貝克休斯AutoTrak旋轉導向指令成功率與渦輪轉數配比研究

李 旭, 宋少博, 高立軍, 田秀明

(大慶鉆井工程技術研究院, 黑龍江大慶 163413)

除了能夠在旋轉狀態下實現定向鉆進, 旋轉導向區別于常規LWD最重要的一點就是能夠實現井下工具和地面系統的雙向通訊：既能通過泥漿脈沖上傳井下的隨鉆測量信息(LWD), 又能夠在地面下傳指令改變工具的工作狀態和測量序列, 實現下傳通訊[1-3]。AutoTrak旋轉導向工具是貝克休斯（Baker Hughes, 美國公司）在垂直鉆井系統ATKV的基礎上設計研發出來, 雖然井下工具不斷更新升級, 下傳通訊設備卻始終沿用ABPA[4]。作為下發指令的核心設備, ABPA性能穩定可靠, 但由于鉆井隊之間設備差異和泥漿井深等影響因素, 指令發送不成功的現象也時有發生。隨鉆儀器工程師在現場通常通過經驗對設備參數進行設置, 這就不可避免增加了試錯成本。本文以井下渦輪轉數配比作為研究對象, 根據結果對參數進行反推, 以實現增加下發指令成功率的目標。

1 下行通訊模塊

1.1 發送模塊ABPA

旁通機構ABPA（Adjust Bypass Actuator）是貝克旋轉導向下發指令調整井下工具工作狀態和上傳序列的關鍵設備, 其內部有兩個帶孔的碟片, ABPA實物圖見圖1。閥門關閉時, 即常規狀態下兩個閥片保持相互垂直的狀態, 此時泄流面積為0。當下發指令時, BPA利用氣源提供的動力, 控制閥片會錯開一定的角度, 立管內的泥漿在泵壓推動下從兩個碟片之間孔洞錯出的流道流出。分流出的泥漿通過出口管線把立管內的泥漿泄到泥漿池內, 改變鉆具內的排量。

圖1 ABPA實物圖

貝克旋轉導向系統就是通過控制ABPA閥門的開關頻率和間隔時間, 使得井下工具渦輪轉數發生周期性變化, 進而識別地面傳輸的指令信息。

1.2 接收模塊BCPM

BCPM（Bi-Directional Communication and Power Module）是在工具脈沖器功能（上傳井下測量信息）基礎上, 研發的接收下行指令的新模塊。為了讓BCPM能夠識別下傳信息的內容, 下傳的信息需要以特定結構進行編碼。同時, 當BCPM成功接收到Downlink指令后, 通過13序列上傳到地面系統, 確認指令信息, 形成閉環通訊。Downlink信息數據結構如下：

（1）喚醒序列Wake-Up Sequence：喚醒序列按照圖2所示流程控制ABPA閥門, BCPM的渦輪轉數隨之發生變化。BCMP根據解碼的信息識別喚醒序列, 此時Pulser開始停止向地面發送脈沖信號。

圖2 喚醒序列控制流程

（2）指令Header Byte：頭部字節主要分別兩部分, 第一部分是指令的類型, 第二部分為奇偶校驗位。

（3）數據Data：數據對應了具體的下傳參數。

（4）校驗Checksum：Checksum的作用是錯誤檢測, 當Checksum監測為錯值, BCPM將拒絕接收Downlink的指令。

2 渦輪轉數影響因素

和普通的水力和風力葉輪類似, BCPM的渦輪發電機也是將鉆井液的機械能轉化為電能：鉆井液通過導流定子流出后, 以一個合適角度告訴沖擊渦輪轉子, 轉子隨之高速旋轉；同時在磁場的作用下, 轉子旋轉切割磁感線產生交流電流, 再經過整流穩壓后轉化為33V直流電為導向頭和隨鉆測量工具供能。

在經驗公式中, 渦輪轉數和通過渦輪的實際流量、渦輪計算半徑、轉子出入口截面積、渦輪轉子進出口處的鉆井液絕對速度相關。此外, 實際影響渦輪轉數的參數還有很多, 再加上諸如液流偏離、泵效等忽略的影響參數, 無法直接對渦輪轉數進行線性描述。

3 信號識別和渦輪高低轉數配比

BCPM模塊通過渦輪的高低轉數來識別下傳的信號, 排量與渦輪轉數成正相關, 但卻不能夠量化。

實際工作中通過控制手輪的圈數來調整碟片錯開的角度, 達到調整泄流面積的目的。根據貝克休斯提供的手冊合理的泄壓量保持在20%, 8.5″井眼的手輪初始圈數為24圈, 隨著井深的增加逐漸增加圈數。

施工過程中, 出現過若干次指令下發不成功的現象, 需要通過控制手輪的圈數來調整泄流面積, 根據貝克休斯提供的手冊, 合理的泄壓量保持在20%, 8-1/2″井眼的手輪初始圈數為24圈, 隨著井深的增加逐漸增加圈數, 但卻無法量化所需對比。針對這個問題, 本文對井下渦輪的轉數做了數據分析, 并研究對比了發送指令成功時的解碼曲線的變化規律, 總結出指令發送成功的參數配比和應對方案。

3.1 數據分析和現象描述

井下模塊通過渦輪的高低轉數來識別信號。雖然可以通過控制排量來控制井下渦輪轉數, 但實際影響渦輪轉數的參數很多, 包括泥漿密度、排量、井深, 因此無法通過排量對渦輪轉數進行線性描述。

3.1.1 數據分析

觀察發現, 通過直接對成功發送指令的渦輪轉數進行數據分析, 可以給出渦輪轉數的配比范圍。統計方法為（高轉速-低轉數）/高轉數, 其中轉數的差值代表了泄壓形成的波動, 只有波動在井下模塊的可識別范圍內, 指令才能發送成功。根據數據統計, 比值控制在0.27～0.37之間, 井下模塊就能夠識別下傳指令。

3.1.2 解碼預判

除了數據, 通過觀察發送指令期間的解碼界面, 也能夠識別指令下傳的情況。當圖3標志的直線部分出現時, 表明井下BCPM模塊識別到了下傳指令, 控制脈沖器停止動作。實鉆過程中, 可以觀察直線部分出現的位置有如下情況：

圖3 下傳指令圖

（1）出現過早, 證明當前設置泄壓量可能過大, 需要減少手輪圈數, 極端情況甚至會引起序列重啟。

（2）出現過晚, 證明當前泄壓量可能不足, 需增加手輪圈數或進行其他調整。

3.2 解決方案

通過上述分析, 解決發送指令成功率的關鍵是合適的渦輪高低轉數配比, 可以通過以下步驟提高成功率：

（1）觀察解碼界面：觀察發送指令期間的解碼界面, 當直線部分出現在指令后期時, 很大幾率是泄壓量不足。

（2）計算渦輪轉數配比：下發指令成功后, 會上傳此次指令渦輪的高低轉數, 如果泄壓比接近0.27～0.37的邊緣時, 就需要調整手輪或排量。

（3）調整參數：如果泄壓比值貼近0.27時可以通過增加手輪圈數或降低泵沖進行調整。

4 結論

（1）影響井下渦輪轉數因素較多, 難以對渦輪轉數進行定量預測。

（2）通過數據統計, 反推出貝克休斯ABPA發送指令成功的渦輪轉數配比區間為0.27～0.37。

（3）現場施工時, 可以根據上返的渦輪轉數配比和解碼情況來判斷當前手輪配比情況是否合理, 提高發送指令的成功率。