随钻仪器机电接口标准化推进产品产业化

王智明，王红亮，邓晓清，菅志军，李 军

中海油服油田技术研究院 （北京 101149）

随钻仪器机电接口标准化推进产品产业化

王智明，王红亮，邓晓清，菅志军，李 军

中海油服油田技术研究院 （北京 101149）

随钻测井仪器主体结构按照电路板的安装位置，可分为钻铤外壁嵌入结构式、钻铤内壁密封插入结构式和中心探管结构式3种。分析了钻铤内壁密封插入结构式的插接和公母滑环2种机电接口的工作原理以及使用情况。介绍了中海油服Drilog随钻测井系统和Welleader旋转导向钻井系统的基本组成和仪器的功能。解释了中海油服随钻测井仪器中标准件的种类、功能和工作原理。指出接口标准化可大幅度降低结构工程师功能短节设计工作量，减少重复性工作。在标准件的管理和使用上，中海油服采用了PTC公司的产品数据管理系统WINDCHILL，可从产品开发及应用两个过程进行质量控制。标准件库由专人维护、添加和修改，能最大限度地保证其质量的一致性和使用的可靠性。企业标准件库的建设可加速科技成果转化过程，改善产品质量，形成了企业自有知识工程和专家系统，提升了企业竞争力。

标准化；随钻测井；仪器；机电接口

标准化是组织现代化生产的重要手段，其基本方法是简化、统一化、产品系列化、通用化、组合化、模块化。

随钻测井仪器设计中，根据功能短节的传输协议，总线电压，连接方式，流道转换方式以及电路板在仪器中的安装位置，确定系统中的标准件，由专门的工程师来设计并提供系统的标准件模型及产品。结构工程师遇有短节机电连接时，可选择并调用标准件模型。能节约仪器功能短节结构工程师设计时间，可形成企业自有的专家系统。随钻科研的发展，对于标准件的持续建设和更新，形成了有利于传承的知识工程[1]。可提升企业核心竞争力。

专门分工提高了标准件的一致性，使仪器主体结构及接口标准件性能都显著提高，可大大降低作业的故障率，加速科技成果的转化过程。

1 随钻测井仪器机电接口

随钻测井仪器按电路板安装位置分为：钻铤外壁嵌入结构式、钻铤内壁密封插入结构式和中心探管结构式，3种形式可以通过转换短节实现机械、电气连接及流道转换[2]。

中海油服的Drilog随钻测井系统(简称“Drilog”)井下仪器有多种功能短节，这些短节需要进行机械电气连接形成测量系统。短节功能独立，具有故障定位方便，保养维护方便，研发周期上可分阶段实施，作业时可根据需要进行组合，接入方便。2个功能短节连接时，既要保证钻铤连接可靠，内部流道合理通畅，还要确保供电和信号上下传递可靠。

功能短节间接口要首先保证内外流道一致，或平滑过渡，其次要尽量选用标准零部件，工装和工具尽量通用，以17.15 cm(64″)仪器为例，钻铤螺纹选择14.09 cn(5″)FH API螺纹，钻铤倒角后接合面直径相同，INSERT拉拔工具孔尺寸一致等。

图 1为17.15 cm(64″)DSM 参数仪，机械结构零部件自上向下由适配头、流道转换接头、电池筒、数据口堵头、电路板骨架和公滑环等组成。

图1 中控短节组成示意图（钻铤内壁密封插入结构式）

DSM参数仪由钻铤外壳和INSERT构成，该仪器向上和向下有统一的机械和电气接口。非磁钻铤外壳承受弯矩、扭矩等载荷，同时要传递钻压，提升拉力。与上下钻具形成钻井液下行通道，承受钻井液内压。INSERT与钻铤内部之间的密闭空间，用来容纳电路，有中空流道。

2 中海油服随钻仪器及机电接口形式

2.1 随钻测井系统和旋转导向钻井系统

Drilog由井下仪器和地面系统组成。二者通过钻井液实现双向通讯。上行传输通道具备最高3bps的数据遥传能力，可在钻井过程中将井下仪器工作状态和测量数据实时传输至地面；下行传输通道具备开关泵指令下传和旁通指令下传2种方式，可在钻井过程中实现对井下仪器的模式切换和参数设置，以及旋转导致钻井系统的指令下传。

