＊李彬李焱坤徐廣飛付仕姚耕耘喬團(tuán)結(jié)

（1.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司 新疆 830011 2.北京恒泰萬(wàn)博石油技術(shù)股份有限公司 北京 102211）

為節(jié)約成本和提高產(chǎn)量，對(duì)于地理位置受限或處于開(kāi)發(fā)后期的油田，一般通過(guò)開(kāi)發(fā)深井、大位移井和長(zhǎng)水平井來(lái)實(shí)現(xiàn)。此類井如采用常規(guī)彎螺桿造斜，造斜段滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆柱受井壁摩阻大，鉆壓無(wú)法平滑傳遞，且此時(shí)鉆柱處于靜止?fàn)顟B(tài)，容易托壓。突然釋放易造成蹩泵、打倒車以及黏卡現(xiàn)象。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具具有在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)連續(xù)導(dǎo)向以及井眼軌跡自動(dòng)控制能力，可提高井眼清潔度及軌跡平滑度。同時(shí)減少導(dǎo)向過(guò)程中與井壁接觸，降低扭矩和摩阻，消除螺桿鉆具鉆進(jìn)加壓困難的問(wèn)題，提高機(jī)械鉆速。降低巖屑床堆積可能性，減少卡鉆等井下復(fù)雜井況發(fā)生幾率，縮短鉆井周期[1-3]。

針對(duì)我國(guó)越來(lái)越多的復(fù)雜油氣藏和高難度深井、長(zhǎng)水平井，國(guó)內(nèi)鉆井公司引進(jìn)并采購(gòu)了多套國(guó)外旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。而其中進(jìn)口LWD工具的采購(gòu)和維護(hù)成本較高，維修保養(yǎng)周期長(zhǎng)，所以采用國(guó)產(chǎn)LWD替代進(jìn)口LWD是較好的解決方案。其中實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)LWD與進(jìn)口旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具之間的相互通訊是此方案的主要技術(shù)難點(diǎn)。本文對(duì)兩者之間互聯(lián)互通的思路和實(shí)現(xiàn)方法，以及互聯(lián)互通系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用做了分析和介紹。

1.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)及應(yīng)用情況簡(jiǎn)介

國(guó)外從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研發(fā)，90年代進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，逐步改進(jìn)、升級(jí)、完善。目前，以Schlumberger的PowerDrive系列、Baker-Hughes的AutoTrack系列、Halliburton的Geo-Pliot系列以及Weatherford的Revolution系列為代表的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，已大規(guī)模應(yīng)用在國(guó)際油田技術(shù)服務(wù)中。在北美、北海、中東等多個(gè)地區(qū)已經(jīng)作為主要的水平井、定向井鉆井技術(shù)得到應(yīng)用[2]。典型的如PowerDrive系統(tǒng)在英國(guó)WytchFarm油田已完成多口水平位移超萬(wàn)米的大位移井[4]。我國(guó)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)的研究起步較晚，近年來(lái)部分國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，但整體還未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)旋導(dǎo)工具主要采用國(guó)外產(chǎn)品，且整體應(yīng)用規(guī)模較小[5-6]。

Schlumberger的導(dǎo)向工具以其“所有部件全旋轉(zhuǎn)”的特性占據(jù)了大部分的服務(wù)市場(chǎng)，具有一定的代表性。目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的主要有三種導(dǎo)向系統(tǒng)：推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)PowerDrive Orbit、指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)PowerDrive Xceed以及混合式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)PowerDrive Archer。國(guó)內(nèi)鉆井公司除了購(gòu)買(mǎi)其鉆井技術(shù)服務(wù)以外，同時(shí)也采購(gòu)了多套Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具。由于采購(gòu)的進(jìn)口成套工具數(shù)量有限，且維修保養(yǎng)的周期較長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具無(wú)法及時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)服務(wù)需求，明顯制約了鉆井公司對(duì)高端業(yè)務(wù)的服務(wù)保障能力。

2.國(guó)產(chǎn)LWD與Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具互聯(lián)互通

