旋轉導向系統現狀及關鍵技術分析

宋紅喜, 曾義金, 張 衛, 米金泰, 黃中偉

(1.中國石化石油工程技術研究院, 北京 100101; 2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室, 北京 100101; 3.中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249)

1 旋轉導向系統

旋轉導向技術作為一種新型的鉆井技術,越來越受到學者們的關注,這是邁向智能化和自動化鉆井的重要標志,特別是適宜于惡劣環境下的一種高端技術。以井下閉環旋轉導向鉆井系統為核心的三維井眼軌跡控制鉆井技術,是當今石油鉆井工程領域的先進水平[1]。旋轉導向技術不僅具有鉆井速度快、事故率低和延展性好等優點,還降低了鉆井成本,旋轉導向技術代表著鉆井技術和鉆井工藝的發展方向,它擁有更長水平位移和延伸能力；清潔井眼和較少卡鉆的風險,無需起下鉆調整工具面,提高了鉆井的效率[2]。

鑒于外國的技術壟斷,只進行高價的技術服務,并不對外進行銷售和出口,因此展開旋轉導向系統研制,具有重大的實際需求和潛在價值,可以填補中國在旋轉導向技術方面的空白。實現產品產業化生產后,將直接改變中國目前此類設備大部分依賴進口的現狀,旋轉導向技術屬于關系著國家重大利益的“卡脖子”技術,防范中國實體企業在國際經貿活動中遭遇外國技術斷供、封鎖等重大風險[3-4]。

1.1 旋轉導向技術組合

旋轉導向技術型號眾多,功能復雜。圖1為旋轉導向技術組合,綠色方框標識的旋轉系統比較成熟,已應用在商業領域,屬于常規的旋轉導向系統；白色方框標識的技術組合屬于待開發領域。在眾多復雜的地質結構中,采用不同的旋轉導向型號組合,開發的旋轉導向類型越多,越能滿足各種類型的地質結構,這為鉆井打下了堅實的技術基礎[4-5]。如開發比較熱門且相對成熟的推靠式旋轉導向系統。

圖1 旋轉導向技術組合Fig.1 Rotary steering technology combination

旋轉導向系統趨勢在于:小尺寸外徑、混合式的導向方式、外部旋轉方式、連續波高速傳輸方式、擁有電阻率和近鉆頭隨鉆測井(logging while drilling,LWD)集成方式,高溫高壓的復雜環境,紅色部分技術的旋轉導向組合是未來旋轉導向發展技術趨勢[6]。

1.2 旋轉導向傳輸系統

以推靠式旋轉導向為例,旋轉導向系統結構組成包含地面監測系統、雙向通信系統、隨鉆測量與傳輸(measure while drilling,MWD)、導向與控制單元等。其中導向和控制單元是旋轉導向的核心部分,包含石油鉆井、控制、力學和機械多學科知識,它直接影響鉆頭的鉆進方向和姿態[7-9]。旋轉導向技術中靶率高,邊滑動邊旋轉、井眼軌跡控制能力強,井眼光滑、鉆柱的摩擦和扭矩大幅減少、鉆進能力強,跨學科集成度與科技含量高[10]。

旋轉導向傳輸系統主要是包含了井上部分和井下部分,井下模塊主要是由近鉆頭、導向控制和電機模塊形成自主單閉環傳輸控制[11]。井下部分參數通過單總線傳輸、非接觸模塊與MWD模塊、井上模塊進行信息交互和傳輸,形成了雙閉環系統,雙閉環技術使得旋轉導向系統魯棒性高,控制能力強,科技含量比較高,圖2為旋轉導向傳輸系統。

圖2 旋轉導向傳輸系統Fig.2 Rotary steering transmission system

2 旋轉導向典型技術成果

由于中外研制旋轉導向技術公司繁多,外國以斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓油服公司為主[12]。中國的研究機構有中海油田服務股份有限公司；中國石油集團川慶鉆探工程有限公司、中國石油集團渤海鉆探工程有限公司、中國石油西部鉆探工程有限公司、中國石油大慶鉆探工程公司、中國石油長城鉆探工程分公司等；中國石化石油工程技術研究院和中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院；中國科學院地質與地球物理研究所；中國航天科技集團第一研究院第十八研究所和中國航天科工集團第三研究院第三十三所等[13]。以技術成熟度和商業應用度進行評估,外國的斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓，以及中國中海油田服務股份有限公司研發較為先進,現主要介紹這4家中外旋轉導向最新的技術成果。

