喻貴民

(中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

隨著渤海油田增儲上產(chǎn)，調(diào)整井?dāng)?shù)量日益增多，同時外掛井槽及外加樁腿等使得井間距越來越小，目前部分槽口間距已由1.8 m×2.0 m縮小至1.5 m×1.7 m，進(jìn)一步導(dǎo)致井眼軌跡交碰以及鉆穿鄰井套管事故風(fēng)險增大，易造成重大事故及經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。傳統(tǒng)處理淺層防碰主要通過錯開造斜點、KEEPER陀螺復(fù)測軌跡、牙輪鉆頭過防碰段、調(diào)靶及隔水導(dǎo)管表層預(yù)斜等技術(shù)。其中KEEPER陀螺與MWD相比能有效抗磁干擾，但需要在鉆遇存在防碰風(fēng)險、無法通過井段時，使用電纜下入陀螺坐鍵于坐落接頭上，測量井眼軌跡井斜角與方位角，該方法在軌跡不確定時需要電纜下一次陀螺，得到一個單點靜態(tài)數(shù)據(jù)，不僅浪費鉆井正常時間，而且鉆桿內(nèi)拉陀螺要求井內(nèi)鉆具靜止，易造成卡鉆、井塌及溢流等復(fù)雜情況的發(fā)生[4-6]。能解決該問題的國外相關(guān)技術(shù)受到封鎖，國內(nèi)亦無成熟應(yīng)用產(chǎn)品，開展海上叢式井防碰作業(yè)只能靠租用國外儀器，服務(wù)費用高昂，容易受制于人[7]。因此“十三五”期間，筆者在陀螺隨鉆測斜系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程化研制，開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)，且適合國內(nèi)作業(yè)特點和需求的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)，并實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

通過“十二五”期間GMWD-01隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)的樣機研制，掌握了陀螺姿態(tài)測量方法、電源管理、井下狀態(tài)控制及大排量條件下信號傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，但在儀器尺寸、耐溫、耐壓和作業(yè)方式等方面與實際工況仍然存在很大差距，需要進(jìn)行大幅度的改進(jìn)才能滿足實際鉆井作業(yè)需求[8-10]。

目前國外生產(chǎn)、銷售陀螺姿態(tài)測量儀器并進(jìn)行技術(shù)或現(xiàn)場服務(wù)的代表廠商主要有Gyro Data和Scientific Drilling兩家公司。這兩家公司的產(chǎn)品代表著陀螺姿態(tài)測量產(chǎn)品的最高水平，近年來在國內(nèi)只提供服務(wù)，不進(jìn)行銷售[11]。

由于隨鉆陀螺應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)為軍工技術(shù)，國外擁有隨鉆陀螺的公司對國內(nèi)禁售，國內(nèi)僅有具備軍工背景的石油高端儀器制造商具備其研制條件。目前國內(nèi)航天慣性公司在陀螺測井領(lǐng)域一直持續(xù)進(jìn)行隨鉆陀螺的研究，該公司同時擁有自主研發(fā)的MWD系統(tǒng)，產(chǎn)品布局完整，具備獨立研制隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)的實力。

隨鉆陀螺測斜儀為集電氣、機械、液壓及慣性技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其研究存在諸多難點，主要體現(xiàn)在適應(yīng)鉆井環(huán)境的慣性傳感器研制、高精度的姿態(tài)測量自尋北技術(shù)、液壓脈沖信號編制及發(fā)生技術(shù)、鉆井環(huán)境下動態(tài)軌跡測量技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)難點。

