用；地面控制信息也可以通過地面以太網(wǎng)和井下令牌環(huán)網(wǎng)發(fā)送到井下，實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如擴(kuò)徑器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

在建立未來無人值守的自動(dòng)化智慧交通管理系統(tǒng)中,車牌識(shí)別將會(huì)越加重要。車牌識(shí)別技術(shù)需要能夠自主檢測(cè)處于監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的車輛并追蹤捕獲其牌照內(nèi)容進(jìn)行后續(xù)處理。所以車牌識(shí)別首先需要以攝像機(jī)所拍攝的包含車輛元素的視頻幀序列為對(duì)象進(jìn)行車牌定位分析,然后進(jìn)一步進(jìn)行車牌字符識(shí)別。本文基于實(shí)時(shí)化目標(biāo)檢測(cè)算法Yolov2[8]訓(xùn)練車牌定位模型,并將其檢測(cè)定位的車牌區(qū)域切割作為車牌字符處理系統(tǒng)的激勵(lì)。

與NOV 的智能鉆桿相比［20］，中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院的信息鉆桿具有明顯的后發(fā)優(yōu)勢(shì)：NOV 的DataSwivel 數(shù)據(jù)水龍頭只有有線通訊方式，信息鉆桿的無線短節(jié)還具備標(biāo)準(zhǔn)無線局域網(wǎng)通訊方式，安裝更簡(jiǎn)便；由于使用了第三方廠家的分布參數(shù)測(cè)量工具，NOV 的中繼器DataLink 需要增加一個(gè)接口短節(jié)與BlackStream 沿鉆柱測(cè)量工具相連，而信息鉆桿的中繼器同時(shí)包含這兩種功能，在降低成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性；與NOV 的NetPulse測(cè)試工具相比，信息鉆桿便攜測(cè)試儀內(nèi)置虛擬網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以定量測(cè)量有纜鉆具的高頻衰減特性等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高速調(diào)制解調(diào)器

高速調(diào)制解調(diào)器主要完成高頻信號(hào)的接收、放大、解調(diào)、調(diào)制、發(fā)射等功能。可以選擇多種信號(hào)調(diào)制方法，信息鉆桿選用了頻移鍵控(FSK)調(diào)制方式，該方式具有較好的抗干擾及抗衰減能力。圖4給出了高速調(diào)制解調(diào)器的功能框圖。

圖4高速調(diào)制解調(diào)器Fig.4 High-speed modem

磁耦合線圈接收到的高頻信號(hào)經(jīng)由微控制器控制的單刀雙擲(SPDT)電子開關(guān)進(jìn)入接收模擬前端，經(jīng)帶通濾波、低噪聲信號(hào)放大后由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化，F(xiàn)PGA 進(jìn)行濾波、解調(diào)等數(shù)字信號(hào)處理(DSP)，解調(diào)出的數(shù)字序列通過接口發(fā)送給微控制器；同樣作為軟件無線電的發(fā)射部分，F(xiàn)PGA 調(diào)制要發(fā)送的數(shù)字序列，經(jīng)高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過射頻功率放大器輸出到同一個(gè)磁耦合線圈發(fā)送出去。圖4只繪出了一路磁耦合線圈處理電路，一個(gè)高速調(diào)制解調(diào)器有上下兩路磁耦合線圈處理電路，既可以用于單路的井下單元也可以用于兩路的中繼器。使用FPGA 實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理具有緊湊、低功耗、低成本及算法靈活的優(yōu)勢(shì)［21］。

高速調(diào)制解調(diào)器有通訊速率與無中繼傳輸距離2個(gè)重要指標(biāo)。信息鉆桿的高速調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)了在100 kb/s通訊速率下高于300 m 的無中繼傳輸距離，并且依然有提升空間。

2.2 井下令牌環(huán)網(wǎng)

令牌環(huán)網(wǎng)是IBM 于上世紀(jì)70年代發(fā)展的一種局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，后來被電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)確定為802.5標(biāo)準(zhǔn)。在令牌環(huán)網(wǎng)中，所有工作站在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上連接為一個(gè)環(huán)，每個(gè)工作站只能同相鄰的工作站傳輸數(shù)據(jù)，通過圍繞環(huán)的令牌信息授予工作站傳輸權(quán)限［22］。雖然由于令牌環(huán)網(wǎng)自身局限性，當(dāng)今組網(wǎng)已很少使用此項(xiàng)技術(shù)，但其獨(dú)特性能特別適合磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)的井下數(shù)據(jù)高效組網(wǎng)傳輸。

在磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)中，所有中繼器、井下單元及數(shù)據(jù)服務(wù)器都是井下令牌環(huán)網(wǎng)上的工作站，可以稱之為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。從物理結(jié)構(gòu)來看，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過高速調(diào)制解調(diào)器聯(lián)結(jié)成鏈狀結(jié)構(gòu)，如果從數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)起通訊，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包下行依次經(jīng)過中繼器#1、#2、…、#N到達(dá)井下單元，井下單元再將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)回，經(jīng)過中繼器#N、…、#2、#1上行回到數(shù)據(jù)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬梢粋€(gè)環(huán)路通訊，通過令牌傳遞實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。顯然，在這個(gè)過程中，每個(gè)中繼器要處理2次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

圖5令牌環(huán)網(wǎng)物理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Physical and topological structures of token ring

信息鉆桿使用了簡(jiǎn)化的令牌環(huán)網(wǎng)協(xié)議，可以高效實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，該簡(jiǎn)化措施可提高有效傳輸速率并有利于節(jié)電。井下數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)服務(wù)器后就可以通過地面的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與工作站、司鉆顯示器等完成數(shù)據(jù)交流。地面標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)支持IEEE802.11無線通訊。

2.3 虛擬串口技術(shù)

作為井下信息的“高速公路”，磁耦合有纜鉆桿為各類第三方井下測(cè)量工具提供了一套高速數(shù)據(jù)傳輸信道，可將其井下數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫谌骄聹y(cè)量工具需要和磁耦合有纜鉆桿的系統(tǒng)接口相連完成數(shù)據(jù)連接。

一般來說，第三方測(cè)量工具的生產(chǎn)廠家大都已經(jīng)有一套完整的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理。以核磁共振測(cè)量為例，井下測(cè)量工具獲取數(shù)據(jù)，通過測(cè)井電纜或鉆井液脈沖(隨鉆)傳送到地面，由地面系統(tǒng)完成信號(hào)反演等工作［23］，即地面系統(tǒng)與井下測(cè)量工具的通訊信道可能已經(jīng)建成，或者有直連線路用于試驗(yàn)通訊。為了盡量不影響原有的第三方井下測(cè)量工具及地面系統(tǒng)，加快第三方工具與信息鉆桿的集成，虛擬串口技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

虛擬串口技術(shù)將井下令牌環(huán)網(wǎng)的復(fù)雜多層協(xié)議打包起來，以最常用的串口通訊技術(shù)公開給第三方廠家，以方便系統(tǒng)集成。

信息鉆桿井下單元內(nèi)部的測(cè)控模塊有UART、RS232、RS485、SPI、I2C、CAN 及單信號(hào)總線等多種接口用于同第三方測(cè)量工具的接口相連。數(shù)據(jù)服務(wù)器將井下令牌環(huán)網(wǎng)的多層協(xié)議打包，通過虛擬串口轉(zhuǎn)換器與第三方地面系統(tǒng)相連，在第三方地面系統(tǒng)看來，整個(gè)井下令牌環(huán)網(wǎng)被“虛擬”成簡(jiǎn)單直連的串口通訊，無需任何改變就可以沿用原來的通訊協(xié)議與自己的井下測(cè)量工具通訊。

如圖3所示，虛擬串口轉(zhuǎn)換器一方面通過以太網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)相連，一方面通過物理RS232串口與第三方廠家的地面系統(tǒng)相連，不同第三方測(cè)量工具的地面系統(tǒng)可以直接通過串口與其各自的井下測(cè)量工具通訊，控制或獲取數(shù)據(jù)。為了方便集成，信息鉆桿系統(tǒng)同時(shí)提供了虛擬串口仿真器來仿真令牌環(huán)網(wǎng)。

2.4 分布參數(shù)測(cè)量

磁耦合有纜鉆桿強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力令全井筒參數(shù)測(cè)量成為可能，分布在全井筒的每一個(gè)中繼器都配備有一個(gè)測(cè)控模塊，可以完成多種分布參數(shù)的測(cè)量。

NOV 的BlackStream 沿鉆柱測(cè)量工具可以測(cè)量環(huán)空溫度、環(huán)空壓力等多種分布參數(shù)，獲得全井筒的全面信息。

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院的信息鉆桿中繼器內(nèi)置的測(cè)控模塊可以完成環(huán)空溫度、環(huán)空壓力［24］、扭矩、拉力、振動(dòng)［25］等多種分布式參數(shù)測(cè)量功能［26］，各項(xiàng)參數(shù)的功能指標(biāo)如表2所示。根據(jù)拉力可以進(jìn)一步計(jì)算鉆壓，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速變化得到黏滑參數(shù)。

