导向钻井下行指令传输的井下接收装置研究

霍爱清，汤 楠，汪跃龙，程为彬

(西安石油大学，陕西西安710065)

0 引 言

旋转导向闭环钻井技术是当今最具突破性和战略意义的现代钻井新技术［1－4］。在旋转导向钻井中，地面监控系统和操作人员需要根据井下信息，不断调整发送给井下工具的控制指令从而控制井下导向工具，使钻井轨迹按预定的设计逼近靶区。要实现地面到井下的下传通讯，井下接收装置是必不可少的，因此研究指令下传井下接收装置对旋转导向钻井技术发展具有重要的现实意义。

由于钻机井下条件及其下行通信的特殊性使得井下信息的接收受到限制［5］，国内外研究人员为此进行了各种研究。文献［6］提出了用倾斜计和三轴磁力计监测钻柱的旋转角度或钻柱的旋转速率，以形成命令代码，但该方法磁力计输出易受地层参数的影响，且只能用于裸眼井。专利US7298285［7］则是通过监测井下工具中泥浆发电机的转子转速变化实现下行通道的信号接收，该方法在使用过程中需抬起钻头，以避免井下钻具组合BHA 在旋转过程中钻头与井底之间的摩擦力，才能保证更好地控制转动速度。专利US2006225920［8］中下行通道系统则是利用泥浆流速的改变传送地面命令信号，该方法检测系统的物理结构比较复杂，且当钻柱转速较低时，会产生较大的误差。西安石油大学傅鑫生教授等对钻柱施加一定激励，通过井下实测钻头处的振动信号来解码地面发送的编码信号，该方法在正常的井况条件下可以实现信息传递，但它需要提起钻杆进行信息传递，在下传信息的方法、在操作上都有一定的局限性［9－10］。刘修善［11］结合钻井工程实际，确定出地面信号下传系统宜采用泥浆压力脉冲方式，但只给出了地面信号下传系统的设计方案和工作原理。

调制式旋转导向钻井中［12］，涡轮电机本身就是导向钻井工具中的一部分，不需额外地增加检测传感器，装置简单可靠，可有效解决文献［6－11］中存在的问题。因此，开发以涡轮电机为井下信息接收装置，实现地面向井下发送控制指令的下行信息传输研究就显得非常必要与迫切。

1 下行指令的编码传输方案

为了有效实现井下接收信息，必须对下行指令编码有特殊的要求。

综合考虑国内外现行的旋转导向工具的指令下传方式及其编码方式等特点［5］，以钻井液为传输介质，提出通过改变钻井液排量三降三升为核心的脉冲指令编码传输方案，利用三降三升的脉宽形成有效的控制指令代码，该方案既能不改变现有导向钻井的钻井工艺，也不影响实际钻井导向操作，从而突破现有国内外编码方式的诸多限制［13－14］。

编码指令由钻井液排量变化形成的3 个下降沿和3 个上升沿组成，编码指令示意图如图1 所示。在不影响钻井前提下，通过在钻柱中产生20% 左右的钻井液排量变化产生脉冲，三降三升的钻井液排量变化波会产生5 个脉宽，即5 位编码。只要保证有足够的脉宽，计算机就可以识别，同时变排量操作需有一定的反应时间。规定脉宽为T 的整数倍，其中T 值不能小于井眼内钻井液波动的衰减周期。

指令的编码以T 为最小单位，考虑到操作的方便及识别的准确性，一组指令最长时间不宜超过nT，而编码的每一位应为mT(m ＜n)。若出现脉宽大于mT，甚至指令总时间超过nT，均视为无效指令。例如图1 构成的编码指令前面3 位代表导向控制的工具面角135°，第四位代表导向力大小(分100% 导向力、67 % 导向力、33 % 导向力三种情况［5］)，最后一位代表奇偶校验。故此通过这样5位编码就构成了下行导向控制指令。

2 井下检测接收装置设计

2.1 设计要求

导向钻井系统正常工作时，钻井液排量变化范围为20 L/s～45 L/s，井下涡轮电机工作频率变化范围为10～60 Hz，其电压测量范围为20～120 V。考虑到井下工具工作环境的特殊性，井下的温度随着井深和地层而变化，大致为井深每增加33 m，温度约增加1 ℃，故要求检测装置工作温度为125 ℃。系统应能够承受近钻头200 g 的冲击。

井下涡轮电机设计为过流式结构，电机内部的材料选用严格，能在200 ℃以下的酸、碱和油环境中长期工作。

轴承设计方面，对带镜面密封和不带镜面密封、加黄铜套镀铬及滚动轴承等不同结构的涡轮发电机进行试验表明，有镜面密封时，电机的效率更高，但其可靠性达不到设计要求。由于国内无法加工专用的橡胶轴承，为满足工程需要，选用了滚动轴承系。