2 隨鉆陀螺系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)由井下系統(tǒng)(見圖1)和地面儀器兩部分構(gòu)成[12]。地面儀器主要由主機(室內(nèi))和工具面指示器(野外)組成。井下儀器中整個系統(tǒng)的核心為探管，其通過內(nèi)部慣導(dǎo)器件(高精度光纖陀螺儀和高品質(zhì)石英撓性加速度計)的羅經(jīng)效應(yīng)，感應(yīng)地球的自轉(zhuǎn)角速度和重力加速度，獲得井眼坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的姿態(tài)角度。井下系統(tǒng)通過姿態(tài)測量短節(jié)測量井眼軌跡參數(shù)，軌跡參數(shù)等信息通過脈沖發(fā)生器以鉆井液壓力脈沖形式傳遞到地面，地面儀器將井眼軌跡信息進(jìn)行準(zhǔn)確解碼、處理、顯示，為司鉆提供鉆進(jìn)姿態(tài)參數(shù)指示，為鉆井決策提供依據(jù)，實現(xiàn)軌跡精確控制。

1—脈沖器；2—連接筒；3—陀螺探管；4—電池；5—磁性探管；6—電池開關(guān)。圖1 隨鉆陀螺測斜儀井下系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of gyro-while-drilling downhole system

2.2 傳感器小型化研制

傳感器包括陀螺儀、石英撓性加速度計、精密編碼器、步進(jìn)電機、精密導(dǎo)電滑環(huán)、壓力傳感器等主要傳感器。其中，陀螺儀和石英撓性加速度計為該系統(tǒng)的核心傳感器。

針對陀螺儀轉(zhuǎn)子小型化設(shè)計需求，國內(nèi)首次采用薄壁轉(zhuǎn)子磁滯電機技術(shù)，研制了外徑僅14.4 mm的微型轉(zhuǎn)子，如圖2所示。通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子熱處理工藝及外殼材料優(yōu)選，提高了磁性能及啟動力矩；完成了橋電路小型化設(shè)計，如圖3所示。橋電路耐溫125 ℃，最大外徑小于16 mm。

圖2 轉(zhuǎn)子組件Fig.2 Rotor assembly

圖3 橋電路Fig.3 Bridge circuit

針對陀螺儀撓性接頭抗振設(shè)計，首次采用十字細(xì)頸撓性接頭技術(shù)，接頭抗沖擊性能達(dá)到750g，抗隨機振動性能為25g，比傳統(tǒng)圓孔細(xì)頸撓性接頭的力學(xué)性能提高3.7倍。十字細(xì)頸撓性接頭應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 十字細(xì)頸撓性接頭應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress distribution of cross-neck flexible joint

針對陀螺儀力矩器進(jìn)行了優(yōu)化，首次采用低溫度系數(shù)力矩器技術(shù)，標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)降低至40.8×10-6/℃。采用軸向單磁鋼和軸向線圈設(shè)計，實現(xiàn)了小體積大力矩，完成了力矩器線圈的彎形和粘接工藝方法研究。軸向力矩器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軸向力矩器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of axial torque device

陀螺儀整體包含表頭(見圖6)和控制電路。表頭由轉(zhuǎn)子組件、傳感器力矩器組件、驅(qū)動組件和橋路板等組成。研制的陀螺儀外形尺寸為?19 mm×22 mm，為國內(nèi)同類產(chǎn)品中最小尺寸。

圖6 陀螺儀表頭Fig.6 Gyroscope head

2.3 自尋北技術(shù)

自尋北技術(shù)通過測量地球自轉(zhuǎn)角速度及其分量來確定方位，其優(yōu)點是每個測點上的方位測量都獨立，無累積誤差[13]。進(jìn)行隨鉆陀螺儀自尋北技術(shù)的研究需先進(jìn)行自尋北技術(shù)算法的研究，做如下假設(shè)：

m=Ωcosφ(cosψcosθcosγ+sinψsinγ)+

Ωsinφsinθcosγ

(1)

n=-Ωcosφ(cosψcosθsinγ-sinψcosγ)-

Ωsinφsinθsinγ

(2)

p=gsinθcosγ

(3)

q=-gsinθsinγ

(4)

則方位角的計算公式為：

a=(np+mq)cosθ=-Ωgcosφsinθcosθsinψ

(5)

b=mp-nq-Ωgsinφsin2θ=

Ωgcosφsinθcosθcosψ

(6)