由于需要沿鉆柱實(shí)現(xiàn)全井筒的分布參數(shù)測(cè)量，每隔一定距離的每個(gè)中繼器都具有分布參數(shù)測(cè)量功能。由于測(cè)點(diǎn)數(shù)量眾多，即使是常規(guī)測(cè)量技術(shù)，分布參數(shù)測(cè)量模塊的價(jià)格敏感程度也較高。信息鉆桿使用國(guó)產(chǎn)石英晶體壓力傳感器配合自主研制的基于多周期同步測(cè)頻技術(shù)的雙通道高精度頻率計(jì)［27］，可以替代昂貴的進(jìn)口同類數(shù)字壓力計(jì)，成本僅有進(jìn)口產(chǎn)品的五分之一。

表2信息鉆桿測(cè)控模塊功能指標(biāo)Table 2 Functional indicator of measurement and control module of information drill pipe

全井筒參數(shù)數(shù)據(jù)的高效顯示是個(gè)難點(diǎn)，信息鉆桿首次研發(fā)了3D熱力圖來顯示全井筒分布參數(shù)數(shù)據(jù)，該顯示模塊是信息鉆桿數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件的一部分。以圖6環(huán)空壓力為例，通過其3D熱力圖可以直觀發(fā)現(xiàn)井下的壓力異常井段，用于判斷井涌或井漏，并隨時(shí)顯示局部點(diǎn)的精確數(shù)據(jù)。

圖6環(huán)空壓力3D熱力圖Fig.6 3D thermodynamic diagram of annulus pressure

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域

基于磁耦合原理的磁耦合有纜鉆桿在不改變接單根等常規(guī)鉆井工藝的條件下實(shí)現(xiàn)了地面、井下數(shù)據(jù)的雙向、高速、全天候傳輸。其高速通訊能力可以將井下測(cè)量工具采集的大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地面，可以在第一時(shí)間得到未受鉆井液長(zhǎng)時(shí)間浸泡的 “新鮮”地層的真實(shí)數(shù)據(jù)，有利于得到準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，有利于實(shí)現(xiàn)隨鉆實(shí)時(shí)測(cè)井，有利于輔助實(shí)時(shí)鉆井決策；在配備了分布參數(shù)測(cè)量功能后可以實(shí)時(shí)得到全井筒的各項(xiàng)參數(shù)信息，在鉆井參數(shù)優(yōu)化、控壓鉆井、保證井控安全等方面有重要意義；自建的通訊線路不受地層、鉆井液等外部因素的影響，適用于氣體鉆、泡沫鉆等非常規(guī)鉆井工藝；雙向通訊能力可用于控制井下擴(kuò)徑器、閥門、取心裝置、人工中子源等的開啟與關(guān)閉。

NOV 智能鉆桿的最初研制動(dòng)機(jī)就是想要將井下地震波數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地面，這是因?yàn)殡S鉆地震波數(shù)據(jù)容量巨大，并且井下不具備實(shí)時(shí)反演的計(jì)算能力。經(jīng)過多年發(fā)展，NOV 的智能鉆桿已經(jīng)在鉆井多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有了長(zhǎng)足進(jìn)步，作為eVolve鉆井參數(shù)優(yōu)化服務(wù)的核心組件，基于智能鉆桿的BlackStream沿鉆柱測(cè)量工具已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如：窄壓力窗口的控壓鉆井［28］、封隔器在預(yù)定位置坐封［29］、提供精確的地層試驗(yàn)數(shù)據(jù)［30］、高效堵漏［31］、監(jiān)測(cè)井壁穩(wěn)定性［32］、確認(rèn)有效的流體屏障［33］；提供井筒完整性數(shù)據(jù)［34］；實(shí)時(shí)決策分析的SoftSpeed專家系統(tǒng)可以根據(jù)鉆具的振動(dòng)情況來調(diào)整鉆壓等參數(shù)，在提高機(jī)械鉆速的同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭等鉆具的壽命，減少起鉆次數(shù)［35］。

3.2 智能(自動(dòng)化)鉆井

鉆井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)可使鉆進(jìn)過程保持在最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)下［36］,自動(dòng)化鉆井的地面與井下的雙向高速可靠通信技術(shù)仍然存在技術(shù)瓶頸［37］，高頻磁耦合有纜鉆桿的高速數(shù)據(jù)傳輸能力使作業(yè)者實(shí)時(shí)獲得井下信息，將是未來井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕较蛑唬?8］，可用于鉆井參數(shù)優(yōu)化及自動(dòng)化鉆井等領(lǐng)域。智能(自動(dòng)化)鉆井通過建立適當(dāng)?shù)你@井模型來優(yōu)化鉆井過程，具有信息化、智能化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，能夠降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)、提高鉆進(jìn)效率、降低生產(chǎn)成本，是未來石油鉆井的發(fā)展趨勢(shì)。