Drilog井下仪器主要包括随钻测量仪DIM（MWD系统）、工程参数测量仪DSM和随钻电阻率伽马一体化测井仪ACPR组成[3]。

Welleader旋转导向钻井系统 (简称“Welleader”)，通过导向力矢量控制实现钻头姿态的快速响应，具有近钻头井斜及工具面测量能力，具备定向造斜和轨迹控制能力，能够实现井斜全自动闭环控制，并与Drilog无缝衔接，实现精准地质导向。

2.2 插接连接方式

如图2所示，MWD短节和DSM参数仪之间的连接属于插接适配连接。钻铤内部机电接口由硬连接和适配头插入对接实现[4]。

2.3 滑环连接

如图3所示，DSM短节与ACPR短节连接为滑环连接。短节之间的电气连接是通过一对公母滑环的导电环对接实现的。

图2 插接式示意图

图3 公母滑环式示意图

2.4 接口形式的选择

插接的连接方式主要部件为硬连接和适配头，硬连接内有压缩弹簧，可以提供压紧力，连接靠密封插入重合，电气连接用单芯插针。优点是现场连接方便，操作简单，缺点是增加一次流道转换，在流道转换接头附近会产生涡轮，有较强从冲蚀。

滑环连接主要由公母滑环组成，公母滑环是靠浮动插针接触，靠密封压紧，优点是内流道一致，仪器内流体平稳通过。缺点是连接复杂，需要有专门的台架。

中海油服随钻仪器设计之初，在车间能连接的部分，使用的是公母滑环的连接方式，井场连接的部分，使用的是插接的连接方式，经过陆地测试，海上测试后，逐渐改成了插接的连接方式。对于插接中冲蚀较强的地方，如喷丸，硬质合金涂层等用局部增强的方法进行增强。

3 中海油服随钻仪器标准件建设

根据标准化的协调原理[5]，规定随钻仪器机电接口的标准，使功能短节之间建立相互一致连接尺寸，对随钻测井系统的机电接口组件及其关系进行选择、设计或调整，使之达到最理想的效果。

由于功能短节的结构形式差异，中海油服随钻测井系统功能短节连接形式不同，但常用的连接件有硬连接、适配头、流道转换接头、公滑环、母滑环等。在外出作业时，根据仪器串连接和转接的不同组合情况，有时需要使用双公、双母等转换短节。

3.1 机电接口典型标准件

由系统和结构工程师一起，把仪器中标准件及常用部件辨识出来，对这些标准件（这里将随钻仪器上的通用部件与机械标准件统一定义为标准件）统一建模、制造、改进和完善。针对中海油服的随钻测井系统，把锁紧装置、适配头、流道转换接头、硬连接、公滑环、母滑环、双公短节、双母短节、流道转换短节、数据读出口及数据棒等做成标准件。标准部件在Drilog+Welleader系统中的使用情况，其功能和工作原理描述见表1。

3.2 中海油服标准件库建设

中海油服在设计中使用PTC公司的产品数据管理系统WINDCHILL，从产品开发、产品应用2个过程进行质量控制，结构工程师和电气工程师在WINDCHILL这个平台上可实现机电协调设计。

结构工程师使用CREO、UG及SOLIDWORKS进行设计和分析，WINDCHILL系统能支持2种工程软件的在线设计。把标准部件的part和assembly都做成规范模型，放在PDM系统中。

目前已经形成3大类1 165个单件和9个总成，包括连接紧固件、企业通用件、外购标准件等3类。标准件三维库由制定管理员进行统一维护、添加和修改，工程师只能调用。

标准件库具备分类查询、模糊查询、模型预览、模型信息排序等功能，模型可直接调用到装配体中，模型重要参数如PARTNUMBER、名称、描述、物料编码等随模型显示。

4 接口标准化加速产品产业化

4.1 接口标准化加速了产品产业化

标准件从PDM调用节约了结构工程师设计时间，结构工程师能更专注于主体功能，如线圈固定，电路板密封减振，电磁隔离，测量功能设计。功能短节需要机电接口标准件，设计时模型可从PDM系统直接调用。使用时，标准件产品由维保组专门制造和维护。连接仪器时，提出需要数量和规格，可直接取用。仪器测试或作业返回后，由维保组直接拆除、养护、测试备注。