2.1 斯倫貝謝公司PowerDrive系統

斯倫貝謝公司推出最新的第三代PowerDrive Archer旋轉導向鉆井系統,該系統利用內置可調彎角和內部偏心環配合實現了全旋轉、高造斜率和系統穩定等特點,通過4個推靠塊推動導向扶正套內壁使得鉆頭發生軸向偏移,以萬向聯軸為支撐點,實現了360°自由指向和推靠,該系統造斜率可達15°/30 m,與特殊的螺桿鉆具組合可以實現最高可達18°/30 m,該系統集成了指向式和推靠式兩種方式,屬于混合式旋轉導向系統[14-15],圖3為PowerDrive Archer系統。

圖3 PowerDrive Archer系統Fig.3 PowerDrive Archer system

2.2 貝克休斯公司Auto Trak系統

貝克休斯Baker Hughes公司研發出的AutoTrak旋轉導向系統,最新型號AutoTrak G3.0和AutoTrak Curve[8]。該系統屬于推靠式旋轉導向系統,AutoTrak Curve是貝克休斯專門為陸地設計的高造斜率旋轉導向工具,造斜率15°/30 m[16]。AutoTrak G3是貝克休斯第三代旋轉導向工具,可以提供電阻率和環空壓力等多種測量服務,造斜率6°/30 m[17]。

推靠式旋轉導向技術梯度略小,中靶率高,可操作性高,研發風險小,成本較低,易于實現,推靠式旋轉導向相關的專利壁壘較小,逐步被眾多的科研機構研發旋轉導向系統的首款樣機[18-19]。圖4為AutoTrak系統。

圖4 AutoTrak系統Fig.4 AutoTrak system

2.3 哈里伯頓公司Geo-Pilot系統

1999年,哈里伯頓Sperry-Sun公司開發的Pilot系列旋轉導向系統。Pilot系統包括:①簡化且低成本功能的EZ-Pilot系統；②全功能的Geo-Pilot系統,主要用于復雜井,深水井以及大位移井旋轉導向系統,是一種不旋轉套式導向工具；③V-Pilot垂直鉆井系統；④Geo-Pilot Dirigo屬于高造斜旋轉導向系統。指向式Geo-Pilot系統如圖5所示。全功能的Geo-Pilot系統依靠一套偏心機構使萬軸偏置,產生導向作用,該機構由幾個可控制的偏心環組合而成,當井下自動控制完成偏心環組合之后,該機構始終將萬向軸固定方向偏置,為鉆頭提供一個方向固定的傾角[20-23]。

圖5 Geo-Pilot指向式系統Fig.5 Geo-Pilot directional system

2.4 中海油田服務股份有限公司Welleader系統

中海油田服務股份有限公司是中國技術先進的一家鉆探科研公司。鑒于中海油田服務股份有限公司起步早,深耕于旋轉導向系統多年,研發出推靠式旋轉導向系統Welleader[24-25],該系統經過在陸地和海上鉆井平臺多次試驗,取得良好的實驗效果,該系統處于國內領先地位,關鍵性元器件和核心技術國產化率較高。圖6為中海油田服務股份有限公司旋轉導向系統總體結構。該系統包含了MWD,中控短節,渦輪發電機,柔性短節,扶正器,旋轉部分、非旋轉部分。中控短節主要包含中控電路,完成了上傳和下傳命令控制及應答機制,以及井下指令傳輸和數據存儲。渦輪發電機利用泥漿循環動力,主要是完成對旋轉導向系統的井下發電,滿足井下用電負荷。

圖6 中海油田服務股份有限公司旋轉導向系統總體結構Fig.6 Overall structure of COSL’s rotary steering system

柔性短節和扶正器主要是完成旋轉導向柔性彎曲,滿足旋轉導向高造斜率。旋轉部分包含旋轉芯軸,芯軸電子倉、測試接口；主要完成電能傳輸和指令發送。非旋轉部分主要包含主控電子艙、三塊推靠翼肋和三塊液壓單元,旋轉部分和非旋轉部分一起構成旋轉導向核心部分[26]。旋轉導向鉆井技術經過近20年的飛速發展,無論在地面控制、信號傳輸、信號測量、井下控制還是旋轉導向工具方面都取得了顯著成就。然而,隨著深井、超深井、特殊工藝井、高溫高壓井的數量和比例逐漸增多,旋轉導向系統須在技術上不斷改進突破,以適應日益復雜的鉆井環境[27]。