为增加功率输出，选用耐高温(200 ℃)高磁能积磁钢。电机的绕组及引线经过严格的绝缘与密封处理，以保证可靠性。

2.2 涡轮电机

涡轮电机由外涡轮、电机主轴、定子绕组、定子铁心、永久磁铁等组成，内部结构示意图如图2 所示。电机主轴上有定子绕组，电机的永磁磁极固定在机壳内部，涡轮固定在电机主体外部。在钻铤内钻井液驱动涡轮旋转，使电机发电，产生交变电压，从而为导向钻井工具中的控制系统提供工作电源。根据导向钻井要求，所设计的涡轮电机采用低速大扭矩涡轮，电机采用单相绕组，额定输出电压15 V，功率100 W。

井下涡轮电机是为导向钻井工具提供工作电源而制作的。采用这种井下接收装置可以不必在井下再专门设置压力或流量传感器，简化了井下信息接收装置的安装，提高系统的可靠性。用于井下试验的涡轮电机实物如图3 所示。

2.3 井下涡轮电机电参数检测系统设计

由于井下的空间限制和高温高压环境的限制，工作在井下涡轮电机电参数检测具有有别于地面的特殊性，首先是对测量器件有尺寸限制;其次是测量过程无法直接观察，测量数据只能由测量装置记录的数据事后回放与地面记录进行对照分析;三是必须解决高温高压与冲击振动对测量电路板的影响。

根据系统设计要求，井下涡轮电机采用单相交流永磁电机，其电参数检测电路采用Rogowski 微型互感线圈检测其电压，具体电路由信号检测、精密整流、滤波、A/D 转换与数字处理等环节构成［15］，井下检测电路封装在导向钻井工具的测控电子舱中，电参数检测系统结构如图4 所示，井下信号处理电路实物图如图5 所示。

3 井下指令接收测试实验

3.1 涡轮电机井下水力实验

为了研究涡轮排量与电机输出电压之间的动态关系，必须进行水力驱动试验。在完成井下涡轮电机电参数检测系统设计、调试与标定后，进行了多次水力驱动现场测试。

水力驱动实验采用单台三缸往复式钻井泵，钻井泵冲数在20～120 冲/min，缸径150 mm。通过泥浆泵给钻铤注入泥浆，带动涡轮电机转动。当排量从11 L/s 至27 L/s 变化时，实测的涡轮电机电压及频率随钻井液排量变化曲线如图6 所示。

由图6 可见，钻井液排量与涡轮电机电压之间呈现线性关系，因此完全可以用涡轮电机作为井下检测装置实现对下传指令的接收，以其电压变化跟踪钻井液排量变化，将钻井液排量变化信号转换成电压变化信号。

3.2 三降三升下传指令的接收实验

3．2．1 地面模拟实验

为了验证三降三升指令编码能否被井下工具中的接收装置顺利接收，进行了地面模拟实验［5］，地面模拟实验装置如图7 所示。在地面模拟实验中，利用拖动电机模拟泥浆泵，利用齿轮装置代替涡轮，利用变频器输出频率变化模拟钻井液排量改变。变频器输出50 Hz 相当于泥浆泵钻井液正常排量，40 Hz 相当于钻井液正常排量的80%。经变频器输出三降三升，实现一组指令的发送。经检测接收和编码解释，还原出发送的控制指令。实验结果表明，接收和发送的编码指令是完全一致的，证明了利用三降三升编码脉冲实现指令下传的可行性。

3．2．2 井下实验

试验时通过改变钻井液排量及对应每一位脉宽的时间实现对指令的编码。

图8 为某次下传指令时涡轮电机井下接收实验曲线图。图中前两个3 min 对应的排量分别为22 L/s、24 L/s。从361 s 开始进行三降三升变排量试验，排量由24 L/s 变至18 L/s，又升至22 L/s，再降至18 L/s，如此反复形成5 个指令编码，每个排量保持30 s。记录的电压准确反映了排量的波动，测量与记录的曲线变化平滑，连续，测量准确。

井下现场试验证明，井下涡轮电机实现了对钻井液排量变化的精确测量，准确再现了下传的编码指令，为下行通信解码提供了可靠的数据，同时也为进一步研究导向钻井控制系统井下控制规律提供准确数据和测试手段。

4 结 论

1)变钻井液排量三降三升编码传输方案可以形成有效的指令编码，满足钻井工程下传指令需要。

2)利用涡轮电机可以有效解决井下接收装置在钻铤中的安装受空间尺寸、密封绝缘、安装位置以及与测量电路连接等问题。

3)通过涡轮电机可以实现对钻井液排量变化的检测，将钻井液排量变化转变成电压信号。

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