針對(duì)如上所述問(wèn)題，中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)LWD工具與Schlumberger旋導(dǎo)工具互聯(lián)互通項(xiàng)目的研究與實(shí)踐。目前，由于國(guó)產(chǎn)LWD工具日趨完善，在國(guó)內(nèi)已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。所以將國(guó)產(chǎn)LWD工具與Schlumberger旋導(dǎo)工具掛接，實(shí)現(xiàn)兩者信息互聯(lián)互通[7-8]。新系統(tǒng)可以集合國(guó)產(chǎn)LWD的測(cè)量功能與Schlumberger旋導(dǎo)工具的井眼軌跡控制優(yōu)勢(shì)，通過(guò)國(guó)產(chǎn)LWD上傳旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具測(cè)量數(shù)據(jù)和參數(shù)。

新系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用單泥漿閥的先導(dǎo)式液壓驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)發(fā)生器可有效提高LWD系統(tǒng)泥漿傳輸信號(hào)質(zhì)量和抗干擾能力，滿足深井和復(fù)雜泥漿環(huán)境的使用。

（2）國(guó)產(chǎn)LWD采用模塊化設(shè)計(jì)，脈沖信號(hào)發(fā)生器、定向探管、伽馬探管和電阻率可在鉆井現(xiàn)場(chǎng)更換，操作更迅速、靈活。

（3）LWD系統(tǒng)完全國(guó)產(chǎn)化，儀器維修和保養(yǎng)成本低，周期短。

（4）互聯(lián)互通系統(tǒng)相較原有Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向降低了使用成本，提高了設(shè)備使用率。

國(guó)產(chǎn)LWD與Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具互聯(lián)互通方案具有技術(shù)可行性，一方面國(guó)產(chǎn)LWD儀器的帶載能力足夠大，可以穩(wěn)定地為Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及其他掛接儀器供電；另一方面協(xié)議互通，可以在數(shù)據(jù)總線上傳輸命令和數(shù)據(jù)。兩者之間互聯(lián)互通中最大的難點(diǎn)是互相兼容問(wèn)題，也就是如何在國(guó)產(chǎn)LWD系統(tǒng)中加入Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、傳輸、存儲(chǔ)、編解碼和顯示，同時(shí)保證國(guó)產(chǎn)LWD系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)能夠穩(wěn)定正常工作。

方案實(shí)施具體思路：利用公司現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)LWD及Schlumberger旋導(dǎo)工具，兩者之間加入一個(gè)通訊互聯(lián)短節(jié)COMM SUB。保持原有國(guó)產(chǎn)LWD儀器和旋導(dǎo)工具總體結(jié)構(gòu)不變，對(duì)機(jī)械部件、傳輸線路、通訊協(xié)議、解碼軟件進(jìn)行局部的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。圖1和圖2為互聯(lián)互通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 國(guó)產(chǎn)LWD與旋導(dǎo)工具互聯(lián)互通系統(tǒng)示意圖

3.互聯(lián)互通項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研發(fā)

(1)LWD下行通訊供電結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)接口

考慮到旋導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)電流較大，有可能會(huì)引起探管過(guò)流保護(hù)，所以在下行通訊中設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路，同時(shí)適當(dāng)提高探管中的過(guò)流保護(hù)閾值電流。其總體的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)（圖3）：上端為BUS+，GND，485A，485B，下端為BUS+，GND，CAN1H，CAN1L。

圖3 通訊供電結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)接口

(2)通訊互聯(lián)短節(jié)COMM SUB軟件及硬件設(shè)計(jì)

通訊互聯(lián)短節(jié)COMM SUB為PowerDrive系列旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的無(wú)線通訊短節(jié)BabbelFish供電，同時(shí)將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的18個(gè)參數(shù)，共計(jì)24BYTES的數(shù)據(jù)傳輸給上方LWD系統(tǒng)。如圖3所示，上端采用485接口設(shè)計(jì)，下端采用CAN口設(shè)計(jì)，CAN口按照旋導(dǎo)的發(fā)數(shù)協(xié)議取數(shù)；485按照MWD的取數(shù)協(xié)議發(fā)數(shù)。為了避免接口沖突，在取數(shù)和發(fā)數(shù)之間用定時(shí)器控制時(shí)序。圖4為PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的XBUS通訊協(xié)議，通訊短節(jié)據(jù)此通過(guò)取數(shù)命令得到不同長(zhǎng)度的旋導(dǎo)參數(shù)。