3 旋轉導向關鍵技術

鑒于中外對旋轉導向的技術研究,并開展了旋轉導向工具研制,一些關鍵技術方面還是存在著一定的問題,現場試驗效果與外國技術相比還存在較大的差距,尚未完全達到工業化應用的水平。存在問題主要有:工具造斜率低、翼肋推力失效或者被卡住、MWD上傳和下傳的信號失常,無法實現閉環控制,非接觸電能傳輸能量比較低,許多關鍵元器件不耐高溫等[28-29]。其中,旋轉導向工具耐溫低是困擾全面推廣使用旋轉導向工具的重要因素之一,電路工作和器件常常失效也是降低旋轉導向系統使用壽命和周期的重要因素[30]。使用旋轉導向工具的根本目的是實現對井眼軌跡的高效控制,如果無法控制滿足造斜率要求,那么旋轉導向的功效也就不能發揮出來[31]。

在完成項目建設之后投入到實際運營當中，所產生的養護費用，維修費用以及拆除費用都會影響項目成本。若僅僅降低施工成本，將會影響工程建設質量。同時也會提升后期維護費用，增加項目成本。因此，工程項目在控制成本期間需要確保施工成本和運營成本的最低值。

依據旋轉導向系統劃分和設計指標,以比較成熟的推靠式旋轉導向系統為例,列舉了推靠式旋轉導向電路方面的知識框架,圖7為推靠式旋轉導向電路整體框圖,給出了需要克服的典型難點和關鍵技術點。

圖7 推靠式旋轉導向電路框圖Fig.7 Block diagram of push type rotary steering circuit

3.1 地面主機

主要包含地面主機,地面可操控的軟件和下傳裝置等三大塊。旋轉導向上位機主要完成以下功能模塊:通訊和參數設置,儀器串測試,脈沖解碼,數據下載,出廠設置,下傳測試,井深測量,泵沖測試,解碼結果,合力計算,伽馬數據,日志,網絡數據,查看結果,手動下傳,工作記錄,總線檢測,軌跡計算,司顯等模塊[32-33]。同時融合多種傳感器群,完成人機信息交互界面。

3.2 姿態測量

完成旋轉導向工具姿態測量技術,這些模塊包含探管采集傳輸電路、二次電源電路、姿態解算算法等。此短節主要是讀取探管里面的標定參數,用于固件,排除故障,同時完成對井下參數,如井斜、方位等關鍵數據進行采集與傳輸[34-38]。

3.3 脈沖器發電機的控制

脈沖器發電機短節包含脈沖器和發電機兩大部分,脈沖器驅動發電機發出的電能,經過整流、濾波和逆變,到達中控短節,為整個井下控制提供源源不斷電能,避免使用傳統的鋰電池耗盡后,必須起鉆的狀況[39]。

實現脈沖信號上傳和下傳過程,這是旋轉導向又一大關鍵技術和難題,特別MWD脈沖信號的傳輸機制和上傳特性。實現這些旋轉導向技術和MWD信號等通訊暢通,是地面控制旋轉導向系統重要的參考依據[40-42]。

3.4 中控電路

中控短節包含了電源整流電路、電源變換電路、中控電路、單總線電路等模塊,中控電路包含上傳控制電路和下傳解碼電路等,它是整個旋轉導向系統大腦,控制整個系統的信息處理,同時將信息交付給地面主機。旋轉導向系統下井前地面測試:此時地面主機掌控著總線權利,地面主機發出命令給中控電路,配置串口通信、波特率等各種參數,避免總線沖突和錯誤,此次下載參數,數據量大,防止干擾[43-44]。旋轉導向系統下井開始后:地面主機把總線的控制權讓給了中控電路,中控電路開始發出命令,自主操控整個旋轉導向系統。

