楊春旭，王瑞和，韓來聚，薛啟龍，劉慶龍

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島266580；2.勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營257017；3.中國地質(zhì)大學（北京）工程技術學院，北京100083）

旋轉導向鉆井技術作為一項尖端自動化鉆井新技術，代表了當今世界鉆井技術發(fā)展的最高水平。這項技術已經(jīng)成為復雜超深定向井和大位移水平井使用的必備技術，近年來發(fā)展迅速[1-4]。該技術在應用過程中由于鉆具受到的摩擦阻力與扭轉阻力小，具有良好的井眼清洗能力；鉆出的井眼軌跡光滑，位移延伸能力強，運行效率高，有利于后續(xù)施工作業(yè)和降低作業(yè)風險，適用于難井和特種油藏，因此被譽為鉆井技術的一場革命。當前世界上許多公司已經(jīng)實現(xiàn)自有旋轉導向系統(tǒng)的研發(fā)并進行了現(xiàn)場測試和應用。其中Baker Hughes、Schlumberger 和Halliburton三家公司的產(chǎn)品較為成熟，被市場廣泛認可。在市場上已應用的系統(tǒng)中，井下旋轉導向執(zhí)行工具作為旋轉導向鉆井系統(tǒng)的核心，其工作機制是基于偏置單元分別偏置鉆頭或鉆柱，以產(chǎn)生制導力。旋轉導向系統(tǒng)根據(jù)導向方式可分為鉆頭推靠式和鉆頭指向式兩種類型，根據(jù)偏置機構的工作方式可以分為靜態(tài)偏置和動態(tài)(或調(diào)制式)偏置兩種類型。靜態(tài)偏置型是指在鉆井過程中執(zhí)行機構不與鉆柱一起轉動，側向推靠力穩(wěn)定在固定方向；動態(tài)偏置是指執(zhí)行機構在鉆井過程中與鉆柱一起旋轉，并通過控制系統(tǒng)在特定位置和時間推出，從而提供導向力[4-7]。

為打破國外技術壟斷，有效降低鉆井成本，中國石化勝利油田鉆井技術研究院自“九五”以來開始研究旋轉導向鉆井系統(tǒng)?！笆晃濉逼陂g，實現(xiàn)捷聯(lián)自動垂直鉆井系統(tǒng)自主研發(fā)[8-10]。在此研究成果基礎上，“十二五”期間，對捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)進行了深入理論研究并開發(fā)了用于?215.9 mm 井眼的捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)，且完成4 口井的現(xiàn)場試驗，對鉆井液性能依存度低，取得了良好的應用效果，為進一步改進工具和現(xiàn)場試驗奠定了基礎[11-15]。

1 捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)研制

1.1 總體工作方案設計

捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)分為井下系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。井下系統(tǒng)主要包括捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺、導向執(zhí)行機構、測量和雙向通訊模塊等。根據(jù)生產(chǎn)需要，還可以增加工程參數(shù)以及地質(zhì)參數(shù)等模塊。地面系統(tǒng)主要包括地面數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、監(jiān)控中心及下傳指令發(fā)生裝置等。工作原理基本結構框圖如圖1所示。

從圖1 中可以看出，捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)具有信號測量、工具可調(diào)、井下閉環(huán)控制、地面檢測等特點，其中捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺及導向機構是系統(tǒng)的核心部件。該系統(tǒng)能按照預先設定或所需的井眼軌跡，例如直井、定向井、水平井等三維空間軌跡，根據(jù)測量信息自動控制井下工具。

測量及上傳通訊系統(tǒng)，將所測得的井眼軌跡數(shù)據(jù)和其它工程、地層參數(shù)通過泥漿脈沖信號上傳至地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，地面采集系統(tǒng)將泥漿脈沖信號處理成數(shù)字信號并將其發(fā)送到監(jiān)控中心。 監(jiān)控中心通過輸入井眼軌跡數(shù)據(jù)，計算實鉆井眼軌跡，和設計軌道進行對比分析，如需調(diào)整旋轉導向工具工作模式，可將預先編制好的指令編碼通過改變泥漿排量的方法下傳至捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺，穩(wěn)定平臺中的測量和控制部分是一個測量控制單元，可以實時檢測這一系列變化并解析為脈沖序列，以此實現(xiàn)指令的脈沖編碼及下傳。同時，解析后的脈沖序列被相應的處理，得到相應的控制指令，控制井下執(zhí)行機構。控制導向翼肋在穩(wěn)定的工具面實時伸出，對井壁施加推靠力，從而實現(xiàn)對井眼軌跡的實時控制。為了確保旋轉導向鉆井過程的安全，地面系統(tǒng)實時跟蹤和監(jiān)控井下系統(tǒng)的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，就能馬上在地面調(diào)整鉆井參數(shù)進行干預，地面監(jiān)控中心實際為計算機仿真系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r監(jiān)測井下工況的同時模擬軌跡控制過程。

