旋转导向钻井通讯与控制系统设计与软件开发

王炳森， 唐 达， 常 珍， 周 宇， 岳前进， 周 佳

(1大连理工大学海洋科学与技术学院 2大连理工大学计算机科学与工程系 3盘锦辽河油田天意石油装备有限公司)

旋转导向钻井技术是现代定向钻井技术的核心技术，代表现代导向钻井技术的发展方向[1-3]。为了提高井下旋转导向工具的控制精度，旋转导向工具所需的钻井参数数量增多[4]，上下位机间通讯需传输更多的数据和信息。现今的钻井工程当中，多数选择传输稳定的钻井液为通讯传输介质，但钻井液传输存在数据传输慢、传输信号受噪声干扰而易出错的缺点[5]；另外，旋转导向系统难以实现完全的井下闭环控制，需要合理有效地地面监控系统对井下钻井工具进行导向控制[6]。为解决上述问题，需要设计高效准确的上下位机通讯协议和相应的地面监控系统。文献[7]提出了钻井液脉冲三降三升的编码方式来实现下行指令信号的传输，方法简单，但5位指令码只能表示导向力级别和工具面角两个参数；文献[8]发现钻井液脉冲下降沿的时间比上升沿短，利于检测，因此选用TA编码方式；文献[9]利用MATLAB的图形用户界面(GUI)设计了地面监控系统的主界面，直观简洁，但为多窗口形式。本文对通讯编码和地面监控系统进行了重新设计，以保证上下位机通讯高效同步和有效的地面监控。

图1 静态偏置推靠式旋转导向系统井下总成(BHA)

一、系统组成及通讯原理

通讯与控制系统基于的旋转导向设备为静态偏置推靠式导向钻井系统[10]，其井下钻具组合(BHA)如图1所示，由导向单元、随钻测量系统(MWD)、井下中控等模块组成，是实现系统导向控制和井下参数测量的硬件基础[11]。

旋转导向设备通讯与控制系统由两部分组成：旋转导向头通讯与控制系统；旋转导向MWD通讯与控制系统。旋转导向头通讯与控制系统主要用于下传控制指令、地面调试及关于导向头部分数据的处理和显示；旋转导向MWD通讯与控制系统主要对上行数据进行滤波解码，再将有关导向头的数据传输给导向头通讯与控制系统的上位机显示。两台上位机相互独立，分别进行数据的解码、传输及系统的控制。

系统通讯采用钻井液脉冲技术，即以钻井液为传输介质，通过脉冲信号实现地面与井下的通讯。在指令下传过程中，上位机发出控制指令，通过地面操控箱控制负脉冲发生器的开闭，从而控制钻井液通道内流量变化，使得旋转导向本体中的发电机频率也随之变化，解码板从变化的频率中解码，达成指令的下传；包含井眼工程参数和地质参数的信息上行过程与下传过程类似；系统测试过程通过CAN总线以有线连接的方式进行信息交换。系统中三种数据流向如图2所示。

图2 旋转导向钻井通讯与控制系统组成与数据流

二、通讯协议设计

通讯协议是完成上下位机通讯与控制的基础，考虑钻井液脉冲传输速度慢、易误码等特点，在指令编码设计时应遵循以下原则：①不同的压力脉冲波形代表不同的控制命令[12]；②在保证指令信息完整的前提下，编码长度尽量简短，以减少脉冲传输时间和出错概率；③能够在接收端对接受指令进行校验，以增加容错率。因此，采用了控制参数不同(类型或数量)时位数可变的编码形式，并在关键字节后设置固定校验位(奇偶校验或和校验)。控制指令以二进制编码的形式向下发送，具体的控制指令数据格式见表1。

(1)唤醒序列共包含四组脉冲信号，分别为8 s(开阀)—8 s(闭阀)—30 s(开阀)—8 s(闭阀)。

(2)控制系统共包含4大控制模式及其下属的16个小模式，故4位CMD模式码即可完全表示所有模式。

表1 控制指令数据格式

(3)参数序列是CMD指令中的特定参数值，不同的CMD指令所包含的参数不同，位数可变。

(4)和校验是将整条下传指令中的参数序列各位为1相加的数量和。

表2为下传控制指令的编码顺序及每条指令包含的具体参数。

表2 下传控制指令编码顺序

以指令编码“0”和“1”为例，当选择下发指令“0”时，设定参数工具面角为34°、力大小为66%，则该条指令编码为00000-00010110-10100-00101，共计23位；而当下发指令“1”时，则只需要设定工具面角一个参数，此时的指令编码为00011-00010110-00011，长度减少为18位。可见，当需要设置的控制参数减少时，所设计的通讯协议能有效缩短指令长度，减少脉冲传输时间。

三、系统软件集成

基于通讯与控制系统的功能需求分析，设计地面监控系统的实际控制接口和地面测试接口，进行系统软件集成。其中，实际控制接口用于现场钻井作业，能够实现控制指令下传和井下数据实时显示等功能；地面测试接口用于旋转导向钻井设备出厂前的系统检测[13]，包括控制指令测试、电机状态、翼肋状态等。

为方便作业人员操作，减少多界面切换，将系统所需的功能要求整合为单一主界面，模块划分清晰，界面简洁且易于操作。系统软件界面具体设计包含以下主要模块：

1. 指令下传模块

系统的控制模式有导向模式、稳斜模式、电机与划眼模式和查询模式4种。选定模式后，根据输入的工程参数(目标井斜、方位等)计算相应的下行控制参数(井斜调整值等)，即可设定控制参数并下发指令。指令下发过程如图3所示。

图3 控制参数计算与设定

2. 上传信息显示模块

地面监控主界面的信息显示方式有图形显示和数字显示两种。图形显示信息有导向点示意图、导向分力与合力示意图、翼肋支出状态示意图和控制指令与钻井液压力对比曲线；数字显示区域则会显示下传指令的接收校验信息和查询指令的结果。

2.1 上传信息图形显示

2.1.1 导向点示意图

导向点示意图采用靶点的表示形式，能够对导向点的方位和导向力大小(百分比)进行形象表示，如图4所示。其中，红色亮点为目标导向点，蓝色亮点为当前导向点，亮点距圆心的半径大小表示导向力的大小，角度表示导向方位。

图4 导向点效果

2.1.2 力与翼肋示意图

分力与合力示意图能够显示三个互成120°的翼肋对井壁作用力的大小以及导向合力的大小和方向，如图5所示；翼肋支出状态示意图是对力示意图的补充显示，形象表示出与三个分力相对应的翼肋支出情况。

图5 导向分力与合力效果

2.2 上传信息数字显示

数字显示主要为下传校验和查询信息显示两部分。下传校验数字显示用以验证井下控制单元对控制指令的接收结果与地面指令是否一致；查询指令结果的数字显示，包含当前钻井、电源、电机、测斜和主控5类信息，分别与相应的查询命令对应。

四、结论

(1)在对旋转导向钻井系统的硬件组成、通讯

原理和数据流向分析的基础上，总结了旋转导向通讯与控制系统的设计需求与关键问题。

(2)设计了上下位机的通讯和控制协议，在保证控制指令信息完整的前提下，使得指令准确、有效和简洁传输，并给出了下传控制指令的具体方案。

(3)对旋转导向钻井通讯和控制系统进行系统软件集成，提供旋转导向系统实际控制接口和地面测试接口，能够实现实际导向控制和地面测试功能，满足钻井工程的实际需求。