3.5 導向控制電路

導向控制電路包含了旋轉部分和非旋轉部分,旋轉部分包含了初級發射電路、單總線電路和電壓變換電路。非旋轉部分包含次級發射電路、單總線電路、電壓變換電路、導向主控電路、液壓驅動電路和近鉆頭測量電路。旋轉部分初級發射電路和非旋轉部分次級發射電路利用非接觸傳輸技術實現了電能和信號傳輸和交互[45-46]。

電壓變換主要實現交流42VAC(voltage alternating current)變換為直流+42VDC(voltage direct current),直流+42VDC變換為直流±12VDC和直流+5VDC,直流±12VDC只要為信號模擬采集電路提供穩定的電壓。直流+5VDC主要是為主控電路提供穩定的電源。導向控制單元執行來自中控電路,或者地面主機傳輸來的指令,或者上傳近鉆頭控制電路采集過來的信號與參數。圖8為導向控制單元供電系統。

圖8 導向控制單元供電系統Fig.8 Power supply system of steering control unit

3.6 非接觸傳輸電能技術

在旋轉導向的旋轉和非旋轉部分,傳統的旋轉導向系統使用接觸式滑環能量傳輸方式,由于接觸式滑環存在安裝不方便、旋轉時易磨損、易受到井下鉆井液、水的腐蝕以及泥漿的影響等缺陷[47]。由于非接觸之間存在間隙,間隙中間有可能存在著流動泥漿,造成非接觸之間介質的不斷變化,電能耦合器的參數設置不夠優化,導致單總線電路非接觸式電能傳輸效率低。大量的無功功率使得非接觸式磁路產生很大的能耗且發熱情況比較嚴重,器件容易損壞,載波信號傳輸容易受到干擾,優化非接觸電能參數,提升電能傳輸效率和提高載波信號傳輸的信噪比[48-49]。

此時迫切需要一種新的非接觸式能量傳輸方式,即為松耦合電能傳輸技術,特別適合于井下非接觸電能數據傳輸[50-51]。松耦合變壓器作為松耦合電能傳輸技術的核心部分,成為本系統開發需要克服關鍵問題和技術。松耦合變壓器實現旋轉部分和非旋轉部分之間的能量和數據同步傳輸,電能傳輸效率和信號傳輸的誤碼率是實現旋轉導向精確制導的關鍵因素。使用有限元仿真ANSYS軟件對磁體進行有限元仿真分析,優化電場、磁場和熱場分布,減少磁體在能量傳輸過程中所產生的熱量,進一步實現非接觸電能傳輸效率的提升,為導向控制單元提供更強勁的推靠力,保障更高的造斜率實現,圖9為電能發射與接收模型,圖10為松耦合非接觸傳輸框圖。

圖9 電能發射與接收模型Fig.9 Power transmission and reception model

圖10 松耦合非接觸傳輸圖Fig.10 Loosely coupled contactless transmission diagram

非接觸式感應電能傳輸方法實現旋轉主軸與非旋轉套之間電力和數據同步傳輸,保證能量傳輸效率以及降低信號誤碼率,提高電源輸出的穩定性,諧振頻率的參數自適應調整便于提高非接觸電能的傳輸效率[52],接收信號進行軟硬件濾波處理便于提高非接觸信號傳輸的成功率和可靠性,以及提高非接觸單元對井下高溫、振動環境的適應性。

3.7 單總線電路

單總線電路主要擔負著井下電路數據傳輸與通信,起到井下和井上指令的上傳與下達功能。由于單總線電路既能傳輸電能又能傳輸信號,節省了大量寶貴的鉆鋌空間,采用設備外殼作為公共地,設備間只有一根連接線纜,大大降低了結構上實現的難度,而相比于無線傳輸方式,又具有設計簡單,傳輸穩定、可靠的優點[53]。通過通信載波技術將信號疊加在電源線上實現各子系統間的通訊,采用多級濾波技術濾除電源上的噪聲,使用功率切換技術避免發送電路與接收信號的衰減,實現多節點掛接,單總線主要是完成數據的請求、發送、接收等傳輸功能,在非接觸信號傳輸中起到“橋梁”作用。