設(shè)cosθ>0，則有：

(7)

式中：θ為傾斜角，(°)；Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，rad/s；φ為方位角，(°)；γ為工具面角，(°)；g為重力加速度，m/s2。

本文基于“編碼器+陀螺儀”組合識別閉環(huán)控制技術(shù)，實現(xiàn)精確快速轉(zhuǎn)位控制，轉(zhuǎn)位時間縮短?；诹闼傩拚目柭鼮V波算法，實現(xiàn)快速識別傳感器常值漂移誤差，并用于解算誤差補償，提高系統(tǒng)測量精度。自尋北技術(shù)原理如圖7所示。

圖7 自尋北技術(shù)原理Fig.7 Principle of north-seeking technology

2.4 電池包設(shè)計

利用1組鋰電池(每組8節(jié)，每節(jié)3.6 V)組合設(shè)計電池組，為井下儀器供電。為了延長供電時間，在系統(tǒng)連接后，電池包不立即供電，需要在系統(tǒng)工作的時候才進(jìn)行供電，因此設(shè)計了特殊開關(guān)，如圖8所示，該開關(guān)同時起到定心、緩沖和減震的作用，采用防誤插的接插件，方便現(xiàn)場操作并具備良好的密封性。通過現(xiàn)場測試，系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)時間達(dá)到150 h，遠(yuǎn)超國內(nèi)外同類產(chǎn)品的續(xù)航能力。

圖8 電池包開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of battery pack switch structure

3 試驗測試

為了測試隨鉆陀螺儀的穩(wěn)定性和可靠性，對其抗振性能、抗沖擊性能及耐高溫性能進(jìn)行了試驗測試。

3.1 抗振性能試驗

針對研制的隨鉆陀螺儀進(jìn)行了抗振性能試驗，試驗圖片如圖9所示。試驗振動測試量級為24.87g(隨機振動，振動時間15 min)。

圖9 隨鉆陀螺儀振動測試圖片F(xiàn)ig.9 Vibration test picture of gyro-while-drilling

隨鉆陀螺儀振動試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 振動試驗數(shù)據(jù)Table 1 Vibration test data

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，TN-10隨鉆陀螺儀敏感軸輸出在振動前后數(shù)據(jù)變化量滿足合格判據(jù)的要求，隨鉆陀螺無機械損傷，這說明陀螺儀滿足使用要求。

3.2 抗沖擊性能試驗

為驗證隨鉆陀螺儀的抗沖擊性能，對陀螺儀進(jìn)行了抗沖擊試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 沖擊試驗數(shù)據(jù)Table 2 Impact test data

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，TN-10隨鉆陀螺儀敏感軸輸出在沖擊前后數(shù)據(jù)變化量滿足合格判據(jù)的要求，陀螺無機械損傷，這說明陀螺儀滿足使用要求。

3.3 耐高低溫性能試驗

根據(jù)現(xiàn)場條件，溫度測試范圍為-20～125 ℃，高、低溫度點的保溫時間2 h，溫升的變化斜率為3 ℃/min、溫降變化斜率為1 ℃/min；被測儀器在升溫和保溫階段通電測試、在降溫階段不通電；試驗共進(jìn)行了10個循環(huán)工作過程。試驗結(jié)果表明，每個組件產(chǎn)品經(jīng)過10個循環(huán)均能正常工作，無故障。

4 唐71-46井現(xiàn)場應(yīng)用

該井為冀東油田一口開發(fā)井，距離渤海海岸2.0 km，目的層位于館陶組，設(shè)計井深1 419 m，實鉆井深1 390 m，最大井斜39°，一開?311.2 mm設(shè)計鉆進(jìn)至401 m，374 m起鉆，二開?215.9 mm井段鉆進(jìn)至1 390 m完鉆。