圖1 捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of the strapdown auto vertical drilling system

1.2 系統(tǒng)結構及原理

捷聯(lián)式旋轉導向鉆井工具的執(zhí)行機構主要包括：捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺和導向執(zhí)行機構兩大部分,如圖2 所示。

圖2 捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)執(zhí)行機構示意Fig.2 Schematic diagram of the strapdown auto vertical drilling system’s actuator

其中系統(tǒng)的主要核心是捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺,由跟隨鉆柱旋轉的測控短節(jié)、電源短節(jié)和電機控制短節(jié)組成。研制的捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)采用動態(tài)推靠方式實現(xiàn)了鉆進過程中的造斜和扭方位,在穩(wěn)定平臺的控制下，電機控制短節(jié)驅(qū)動導向執(zhí)行機構中的盤閥轉動，控制分流的鉆井液,鉆井液通過內(nèi)外壓差驅(qū)動翼肋推靠井壁,產(chǎn)生鉆頭的側向推靠力,實現(xiàn)了主動的造斜功能。

1.3 主要結構單元和控制技術

1.3.1 捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺 以慣性和磁性傳感器組合測量為信息來源，由三軸加速度計估算鉆鋌的井斜角范圍，以徑向陀螺角速率信號和徑向磁通門信號的微分為依據(jù)提取鉆鋌旋轉速度信息，按照不同速度范圍，選擇不同的捷聯(lián)算法，尤其是選擇不同的濾波器以濾除加速度計上的噪聲，結合測量系統(tǒng)的誤差模型和最優(yōu)估計算法得出鉆鋌的實時姿態(tài)信息[8]。

捷聯(lián)算法數(shù)據(jù)流程如圖3 所示。由圖3 可知，加速度計、陀螺角速度傳感器所測慣性量與磁通門所測磁性量均可用來提取鉆鋌姿態(tài)信息，但在以上傳感器均工作于理想狀態(tài)時，存在大量冗余數(shù)據(jù)，當鉆井姿態(tài)處于極限情況時，必須有選擇的使用以上測量數(shù)據(jù)，從而保證旋轉導向鉆井所需要的鉆鋌姿態(tài)參數(shù)的高可靠性。

圖3 捷聯(lián)算法流程Fig.3 Flow chart of strapdown algorithm

鉆具處于連續(xù)轉動時的算法主要基于相敏整流原理，將等時間間隔采樣的信號進行重采樣，轉換為關于磁工具面角的等角度間隔的采樣信號，然后沿磁工具面角對整周期信號積分，解算出井斜和方位角。當鉆具處于連續(xù)轉動時，相關積分具備較好的濾波特性，除非特殊情況，磁性工具面角可準確獲得，方可作為積分變量。假設重力加速度為G，地球磁場強度為B。Gx、Gy、Gz分別代表三軸加速度傳感器在x、y、z 軸的信號分量，Bx、By、Bz是三軸磁通門在x、y、z 軸信號分量；則關于磁工具面角TM進行整周期積分可得連續(xù)旋轉條件下的井斜角I 和方位角A計算公式[11]：

當然，采用式（1）、（2）計算時，還要采用多源數(shù)據(jù)融合和誤差模型，將傳感器的噪音信號進行濾波[12]，才能得到動態(tài)的姿態(tài)信息。