單總線電路板主控芯片,芯片發出的方波信號,發射部分:經過有源濾波器和功率放大等環節,發射出正弦波或尖頂波等波形,完成數字信號轉化為模擬信號；接收部分:信號經過保護電路、去噪聲電路、有源濾波電路、鎖相環、整形電路和反相器等環節,最后回到主控芯片,完成模擬信號轉化為數字信號；實現發出和接收命令的信息交換[54-55]。圖11為單總線電路信號傳輸圖,圖12為單總線電路板實物圖,單總線電路是配置、診斷和檢測系統的核心電路,屬于總線控制電路的一部分,也是實現整個旋轉導向的關鍵部分。

圖11 單總線電路信號控制框圖Fig.11 1-wire bus circuit signal control block diagram

圖12 單總線電路板Fig.12 1-wire bus circuit board

3.8 電子艙耐壓性、散熱性和抗震性

旋轉導向電子元器件安裝在電子艙內部,電子艙耐壓性和散熱性有待提高,耐壓性不好直接導致承壓艙滲水,電氣設備可能發生短路而損壞；同樣散熱性不好也會直接導致電氣設備因溫度過高而損壞,鑒于旋轉導向系統井下高溫高壓的工況,選擇低功耗且散熱能力比較好的器件,以便提高元器件的使用壽命[56]。

3.9 液壓模塊

液壓模塊包含了液壓驅動電路和電機等兩部分。旋轉導向采用液壓模塊閉環控制技術,研發液壓驅動模塊也將是開發本系統要克服的難點,3個閉環液壓傳感電路,使得翼肋直接推出的推壓,利用3個液壓單元壓力大小和方向,算出合力的大小和方向[57-58]。使得控制精度和速度有了很大的提高,保證了系統的穩定性、快速性和準確性,可以實現在系統穩定的前提下,兼顧系統的帶載能力和抗擾能力等,此液壓控制單元廠商比較多,市場和技術比較成熟,不需要過多的研發。圖13為液壓模塊閉環控制。

圖13 液壓模塊閉環控制Fig.13 Closed-loop control of hydraulic module

通過有限元原理對振動進行分析,得到系統多階固有模態；調整減振的參數,增加系統的減振能力；計算出系統在主模態下的響應結果,并結合實驗對減振性能進行驗證[59-60]。能適應井下惡劣振動環境,能保證關鍵器件的正常工作。

4 結論與展望

“工欲善其事,必先利其器”,先進的旋轉導向技術是目前中國急需研發的高端鉆井導向技術,也是中外一直比較熱門的研究課題,已經成為各個石油服務公司關注的焦點。

(1)混合式旋轉導向是未來發展的方向,它集成度高,功能強大,適應性強,集推靠式和指向式的優點,也是中外鉆井研究機構激烈爭奪的科技制高點。

(2)旋轉導向擁有造斜率高、摩阻與扭矩小、井眼凈化效果好、軌跡平滑易調控、位移延伸能力強,同時也具有耐溫高,耐壓高,抗震能力強等眾多技術優勢,實現鉆出高品質且超深的井眼,適于各種復雜的水平井、大位移井、大斜度井、多分支井等推廣和應用。

(3)采用“先易后難”,培育自主研發技術。旋轉導向系統是研發投資大,難度高、周期長。采取先從結構簡單、控制容易的推靠式旋轉導向系統做起,力爭取得突破,之后逐步向高端且復雜的系統研發邁進。

(4)自動化控制技術研發一直是石油鉆井領域技術短板。人才、科技和持續性投資是彌補短板強有力措施,旋轉導向電路方面的重點和難點技術主要集中在:單總線技術,非接觸傳輸技術,導向控制電路,程序算法實現等一批核心的技術。如果這些控制技術獲得突破,也可以為相關的MWD、LWD等井下高端儀器裝備帶來很大的技術提升,推動石油鉆井領域的產業升級。

鑒于旋轉導向系統能帶來重大的現實利益和可觀商業收益,加快研發出中國具有自主知識產權的高可靠性旋轉導向系統已經迫在眉睫。如果這項技術的研發成功,許多油氣資源潛在的地區,石油鉆井的成功率可能被大大提高,可以滿足海上水平井、叢式井和復雜油氣層的開采需求,降低了油氣投資成本和風險,使得勘探與開發的“干井率”被降低,有望大幅降低中國油氣田開發綜合成本。實現產業化之后,能直接改變中國在此類高端儀器裝備依賴進口的狀況,顯著提高中國油氣資源開采量和自給率。