旋转导向钻井通讯与控制系统设计与软件开发

2019-02-27王炳森岳前进

钻采工艺 2019年1期

王炳森，唐达，常珍，周宇，岳前进，周佳

(1大连理工大学海洋科学与技术学院 2大连理工大学计算机科学与工程系 3盘锦辽河油田天意石油装备有限公司)

旋转导向钻井技术是现代定向钻井技术的核心技术，代表现代导向钻井技术的发展方向[1-3]。为了提高井下旋转导向工具的控制精度，旋转导向工具所需的钻井参数数量增多[4]，上下位机间通讯需传输更多的数据和信息。现今的钻井工程当中，多数选择传输稳定的钻井液为通讯传输介质，但钻井液传输存在数据传输慢、传输信号受噪声干扰而易出错的缺点[5]；另外，旋转导向系统难以实现完全的井下闭环控制，需要合理有效地地面监控系统对井下钻井工具进行导向控制[6]。为解决上述问题，需要设计高效准确的上下位机通讯协议和相应的地面监控系统。文献[7]提出了钻井液脉冲三降三升的编码方式来实现下行指令信号的传输，方法简单，但5位指令码只能表示导向力级别和工具面角两个参数；文献[8]发现钻井液脉冲下降沿的时间比上升沿短，利于检测，因此选用TA编码方式；文献[9]利用MATLAB的图形用户界面(GUI)设计了地面监控系统的主界面，直观简洁，但为多窗口形式。本文对通讯编码和地面监控系统进行了重新设计，以保证上下位机通讯高效同步和有效的地面监控。

图1 静态偏置推靠式旋转导向系统井下总成(BHA)

一、系统组成及通讯原理

通讯与控制系统基于的旋转导向设备为静态偏置推靠式导向钻井系统[10]，其井下钻具组合(BHA)如图1所示，由导向单元、随钻测量系统(MWD)、井下中控等模块组成，是实现系统导向控制和井下参数测量的硬件基础[11]。

旋转导向设备通讯与控制系统由两部分组成：旋转导向头通讯与控制系统；旋转导向MWD通讯与控制系统。旋转导向头通讯与控制系统主要用于下传控制指令、地面调试及关于导向头部分数据的处理和显示；旋转导向MWD通讯与控制系统主要对上行数据进行滤波解码，再将有关导向头的数据传输给导向头通讯与控制系统的上位机显示。两台上位机相互独立，分别进行数据的解码、传输及系统的控制。

系统通讯采用钻井液脉冲技术，即以钻井液为传输介质，通过脉冲信号实现地面与井下的通讯。在指令下传过程中，上位机发出控制指令，通过地面操控箱控制负脉冲发生器的开闭，从而控制钻井液通道内流量变化，使得旋转导向本体中的发电机频率也随之变化，解码板从变化的频率中解码，达成指令的下传；包含井眼工程参数和地质参数的信息上行过程与下传过程类似；系统测试过程通过CAN总线以有线连接的方式进行信息交换。系统中三种数据流向如图2所示。

图2 旋转导向钻井通讯与控制系统组成与数据流

二、通讯协议设计

通讯协议是完成上下位机通讯与控制的基础，考虑钻井液脉冲传输速度慢、易误码等特点，在指令编码设计时应遵循以下原则：①不同的压力脉冲波形代表不同的控制命令[12]；②在保证指令信息完整的前提下，编码长度尽量简短，以减少脉冲传输时间和出错概率；③能够在接收端对接受指令进行校验，以增加容错率。因此，采用了控制参数不同(类型或数量)时位数可变的编码形式，并在关键字节后设置固定校验位(奇偶校验或和校验)。控制指令以二进制编码的形式向下发送，具体的控制指令数据格式见表1。

(1)唤醒序列共包含四组脉冲信号，分别为8 s(开阀)—8 s(闭阀)—30 s(开阀)—8 s(闭阀)。

(2)控制系统共包含4大控制模式及其下属的16个小模式，故4位CMD模式码即可完全表示所有模式。

表1 控制指令数据格式

(3)参数序列是CMD指令中的特定参数值，不同的CMD指令所包含的参数不同，位数可变。

(4)和校验是将整条下传指令中的参数序列各位为1相加的数量和。

表2为下传控制指令的编码顺序及每条指令包含的具体参数。

表2 下传控制指令编码顺序

以指令编码“0”和“1”为例，当选择下发指令“0”时，设定参数工具面角为34°、力大小为66%，则该条指令编码为00000-00010110-10100-00101，共计23位；而当下发指令“1”时，则只需要设定工具面角一个参数，此时的指令编码为00011-00010110-00011，长度减少为18位。可见，当需要设置的控制参数减少时，所设计的通讯协议能有效缩短指令长度，减少脉冲传输时间。