智能(自動(dòng)化)鉆井技術(shù)需要采集大量的井下地質(zhì)、工程等參數(shù)并實(shí)時(shí)傳送到地面，由專家系統(tǒng)等軟件完成數(shù)據(jù)處理、分析與判斷，產(chǎn)生的決策指令從地面返回井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)，形成雙向雙工閉環(huán)系統(tǒng)控制。傳統(tǒng)隨鉆通訊方式很難滿足智能(自動(dòng)化)鉆井所需的高速、雙向且穩(wěn)定可靠的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸：鉆井液脈沖發(fā)生器通過壓力波單向傳輸數(shù)據(jù)，速率不超過每秒幾十比特；電磁波(EM)通訊速率低，其傳輸距離受地層電阻率等性質(zhì)的影響大。同樣作為無線通訊技術(shù)，國(guó)內(nèi)正處于試驗(yàn)階段的聲波通訊的可靠性也受環(huán)境條件影響。

采用有線通訊技術(shù)的磁耦合有纜鉆桿不受鉆井液、地層等環(huán)境條件影響，不僅能滿足智能(自動(dòng)化)鉆井高速、雙向的通訊需求，更可以進(jìn)行組網(wǎng)通訊。NOV 的eVolve鉆井參數(shù)優(yōu)化服務(wù)僅僅是智能(自動(dòng)化)鉆井的初步嘗試，憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，磁耦合有纜鉆桿日后可能獲得長(zhǎng)足發(fā)展。

3.3 不足之處

油氣市場(chǎng)在經(jīng)歷了幾年低迷后，鉆井業(yè)對(duì)于成本控制有了更迫切的需求。與采用其他技術(shù)的有纜鉆桿相比，磁耦合有纜鉆桿不改變常規(guī)鉆井工藝，自身也可以作為常規(guī)鉆桿使用，具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。雖然有更高的性價(jià)比，與常規(guī)鉆井工藝相比，磁耦合有纜鉆桿依然有更高的應(yīng)用成本，這可能是妨礙其未來廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。

NOV 認(rèn)為使用有纜鉆桿可以縮短鉆井時(shí)間、節(jié)省鉆井費(fèi)用［39-40］。通過提高井下網(wǎng)絡(luò)的通訊可靠性來減少維修、維護(hù)成本［41］。中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院的信息鉆桿在減少應(yīng)用成本方面也有如下對(duì)策。

(1)減少研發(fā)成本：采用新技術(shù)、新方法、新器件，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，縮短研制及實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

(2)減少生產(chǎn)成本：前文以石英晶體壓力傳感器為例，可利用新工藝、新技術(shù)降低硬件成本；通過改進(jìn)裝配及檢驗(yàn)工藝降低生產(chǎn)難度，縮短生產(chǎn)時(shí)間；通過使用標(biāo)準(zhǔn)件來減少器件庫(kù)存?zhèn)湄浀取?/p>

(3)減少運(yùn)行成本：通過提高通訊速率、增大無中繼傳輸距離來減少中繼器的使用，以減少高溫鋰電池的消耗等。

(4)減少維護(hù)成本：通過提高系統(tǒng)可靠性來減少維修成本，通過增強(qiáng)系統(tǒng)易用性來減少培訓(xùn)成本等。

4 結(jié)論

(1)有纜鉆桿技術(shù)使用線纜完成數(shù)據(jù)傳輸，不受地層、鉆井液、鉆具等影響，具有全天候工作的能力，更容易實(shí)現(xiàn)高速、高可靠性的通訊。磁耦合有纜鉆桿使用同軸電纜傳輸高頻信號(hào)，鉆桿間連接為磁耦合無線感應(yīng)，兼容常規(guī)的鉆井工藝，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

(2)磁耦合有纜鉆桿分為地面及井下兩部分：地面系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站、司鉆顯示器及無線短節(jié)等功能部件，井下系統(tǒng)由中繼器、井下單元以及各類有纜鉆具組成。由于是自建信道，扶正器等鉆具均需要專用的有纜鉆具。

(3)磁耦合有纜鉆桿的專用技術(shù)包含高速調(diào)制解調(diào)器、井下令牌環(huán)網(wǎng)、分布式參數(shù)測(cè)量及虛擬串口等，其中虛擬串口技術(shù)封裝了復(fù)雜的令牌環(huán)網(wǎng)通訊協(xié)議，更方便第三方測(cè)量工具廠家利用磁耦合有纜鉆桿的高速優(yōu)勢(shì)。

(4)通過磁耦合有纜鉆桿，井下隨鉆數(shù)據(jù)可以高速實(shí)時(shí)上傳，有利于輔助實(shí)時(shí)鉆井決策，在配備分布參數(shù)測(cè)量功能后可以實(shí)時(shí)得到全井筒的各項(xiàng)參數(shù)信息，在鉆井參數(shù)優(yōu)化、控壓鉆井、保證井控安全等方面有重要意義，也是智能(自動(dòng)化)鉆井的井下通訊基礎(chǔ)。