4.2 机电接口标准化提升了产品质量

随钻测井仪器的标准件，除了常规机械标准件外，多为部件，由多个金属零件、插针和导线组成，涉及到接插件柔性压紧，流道转换，长度适配，总线贯通等，这些标准件要稳定可靠地工作，也需要根据实钻测试或作业结果的反馈，进行完善和修改。

中海油服随钻项目组组成专门小组，负责标准件库建设、管理和制造，对测试和作业中发现的问题进行整改，整改结果通报给专业项目组，对于常用件，可逐步演化成标准部件。这样的管理方式可有效地提高仪器出厂质量。

表1 Drilog+Welleader系统中标准件统计

2015年，Drilog随钻测井系统和Welleader旋转导向钻井系统进入商业化阶段。机电接口标准化为Drilog和Welleader系统制造和维保的质量控制体系奠定了坚实基础，有效提高了生产效率和作业成功率。随着标准库和质检体系的完毕，2016年共制造适用于21.59 cm(8″)井眼的675型Drilog仪器10串、675型Welleader仪器10串；适用于26.04cm(124″)井眼的800型Drilog仪器6串、950型Welleader仪器2串，年产值超过2亿元。制造数量是2015年的2.5倍。中海油服近3年Drilog+Welleader仪器制造数量如图4。

图4 中海油服近3年Drilog+Welleader仪器制造数量

从2014年到2017年7月底，Drilog+Welleader系统在我国陆地、渤海、东海及南海油田成功完成67井次作业。作业过程中，大多数的故障为机电接口故障，非测量故障起钻率见表2，呈逐年下降趋势。

表2 Drilog+Welleader系统作业故障率

5 结束语

中海油服的随钻测井系统逐渐形成了随钻中子、随钻密度、随钻声波、随钻电阻率、随钻伽马、随钻核磁等功能短节。在功能短节设计过程中，逐渐形成并建立标准化的机械、电气接口，以及转换短节。对随钻仪器标准件的建设和使用过程，推进了产品产业化进程。

1）机械电气接口需要进行标准化规划，形成统一的规范，避免了在研究上的重复劳动。

2）专门的工程师来设计、制造标准件，仪器连接的可靠性有保证。

3）标准件的专人维护和修改，节约了功能短节设计时间，缩短了产品设计周期。

4）随着测试数据的积累，对标准件的改进，可建立企业专有的专家库系统，从对少数工程师的依赖转为对知识工程库的倚重。

5）随钻仪器机电接口的标准化和通用化，加速了科技成果的转化过程，改善了产品质量，提升了企业竞争力。

[1]王智明,杨 旭,平海涛.知识工程及专家系统[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]邓晓清,王智明,彭劲勇.Drilog与Welleader系统的应用研究[J].煤矿机械，2017,38（6）：139-142.

[3]王智明,尚 捷,菅志军,等.SPOTE随钻测井系统的试验研究[J].承德石油高等专科学校学报,2012,14（3）:25-30.

[4]王智明，菅志军，陆庆超，等.随钻测量短节及其内部的探管总成[P].ZL 2015 2 0826317.0,2015-10-21.

[5]麦绿波.标准化原理的评论[J].中国标准化,2011(6):40-45.

According to the installation position of the circuit board,the main structure of logging while drilling(LWD)instrument can be divided into three types:the drill collar outer wall embedding structure,the drill collar inner wall sealing inserting structure and the central probe pipe structure.The working principle and service state of two kinds of electromechanical interfaces(inserting connection and male-famale slip ring connection)of the drill collar inner wall sealing inserting structure are analyzed.The basic composition and functions of the Drilog LWD system and the Welleader rotary steering drilling system of COSL and the categories,functions and working principles of the standard parts in the LWD instrument are introduced.It is pointed out that the standardizationof the interfaces can greatly reduce the workload of structural engineers in the design of functional modules and reduce repetitive work.In the management and use of standard parts,COSL uses the product data management system WINDCHILL of PTC company,the product quality can be controlled from the development and application of products.The standard parts library is maintained,added and modified by the special personnel,which can ensure the quality consistency and the use reliability of the standard parts to the maximum extent.The construction of enterprise standard parts library can accelerate the transformation process of scientific and technological achievements,improve the quality of products,form the enterprise's own knowledge engineering and expert system,and enhance the competitiveness of enterprises.

standardization;LWD;apparatuse;electromechanical interface

王智明（1969-），男，工学博士，现主要从事随钻仪器研发工作。

贾 强

2017-10-26