1.3.2 伺服控制技術 旋轉導向系統(tǒng)的捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)相當于一個位置伺服系統(tǒng)，其干擾來自于負載的擾動，比如流體壓力波動、鉆鋌轉速的波動等，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，保證控制系統(tǒng)在動態(tài)運動過程中的穩(wěn)定性，采用了三環(huán)（位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)）控制結構方案，如圖4 所示。最外環(huán)為位置環(huán)，相對轉角指令即為定轉子之間位置角度的給定，由旋轉變壓器測得相對轉角位置，位置環(huán)的偏差經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器會得出速度環(huán)的給定，轉速的反饋則由位置反饋的差分得到。速度環(huán)的偏差經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器得出電流環(huán)的給定。電流環(huán)的反饋由霍爾電流傳感器測得，電流偏差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器得出功率變換器的占空比，進而實現(xiàn)對電機的穩(wěn)定控制。

圖4 導向模式下穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)Fig.4 Block diagram of stable platform control system under guidance mode

當穩(wěn)定平臺轉到鉆進模式運行時，相當于一個速度伺服控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)流程如圖5 所示，其干擾來也自于負載的擾動，比如流體壓力波動、鉆鋌轉速的波動等。

1.3.3 導向執(zhí)行機構 導向執(zhí)行機構主要由液壓盤閥分配系統(tǒng)、推靠執(zhí)行機構等組成。工作原理類似于斯倫貝謝的PowerDrive 系統(tǒng)，推靠執(zhí)行機構工作時鉆井液流經(jīng)活塞機構噴嘴，產(chǎn)生一定的壓力降，推動活塞向外運動，從而推動翼肋推靠機構向外伸出，推靠井壁，產(chǎn)生一定大小、方向的推靠力，使鉆頭產(chǎn)生側向?qū)蛄13-14]。導向機構控制系統(tǒng)如圖6所示。

1.3.4 信號上傳系統(tǒng) 捷聯(lián)式旋轉導向鉆井井下工具對上傳系統(tǒng)進行了優(yōu)化，主要內(nèi)容包括通過優(yōu)選高溫電子元器件，增加電子器件保護措施，預期工具可實現(xiàn)在150 ℃的井下正常工作，從而增強了上傳系統(tǒng)高溫性能；通過研發(fā)工作性能更穩(wěn)定、可靠性更高、操作更方便的旋轉閥式正脈沖上行通訊系統(tǒng)，提高了工具在深井中的信號傳輸能力和測量的實時性。

圖5 鉆進模式下穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of stable platform control system in drilling mode

圖6 導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)Fig 6 The control block diagram of guide actuator

1.3.5 信號下傳系統(tǒng) 設計采用“自上而下”的單工串行異步通信方式，開發(fā)出了一套采用改變鉆井液排量產(chǎn)生脈沖信號的下傳編碼方式，編碼以正常排量為基準，將檢測點定在兩個排量之間；編碼方式下傳數(shù)據(jù)容量大，不影響正常鉆進。

參數(shù)指令編碼用于表示地面系統(tǒng)向井下旋轉導向鉆井工具發(fā)送的控制參數(shù)，其所傳遞的信息是用于控制井下旋轉導向鉆井工具井眼軌跡的重要根據(jù)。將單位鉆進周期中導向力持續(xù)時間平均分為三個量級：100%、67%、33%。分別代表在單位鉆進周期中導向力發(fā)揮作用的持續(xù)時間，通過它來控制造斜率和狗腿度。整個下傳指令編碼一共有49 個檔位，對應49 條參數(shù)指令編碼，如圖7 所示。

1.3.6 地面系統(tǒng) 地面監(jiān)控系統(tǒng)是捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)必不可少的部分。它是控制人員隨時掌握和了解井下井眼軌跡控制情況、井下工具工作狀況以及系統(tǒng)是否能完成待鉆井眼鉆井的核心部分。

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要是指地面分析模擬系統(tǒng)，可用于完成鉆井工程總體設計，并實時監(jiān)測井下鉆井系統(tǒng)實際工作狀況、能力、效果，并進行分析、預測，從而形成調(diào)整決策指令。系統(tǒng)主要分為井眼軌跡控制實時模擬系統(tǒng)、鉆井設計與檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)三部分。

圖7 指令編碼Fig .7 Code Diagram of Instruction

1.3.7 旋轉導向鉆具力學模型 下部鉆具組合(如圖8 所示)可視為縱橫彎曲梁柱，左端為鉆頭，右端為切點，由n-1 個穩(wěn)定器、變截面和接觸點分割成n 個獨立結構單元，處于三維彎曲井眼里，受自重、鉆壓、扭矩、井壁支撐反力及鉆井液靜水壓力等作用，產(chǎn)生空間彎曲變形。