圖5為通訊互聯(lián)短節(jié)COMM SUB的結(jié)構(gòu)示意圖。其中旋轉(zhuǎn)連接器尾部采用彈性自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，可以工作在井下振動(dòng)劇烈的環(huán)境，保證與Bablefish良好接觸導(dǎo)通。旋轉(zhuǎn)連接器與內(nèi)部電路之間采用抗壓密封塞隔離，將PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)LWD系統(tǒng)隔開(kāi)，并減小外部諸如泥漿進(jìn)入帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。骨架的柔性結(jié)構(gòu)及減振橡膠圈可以保證電路板在劇烈振動(dòng)環(huán)境下正常工作。尾部的固線組件保證連接線牢固連接，保證在高速旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)下不松脫。

(3)LWD系統(tǒng)上傳中控?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

LWD系統(tǒng)中中控?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在探管中完成。在井下工作狀態(tài)下，LWD探管不斷查詢下方掛接儀器狀態(tài)，然后發(fā)送取數(shù)命令，接收由PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向采集的18個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)、編碼，驅(qū)動(dòng)上方的脈沖發(fā)生器發(fā)送泥漿正脈沖。在地面由壓力傳感器接收脈沖信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)與接口箱通訊，讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)。

(4)地面數(shù)據(jù)處理軟件的升級(jí)

地面數(shù)據(jù)處理軟件增加的功能有：對(duì)PowerDrive旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向數(shù)據(jù)解碼、顯示，以及對(duì)LWD內(nèi)存模式的設(shè)置和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀取。因此，設(shè)計(jì)了一套專屬協(xié)議，LWD系統(tǒng)按照此協(xié)議將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向數(shù)據(jù)編碼，地面數(shù)據(jù)軟件按照此協(xié)議將收到脈沖信號(hào)解碼成對(duì)應(yīng)的旋導(dǎo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。

4.互聯(lián)互通項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以新疆油田JLHW2029井實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。其鉆具組合為：Φ215.9mm PDC鉆頭+Φ171mm Archer+Φ171mm互聯(lián)互通LWD+Φ171mm MWD+Φ127mm無(wú)磁承壓鉆桿+Φ168mm單流閥+轉(zhuǎn)換接頭+Φ127mm加重鉆桿（3根）+Φ127mm斜坡鉆桿。使用井段：3801～3931m，進(jìn)尺：130m，循環(huán)時(shí)間：49h，純鉆時(shí)間：37h。在整個(gè)井下鉆進(jìn)期間，Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與國(guó)產(chǎn)LWD之間的聯(lián)通率和數(shù)據(jù)完整性及準(zhǔn)確率都達(dá)到100%，圓滿達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

在后續(xù)推廣應(yīng)用期間，國(guó)產(chǎn)LWD與Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具互聯(lián)互通系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸完整準(zhǔn)確。2022年全年已經(jīng)累計(jì)服務(wù)53井次，服務(wù)進(jìn)尺2.76萬(wàn)米，取得良好業(yè)績(jī)。在保證旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)性能與優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，與原有進(jìn)口LWD工具相比，國(guó)產(chǎn)LWD工具采購(gòu)成本降低40%以上，維護(hù)成本降低40%以上，同時(shí)自有儀器的利用率充分提高，取得明顯經(jīng)濟(jì)效益。

5.結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)Schlumberger旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與國(guó)產(chǎn)LWD多種型號(hào)、多種儀器組合進(jìn)行隨鉆實(shí)時(shí)通訊。開(kāi)展進(jìn)口旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具與國(guó)產(chǎn)LWD互聯(lián)互通組配系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用，能夠降低對(duì)進(jìn)口旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井整套系統(tǒng)的依賴性，以及降低旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的使用成本，提高自有工具的利用率，提升國(guó)內(nèi)鉆井公司對(duì)油田勘探開(kāi)發(fā)的保障能力和水平。

對(duì)其他不同類型鉆井工具之間互聯(lián)互通研究提供思路和借鑒，有利于利用不同鉆井工具的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行組合作業(yè)。