旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及定向井工具循環(huán)測試系統(tǒng)研制

趙江波

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)和井下儀器兩部分組成。泥漿介質(zhì)流場在系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用[1]：可對脈沖信號傳輸進(jìn)行量化研究，摸清流場噪聲，建立算法模型；可對發(fā)電機(jī)特性進(jìn)行量化研究及性能測試，摸清流量范圍；可對指令下傳信號進(jìn)行量化研究，摸清流場噪聲，建立算法模型；可對模塊馬達(dá)輸出特性進(jìn)行測試和標(biāo)定；可對儀器串整體進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試。

1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.1 排量范圍

不同的井眼作業(yè)對應(yīng)不同的排量范圍，不同的排量范圍對應(yīng)不同的流場特性。因此，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆儀器尺寸規(guī)格必須與井眼尺寸相匹配。目前，作業(yè)現(xiàn)場在用的3 種主流尺寸規(guī)格分別為475、675、950[2]。

該循環(huán)系統(tǒng)除了要滿足上述3 種主流尺寸規(guī)格儀器的測試需求外，還應(yīng)該具備一定的冗余，以便開展各種極限測試和研究。因此，最終確定系統(tǒng)的排量范圍為0 ～5 200 L·min-1。

1.2 循環(huán)長度

每種尺寸井眼深度存在一定的上限。8.5 寸井眼一般情況下打到4 000 m 左右。井越深，信號在傳輸過程中的衰減和損失越大，再加上各種噪聲干擾，信號傳輸成功率越低。所以，研究過程中必須考慮循環(huán)長度的影響。經(jīng)過認(rèn)真研究，確定系統(tǒng)的最長模擬井深為6 000 m。該深度可模擬中國80%以上的作業(yè)井深，同時(shí)可滿足475 儀器的測試需求。在此基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了多種循環(huán)長度切換功能以供選擇。

1.3 循環(huán)壓強(qiáng)

循環(huán)壓強(qiáng)與排量和循環(huán)長度有關(guān)。排量越大、循環(huán)長度越長，管道流阻越大；反之，越小[3]。以現(xiàn)場最常用的F1600 泥漿泵的性能指標(biāo)為參照，設(shè)計(jì)最高輸出壓強(qiáng)為23 MPa。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造

根據(jù)以上要求，結(jié)合中海油服現(xiàn)有3 000 m 循環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)狀，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作原理框架如圖1 所示。泥漿泵從水池吸水，經(jīng)過循環(huán)管道，流經(jīng)測試儀器回到水池。測控系統(tǒng)是整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的大腦，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，采集循環(huán)管路中的各個(gè)壓強(qiáng)及流量信號。變頻控制柜驅(qū)動泥漿泵電機(jī)，灌注泵負(fù)責(zé)為泥漿泵供水，測控系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程控制器自由切換循環(huán)長度。圖1 對各部分進(jìn)行了詳細(xì)說明。

2.1 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)參照作業(yè)實(shí)際情況，采用F1600 泥漿泵作為主動力設(shè)備。該型號泥漿泵在現(xiàn)場廣泛應(yīng)用，具有很強(qiáng)的代表性。選用該設(shè)備可以使整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的噪聲特性與現(xiàn)場保持高度一致，使儀器的測試環(huán)境更加接近真實(shí)情況，對提高儀器的現(xiàn)場適應(yīng)性具有重要意義。

選用F1600 泥漿泵標(biāo)準(zhǔn)配置（180 缸套，120 沖）最大工作排量為46.54 L·s-1，額定工作壓強(qiáng)為23.6 MPa，可知單泵無法滿足最大排量要求，因此采取兩泵并聯(lián)的方式，見圖2。并聯(lián)后輸出最大排量可以達(dá)到5 580 L·min-1，既可以滿足最大排量要求，又可以滿足最大壓強(qiáng)要求。

2.2 循環(huán)管道及循環(huán)長度

為了便于實(shí)施，節(jié)省占地面積，降低施工難度，系統(tǒng)采用直管加連續(xù)油管作為循環(huán)管道。直管為中海油服原有循環(huán)管道，外徑104 mm，內(nèi)徑100 mm，材料X70，承壓45 MPa，采取挖坑預(yù)埋的方式施工，總長為3 122 m。新增管道為連續(xù)油管，外徑89 mm，內(nèi)徑80 mm，材料2250 雙向不銹鋼，承壓45 MPa，采用兩盤串聯(lián)的方式，總長為3 000 m。

為了盡可能滿足各種工況測試需求，需要設(shè)計(jì)各種循環(huán)長度來模擬不同井深[4]。循環(huán)管道長度設(shè)計(jì)方案如圖3 所示，通過控制15 個(gè)閥門的開關(guān)狀態(tài)共可模擬14 種循環(huán)長度。