對于第i 段鉆柱，該段鉆柱上端井眼軸線坐標用roi=Xie1+Yie2+Zie3表示；鉆柱軸線用ri=Uie1+Vie2+Wie3表示；鉆柱的內(nèi)力用Fi=Fxie1+Fyie2+Fzie3表示；單位長度鉆柱上的外力用hi=qik表示；鉆柱的內(nèi)力矩用Mi表示；鉆柱的抗彎剛度用EiIi表示，鉆柱的扭矩用Mti表示。通過平衡方程、本構方程和假設條件，推導出導向鉆具三維小撓度靜力分析微分方程組。

式中，l 為沿鉆柱軸線的曲線坐標，以i 段鉆柱的底端為起點,m；Ei為i 段鉆柱的彈性模量，MPa；Ii為i 段鉆柱的截面慣矩,mm4；Mti為i 段鉆柱所受扭矩，i＝1時為鉆頭扭矩, N·m；鉆頭扭矩可以通過扭矩測量儀測得；如果沒有測量儀，可以用經(jīng)驗公式計算；qi為i段鉆柱在鉆井液中的線重度，N/m；αi為i 段鉆柱所在井段的井斜角，rad；Ui為i 段鉆柱在x 方向的位移或坐標,m；Vi為i 段鉆柱在y 方向的位移或坐標,m；Bi為i 段鉆柱下部z 方向的壓力，壓為正，i＝1 時為鉆壓，N；Lj為j 段鉆柱的長度，m；Nj為j 個穩(wěn)定器與井壁的接觸壓力，N；f 為穩(wěn)定器與井壁的摩擦系數(shù)；v 為鉆 速,r/min；ω 為 鉆 柱 自 轉 角 速 度，rad；Dw為 井徑，m。

圖8 下部鉆具示意Fig.8 Diagram of BHA

2 地面測試技術

為了實現(xiàn)捷聯(lián)式旋轉導向工具造斜方位角、造斜力大小以及雙向通訊系統(tǒng)的地面模擬測試，研制了流體仿真測試平臺，如圖9 所示，檢驗其造斜系統(tǒng)的工作狀態(tài)及造斜能力。

通過該測試平臺可對旋轉導向推靠機構的導向力進行室內(nèi)測試（見圖10），試驗中入口壓力設定為5 MPa，出口壓力穩(wěn)定在2 MPa 左右，采用水代替鉆井液進行測試，排量25 L/s，采樣頻率100 Hz。每0.1 s 提取一個數(shù)據(jù)點，提取了30 s 內(nèi)三個導向翼肋工作狀態(tài)下的所測導向力大小數(shù)值，可以看出，導向翼肋1 的導向力約為12.5 kN，導向翼肋2 的導向力約為11 kN，導向翼肋3 的導向力約為13 kN?？梢姰敼ぞ邏毫禐? MPa 時，導向力均能達到11 kN 以上，部分數(shù)據(jù)點最大能達到14 kN，與設計相符，可滿足使用要求。

圖9 地面流體仿真測試平臺示意Fig .9 Schematic Diagram of Ground Fluid Simulation Test Platform

圖10 導向力室內(nèi)測試Fig.10 Indoor test of Guide Force

3 現(xiàn)場試驗

自2012 年12 月起在勝利油田內(nèi)部開展了現(xiàn)場試驗，累計完成了4 口井，試驗參數(shù)如表1 所示。通過現(xiàn)場試驗，進一步檢驗了工具系統(tǒng)的導向能力大小、工具面的準確性和工具的可靠性。同時，對于配合捷聯(lián)式旋轉導向工具的鉆頭的優(yōu)選、底部鉆具組合的優(yōu)化、鉆井參數(shù)的優(yōu)選等配套工藝有了一定的認識和積累，試驗中獲得了大量第一手的寶貴資料，為下一步的全系統(tǒng)試驗及關鍵單元改進優(yōu)化提供了基礎。工具下井接受的檢驗時間最長的井是H31-X162 井，工作時間達102 h。工具單次下井進尺最長為212.37 m，工具初步表現(xiàn)出一定的可靠性。