井下測井儀器串包括：打撈頭+扶正器+陀螺方位短節(jié)+扶正器+電池短節(jié)+扶正器+MWD短節(jié)+扶正器+鉆井液脈沖發(fā)生器，其中電池短節(jié)為井下儀器供電，陀螺方位短節(jié)可測量井斜和方位，測量數(shù)據(jù)可與MWD對比校正以驗證其準(zhǔn)確性，為了盡量避免影響現(xiàn)場生產(chǎn)井正常鉆井作業(yè)，此次試驗打撈頭、扶正器、MWD短節(jié)、鉆井液脈沖發(fā)生器由井隊提供，試驗只提供陀螺方位短節(jié)和電池短節(jié)，儀器外徑48 mm，隨鉆陀螺探管長度2.03 m。

2020年10月17日20：00，隨鉆陀螺儀一開入井，18日上午9：00鉆進(jìn)至374 m出井，一開入井時間共計13 h，入井后儀器工作正常，信號傳輸正常，一開過程無復(fù)雜情況發(fā)生。

10月20日2：00，隨鉆陀螺儀二開入井，22日上午6：00鉆進(jìn)至1 390 m出井，二開入井時間共計52 h，入井后儀器工作正常，信號傳輸正常，二開過程無復(fù)雜情況發(fā)生。

二開隨鉆過程共進(jìn)行8次陀螺隨鉆數(shù)據(jù)測試，每次測試需停泵5 min，并且保持井下鉆具靜止，然后開泵傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率0.5 bit/s，為盡量保證現(xiàn)場生產(chǎn)井正常定向作業(yè)，設(shè)置傳輸序列時，將隨鉆陀螺數(shù)據(jù)設(shè)置在最后，保證開泵時優(yōu)先傳輸MWD數(shù)據(jù)。開泵后約10 s，地面接收到井下信號并進(jìn)行同步，大約8 min后開始傳輸陀螺隨鉆數(shù)據(jù)。MWD數(shù)據(jù)與GMWD數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 隨鉆陀螺測試數(shù)據(jù)對比表Table 3 Comparison of gyro-while-drilling test data

與MWD相比井斜差值在0.04°～0.10°之間，方位差值在1.13°～2.00°之間，精度設(shè)計符合要求，但還有一定需完善之處，不排除MDW本身誤差及MWD與陀螺短節(jié)之間存在2 m電池短節(jié)造成的誤差。另外，此次儀器入井65 h，電池供電作業(yè)正常。

國產(chǎn)隨鉆陀螺儀在冀東油田唐71-46井實際應(yīng)用中測量井斜誤差小于0.1°，方位誤差小于2.0°，隨鉆測斜精度堪比電纜陀螺精度，儀器信號傳輸平穩(wěn)，目前井下隨鉆時間長達(dá)65 h，隨鉆深度深達(dá)1 390 m。隨鉆陀螺儀下一步將在渤海油田推廣應(yīng)用，必將成為鉆井井眼軌跡的新式防碰利器。

5 結(jié) 論

(1)針對電纜陀螺在海上軌跡防碰測量中的局限性問題，分析了隨鉆陀螺在軌跡測量中的優(yōu)勢，指出了隨鉆陀螺國產(chǎn)化的研究方向。

(2)完成了傳感器小型化設(shè)計，為國內(nèi)同類產(chǎn)品最小尺寸。系統(tǒng)綜合應(yīng)用“編碼器+陀螺儀”組合識別閉環(huán)控制技術(shù)、基于零速修正的卡爾曼濾波算法、自尋北技術(shù)以及電源智能管理技術(shù)，連續(xù)作業(yè)時間長達(dá)65 h。

(3)隨鉆陀螺儀在冀東油田唐71-46井的實際應(yīng)用中，測量井斜誤差小于0.1°，方位誤差小于2.0°。該隨鉆陀螺儀隨鉆測斜精度堪比電纜陀螺精度，儀器信號傳輸平穩(wěn)，應(yīng)用效果良好，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。