导向钻井中压力指令下传系统的设计

时间：2024-09-03

郑州职业技术学院潘海洋

0 引言

导向钻井技术是石油钻井工程的最新研究领域和发展趋势[1]。导向钻井系统有自动调节功能，可以追踪并钻达含油丰富的油层，对于复杂条件下常规钻井技术难以解决的井眼轨迹控制问题，导向钻井更能显示其优越性。

在导向钻井工程中，井地间双向通讯系统是核心技术之一[2]。在我国，个别单位和研究机构已经成功研制出了基于钻井液压力波的无线随钻测量系统(MWD)，即上传通信系统[3]。而地面信息下传系统，国外以广泛应用于钻井工程中[4]，但国内目前没有成熟的技术。研究指令下传技术有助于打破国外的技术垄断局面，实现导向钻井技术设备的国产化，对提高我国钻井水平、提高油气开采效率和采收率有重要意义。

1 钻井信息的传输

1.1 有线传输方式

电缆传输方式是在钻杆内部导入电导线，导线的类型一般是铠装电缆。电缆传输方式的优点是可实现信息的双向高速传递，且可以直接向井下设备提供电力。其缺点是经常有钻进困难的现象，影响正常钻进过程。

特种钻杆传输方式是将连续导体附在钻杆内使其成为钻杆整体的一部分。装在钻杆接头内的特殊连接装置使钻柱在整个长度内导电，从而实现电导体从地面通向井底。特种钻杆传输方式的优点是数据传输快、双向通信简单；缺点是成本高，且操作复杂。

光纤传输方式是将光纤导入井眼中,光纤长度为整个钻柱的长度。光纤传输的优点是传输速度快，能以大约1Mbit/s的速率传送数据；缺点是光纤脆弱要加保护，实现两根光纤的对接不如电导线方便，光纤很难传输电能。

1.2 无线传输方式

电磁波传输方式的优点是不需要机械接收装置，数据传输速度较快,适合于普通泥浆、泡沫泥浆、空气钻井、激光钻井等钻井施工中传输定向和地质资料参数。不足之处是由于传输信号快速衰减，导致 EM 测量方法只适合在浅井中使用，且易受井场电气设备和地层电阻率的影响，从而使信号的探测和接收变得较困难。

声波传输方式实现方法简单、投资较少。但信号在钻杆中传播衰减很快，需要在钻杆内每隔400～500m装1个中继站。并且易被钻井设备产生的声波噪声所干扰，使系统可靠行降低。目前该技术应用的最大井深为3000～4000m。

钻井液脉冲传输方式是以钻井液为传输介质，通过改变钻杆中钻井液的排量产生压力波动，从而传输钻井信息。其优点是对钻井工具的工艺没有特殊的要求和限制，降低了开发成本；对正常钻井作业影响很小，且通信可靠，能远距离传输。但由于压力脉冲在钻井液中传播的速度较低，致使该方式的数据传输速率较低。并且在气体和气、液双相流体中不能够采用钻井液脉冲传输方式。

导向钻井下行传输的多为控制指令，指令数据量小且间隔较长。因此，下行信息传输以钻井液脉冲传输方式为最优选择。而且便于与目前广泛使用的钻井液脉冲方式上传信息的MWD相结合，形成井地双向通信系统。

2 下传指令的编码方式

钻井液脉冲分为正脉冲和负脉冲两种形式。综合考虑导向钻井系统下行通讯传输的深度、速率、可靠性的实际需求及井下工具的工作特点等因素，采用钻井液负脉冲方式来传递信息。

通过对钻井液负脉冲波形的研究，发现钻井液负脉冲的下降沿时间比上升沿时间短，单位时间内下降沿的变化量比上升沿的变化量大。因此，在充分考虑到井下识别准确性、指令传输时间、钻井工艺的可行性等要求的前提下，设计了利用压力脉冲下降沿和相邻下降沿时间差的下传指令编码方式（图1）。

图1 指令下传的编码方式

其中脉冲T1、T3分别作帧头和帧尾表示脉冲信号的开始和结束。T2包含着核心命令字。T1～t7是T的整数倍。由于实验测得钻井液脉冲下降沿时间至少2秒，考虑到下降沿的产生以及下降沿的检测误差，取T值为5秒。T1～t7中，除了t4可变外，其他都是固定的。在压力下降后，必须有足够长的时间用来恢复压力至初始值，以便下次产生有效的下降沿，因此b取为2。为了能区别开帧头和帧尾，t6取为3T。t1、t3、t5、t7取2T。d可取2～11的整数，表示10种不同的命令（表1）。

表1 T2与指令编号的对应关系

3 系统设计及实现

指令下传系统主要包括下传压力指令的产生和井下压力指令的接收两大部分。下传压力指令的产生部分是通过地面计算机软件控制，在钻杆里产生钻井液脉冲指令。井下压力指令的接收部分完成的是对井下钻井液压力变化的接收，并从中解析出地面下传的指令。

3.1 下传压力指令的产生

下传压力指令产生的基本工作原理是在泥浆泵和立管之间的地面管线上引出一条开闭可控的分支管线，通过对分支管线的开闭控制，从而在立管和钻杆中产生钻井液负脉冲——下传压力指令。开闭可控支路是通过对支路上脉冲阀的控制实现的，其控制流程为：先在计算机中的指令下传控制软件设置好下传指令的参数并传递给脉冲控制器，然后由脉冲控制器产生控制脉冲阀开闭的脉冲序列，从而产生下传指令。开发的压力指令下传控制软件包括控制软件的主界面和压力指令编辑模块、指令下载模块。在压力指令编辑模块中可设置需要下传的指令及指令序列；在指令下载模块中可选择以编辑好的指令序列并将其下载到脉冲控制器，产生下传指令序列。此外，压力指令下传控制软件中还包括了作业信息录入模块、压力实时监控模块和压力数据处理模块，分别可完成对一系列钻井作业参数的记录、地面实时压力的监控和井下存储的压力数据的回放及处理等。

3.2 井下压力指令的接收

井下压力指令接收装置硬件结构如图2所示，包括压力传感器、信号调理电路、模数转换电路、控制和处理单元、时钟单元、复位单元、存储单元、通信单元。

图2 井下压力指令接收装置硬件结构

井下压力指令接收装置的工作原理是：压力传感器接收来自钻杆中钻井液的压力信号并将压力信号转换成电压信号，电压信号经由信号调理电路放大滤波后传送到高精度A/D转换电路的模拟信号输入端。A/D转换电路在控制和处理单元的控制下将模拟的电压信号转换为量化的数字信号并回传控制和处理单元。控制和处理单元使用的是单片机，它将对采样所得压力信号进行处理：①将原始压力值存入存储单元；②对压力值进行一系列处理后，从中解析出地面下传的指令，并将解析结果通过通信单元传递给导向控制器。时钟单元的作用是为控制和处理单元提供时间基准以便将采集到的压力值及解析出的指令与时间对应。复位单元是为了防止控制和处理单元出现工作异常，提高系统的可靠性。