贝克休斯AutoTrak旋转导向指令成功率与涡轮转数配比研究

李 旭, 宋少博, 高立军, 田秀明

(大庆钻井工程技术研究院, 黑龙江大庆 163413)

除了能够在旋转状态下实现定向钻进, 旋转导向区别于常规LWD最重要的一点就是能够实现井下工具和地面系统的双向通讯：既能通过泥浆脉冲上传井下的随钻测量信息(LWD), 又能够在地面下传指令改变工具的工作状态和测量序列, 实现下传通讯[1-3]。AutoTrak旋转导向工具是贝克休斯（Baker Hughes, 美国公司）在垂直钻井系统ATKV的基础上设计研发出来, 虽然井下工具不断更新升级, 下传通讯设备却始终沿用ABPA[4]。作为下发指令的核心设备, ABPA性能稳定可靠, 但由于钻井队之间设备差异和泥浆井深等影响因素, 指令发送不成功的现象也时有发生。随钻仪器工程师在现场通常通过经验对设备参数进行设置, 这就不可避免增加了试错成本。本文以井下涡轮转数配比作为研究对象, 根据结果对参数进行反推, 以实现增加下发指令成功率的目标。

1 下行通讯模块

1.1 发送模块ABPA

旁通机构ABPA（Adjust Bypass Actuator）是贝克旋转导向下发指令调整井下工具工作状态和上传序列的关键设备, 其内部有两个带孔的碟片, ABPA实物图见图1。阀门关闭时, 即常规状态下两个阀片保持相互垂直的状态, 此时泄流面积为0。当下发指令时, BPA利用气源提供的动力, 控制阀片会错开一定的角度, 立管内的泥浆在泵压推动下从两个碟片之间孔洞错出的流道流出。分流出的泥浆通过出口管线把立管内的泥浆泄到泥浆池内, 改变钻具内的排量。

图1 ABPA实物图

贝克旋转导向系统就是通过控制ABPA阀门的开关频率和间隔时间, 使得井下工具涡轮转数发生周期性变化, 进而识别地面传输的指令信息。

1.2 接收模块BCPM

BCPM（Bi-Directional Communication and Power Module）是在工具脉冲器功能（上传井下测量信息）基础上, 研发的接收下行指令的新模块。为了让BCPM能够识别下传信息的内容, 下传的信息需要以特定结构进行编码。同时, 当BCPM成功接收到Downlink指令后, 通过13序列上传到地面系统, 确认指令信息, 形成闭环通讯。Downlink信息数据结构如下：

（1）唤醒序列Wake-Up Sequence：唤醒序列按照图2所示流程控制ABPA阀门, BCPM的涡轮转数随之发生变化。BCMP根据解码的信息识别唤醒序列, 此时Pulser开始停止向地面发送脉冲信号。

图2 唤醒序列控制流程

（2）指令Header Byte：头部字节主要分别两部分, 第一部分是指令的类型, 第二部分为奇偶校验位。

（3）数据Data：数据对应了具体的下传参数。

（4）校验Checksum：Checksum的作用是错误检测, 当Checksum监测为错值, BCPM将拒绝接收Downlink的指令。

2 涡轮转数影响因素

和普通的水力和风力叶轮类似, BCPM的涡轮发电机也是将钻井液的机械能转化为电能：钻井液通过导流定子流出后, 以一个合适角度告诉冲击涡轮转子, 转子随之高速旋转；同时在磁场的作用下, 转子旋转切割磁感线产生交流电流, 再经过整流稳压后转化为33V直流电为导向头和随钻测量工具供能。

在经验公式中, 涡轮转数和通过涡轮的实际流量、涡轮计算半径、转子出入口截面积、涡轮转子进出口处的钻井液绝对速度相关。此外, 实际影响涡轮转数的参数还有很多, 再加上诸如液流偏离、泵效等忽略的影响参数, 无法直接对涡轮转数进行线性描述。

3 信号识别和涡轮高低转数配比

BCPM模块通过涡轮的高低转数来识别下传的信号, 排量与涡轮转数成正相关, 但却不能够量化。

实际工作中通过控制手轮的圈数来调整碟片错开的角度, 达到调整泄流面积的目的。根据贝克休斯提供的手册合理的泄压量保持在20%, 8.5″井眼的手轮初始圈数为24圈, 随着井深的增加逐渐增加圈数。

施工过程中, 出现过若干次指令下发不成功的现象, 需要通过控制手轮的圈数来调整泄流面积, 根据贝克休斯提供的手册, 合理的泄压量保持在20%, 8-1/2″井眼的手轮初始圈数为24圈, 随着井深的增加逐渐增加圈数, 但却无法量化所需对比。针对这个问题, 本文对井下涡轮的转数做了数据分析, 并研究对比了发送指令成功时的解码曲线的变化规律, 总结出指令发送成功的参数配比和应对方案。

3.1 数据分析和现象描述

井下模块通过涡轮的高低转数来识别信号。虽然可以通过控制排量来控制井下涡轮转数, 但实际影响涡轮转数的参数很多, 包括泥浆密度、排量、井深, 因此无法通过排量对涡轮转数进行线性描述。

3.1.1 数据分析

观察发现, 通过直接对成功发送指令的涡轮转数进行数据分析, 可以给出涡轮转数的配比范围。统计方法为（高转速-低转数）/高转数, 其中转数的差值代表了泄压形成的波动, 只有波动在井下模块的可识别范围内, 指令才能发送成功。根据数据统计, 比值控制在0.27～0.37之间, 井下模块就能够识别下传指令。

3.1.2 解码预判

除了数据, 通过观察发送指令期间的解码界面, 也能够识别指令下传的情况。当图3标志的直线部分出现时, 表明井下BCPM模块识别到了下传指令, 控制脉冲器停止动作。实钻过程中, 可以观察直线部分出现的位置有如下情况：

图3 下传指令图

（1）出现过早, 证明当前设置泄压量可能过大, 需要减少手轮圈数, 极端情况甚至会引起序列重启。

（2）出现过晚, 证明当前泄压量可能不足, 需增加手轮圈数或进行其他调整。

3.2 解决方案

通过上述分析, 解决发送指令成功率的关键是合适的涡轮高低转数配比, 可以通过以下步骤提高成功率：

（1）观察解码界面：观察发送指令期间的解码界面, 当直线部分出现在指令后期时, 很大几率是泄压量不足。

（2）计算涡轮转数配比：下发指令成功后, 会上传此次指令涡轮的高低转数, 如果泄压比接近0.27～0.37的边缘时, 就需要调整手轮或排量。

（3）调整参数：如果泄压比值贴近0.27时可以通过增加手轮圈数或降低泵冲进行调整。

4 结论

（1）影响井下涡轮转数因素较多, 难以对涡轮转数进行定量预测。

（2）通过数据统计, 反推出贝克休斯ABPA发送指令成功的涡轮转数配比区间为0.27～0.37。

（3）现场施工时, 可以根据上返的涡轮转数配比和解码情况来判断当前手轮配比情况是否合理, 提高发送指令的成功率。