其中H31-X162 井，第1 套工具為增斜鉆進，設置工具內(nèi)部目標井斜15.57°，目標方位為既定方位。工作井段為1 265.00～1 322.26 m，進尺57.26 m，工具井下工作時間10 h，純鉆時間6 h。工具下井前，井隊采用動力鉆具增斜鉆進，井底1 260.24 m 處，井斜11.5°（如圖11 所示），方位50.1°。工具下井后，井斜持續(xù)穩(wěn)定增加，方位穩(wěn)定，1 298.17 m 處，井斜15.2°，方位50.3°，工具在井下工作10 h，井斜以10（°）/（100 m）左右穩(wěn)定增加，方位穩(wěn)定，達到工具設定指標。

表1 旋轉導向鉆井系統(tǒng)試驗統(tǒng)計Table 1 Test statistics of rotary steering drilling system

圖11 H31-X162 井旋轉導向工具工作井段井斜Fig.11 H31-x162 well rotary guide tool working interval deviation

3.1 旋轉導向系統(tǒng)的指令下傳系統(tǒng)和工具面的控制精度

在3-9-X160 試驗中，如圖12 所示，下傳指令發(fā)電機接收排量變化電壓波形曲線，其波峰超過高電壓識別閾值，波谷低于低電壓識別閾值，波形上升沿及下降沿時間寬度小于指令接收設置閾值20 s，指令接收及譯碼成功。

圖12 下傳指令發(fā)電機接收排量變化電壓波形曲線Fig.12 The voltage waveform curve of the downward instruction generator receives displacement change

如圖13 所示，下傳指令設定盤閥工具面角為135°，在旋轉情況下，盤閥工具面角基本控制在130°～140°，控制精度基本在10°以內(nèi)。因此，盤閥工具面角的控制精度滿足導向要求。

圖13 設定盤閥工具面角和實測工具面角對比Fig.13 The contrast of the set disc valve tool face angle and measured tool face angle

3.2 旋轉導向系統(tǒng)的軌跡控制能力

在完成的4 口井的試驗中，試驗井斜角在10°～30°。采用的鉆具組合為：

?215.9 mm 鉆頭+?177.8 mm 旋轉導向工具+? 206 mm 欠尺寸扶正器＋?127 mm 無磁鉆桿+MWD短節(jié)＋?127 mm 加重鉆桿+?127 mm 鉆桿。

鉆井參數(shù)：鉆壓60～100 kN，排量30 L/s，轉速60～80 r/min。

在3-9-X160 井中最高狗腿度達到了6.47（°）/（30 m），部分井段狗腿度能達到3（°）/（30 m）左右。工具初步具備了一定的井眼軌跡控制能力。但是，造斜能力不穩(wěn)定，需要進一步優(yōu)化內(nèi)部結構和底部鉆具組合，提高鉆頭側向力，提高工具軌跡控制能力。

4 結論及建議

勝利油田捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)經(jīng)過“十二五”期間的技術攻關與試驗，在捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺、導向執(zhí)行機構、測量和雙向通訊模塊方面都取得了很大的進步。

（1）捷聯(lián)式旋轉導向鉆井系統(tǒng)主要由捷聯(lián)式穩(wěn)平臺和導向執(zhí)行機構組成,其中捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺為系統(tǒng)核心。在穩(wěn)定平臺的控制下, 伺服短節(jié)驅(qū)動導向執(zhí)行機構中的盤閥對過流的鉆井液進行控制。利用活塞驅(qū)動翼肋推靠井壁, 鉆頭產(chǎn)生側向力, 實現(xiàn)了實時導向功能。

（2）通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，捷聯(lián)式旋轉導向系統(tǒng)已經(jīng)成功實現(xiàn)了井眼軌跡參數(shù)測量及上傳，地面指令的下傳，并且捷聯(lián)式穩(wěn)定平臺根據(jù)接受的下傳指令可有效控制導向執(zhí)行機構，實現(xiàn)導向功能。實現(xiàn)了實時測量、雙向通訊和控制導向三大主要功能。

（3）工具的部分關鍵結構件磨損快，比如旋轉磁場式發(fā)電機轉子表面易磨損，導向執(zhí)行機構使用易磨損、壽命短，需要進一步優(yōu)化設計結構，開展針對性的試驗進一步提高可靠性。

（4）目前所試驗的井中，部分井段造斜能力達到了設計要求，但是造斜能力受底部鉆具組合、鉆頭類型、鉆井參數(shù)、地層特性等因素影響大，需要在今后的試驗中不斷探索完善。