2.3 負(fù)載計(jì)算

由于輸出壓強(qiáng)和輸出排量無法同時(shí)達(dá)到最高值，因此需要計(jì)算不同循環(huán)工況下系統(tǒng)的負(fù)載情況。

泥漿泵出口的總壓強(qiáng)P總與管道流租P管和儀器壓降P儀有關(guān)，即：

管道流阻和儀器壓降均與循環(huán)長度和排量有關(guān)。根據(jù)《工程流體力學(xué)》教科書，利用粘性流體的伯努利方程推導(dǎo)的管中沿程阻力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，有：

式中：ΔPe為沿程阻力損失，Pa；λ為沿程阻力損失系數(shù)；L為鋼管長度，m；V為鋼管中液體平均流速，m·s-1；D為鋼管管徑，m；ρ為流體密度，kg·m-3。

經(jīng)計(jì)算，不同排量、不同循環(huán)長度的負(fù)載如表1所示。

表1 各種循環(huán)工況下系統(tǒng)負(fù)載

2.4 數(shù)據(jù)采集

如圖4 所示，該系統(tǒng)中有5 組流量及壓力傳感器和1 個(gè)液位傳感器。流量傳感器用于檢測各點(diǎn)流量，壓力傳感器用于檢測各點(diǎn)壓力，液位傳感器用于檢測水池液位。各傳感器均為數(shù)字式傳感器，可直接接入測控系統(tǒng)。

2.5 測控系統(tǒng)電氣控制方案

主機(jī)采用惠普系列工作站，作為人機(jī)交換界面和核心控制程序的運(yùn)行載體。核心控制器件采用西門子系列PLC、變頻柜、電動執(zhí)行器、傳感器等采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字、模擬擴(kuò)展模塊進(jìn)行控制。

2.6 測試系統(tǒng)建設(shè)

系統(tǒng)建設(shè)分為3 個(gè)階段：第1 階段是基礎(chǔ)施工，包括泥漿泵、變頻柜和連續(xù)油管吊裝等作業(yè)；第2 階段為地面軌道施工，包括管道鋪設(shè)、連接、閥門、電動執(zhí)行器、傳感器安裝及測控線纜鋪設(shè)等；第3 階段是系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，測試各項(xiàng)功能[5]。建成后的系統(tǒng)如圖5 所示。

3 聯(lián)調(diào)與測試驗(yàn)證

3.1 承壓測試

為了確保管道連接及密封良好，對管道進(jìn)行了承壓測試。因?yàn)楣艿捞L，無法整體測試，所以采取了分段測試的方法，最大靜壓測試35 MPa，隨后進(jìn)行了整體動壓測試，最高試到23 MPa，穩(wěn)壓25 min，測試合格。

3.2 系統(tǒng)集成測試

系統(tǒng)集成測試主要進(jìn)行了各項(xiàng)功能測試，包括變頻柜控制、電機(jī)啟停、穩(wěn)速、傳感器數(shù)據(jù)采集、流程自動切換以及數(shù)據(jù)采集處理等。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)通過后進(jìn)行了管道流阻測試，測試結(jié)果如表2 所示。發(fā)速度，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆儀器研發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。

表2 管道流阻測試

（1）實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首套6 000 m 地面水循環(huán)系統(tǒng)項(xiàng)目的研制與建設(shè)，驗(yàn)證了使用連續(xù)油管作為循環(huán)管線的可行性，可以滿足后續(xù)深井使用475 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具和其他配套設(shè)備的模擬試驗(yàn)需要。

（2）經(jīng)過分段和全管程的35 MPa 靜水壓試驗(yàn)，地面水循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)管路和控制閥門可以滿足最高工作壓強(qiáng)35 MPa 的要求。

（3）經(jīng)不同組合長度水循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了供液泵最大工作排量為5.2 m3·min-1，得出了循環(huán)系統(tǒng)的測試總沿程阻力值與通過理論計(jì)算的值的誤差。

（4）地面水循環(huán)管線能夠按照LWD 及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的工作要求提供穩(wěn)定可靠的泥漿排量，且能夠在不同的排量要求下快速連續(xù)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。

（5）通過中控室的計(jì)算機(jī)顯示界面，能夠觀測到分布于地面水循環(huán)系統(tǒng)的各處的電磁流量計(jì)、超聲波液位計(jì)、電動調(diào)節(jié)閥以及耐震壓力表傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成監(jiān)測與控制。

3.3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器水循環(huán)鉆進(jìn)測試

利用該水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器循環(huán)測試，循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可為儀器測試提供穩(wěn)定可靠的水循環(huán)測試環(huán)境，且能夠在不同排量要求下快速連續(xù)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。通過主控計(jì)算機(jī)顯示界面，能夠觀測到分布于循環(huán)系統(tǒng)各處的流量計(jì)、壓力傳感器傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)系統(tǒng)的集中觀測與控制。

4 結(jié)語

該水循環(huán)測試系統(tǒng)的研制成功，使中海油服成為國內(nèi)首家具備6 000 m 循環(huán)長度、最大5.2 m3·min-1排量的水循環(huán)能力，極大地促進(jìn)了國內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研