国产化互联互通旋转导向系统首次应用实践

2021-03-22徐光达李兆亭

石油化工应用 2021年2期

郑超，李进，张鑫，徐光达，李兆亭，王攀

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300459）

我国自主研发的D+W 旋转导向系统是基于Welleader 旋转导向工具及Drilog 随钻测斜、测井工具组合而成的造斜工具系统，具有造斜效率高，近钻头测斜数据准确，轨迹控制精准等技术优势[1]。适用于常规定向井、大斜度井及水平井等多种井型。基于互联互通技术的第二代D+W 系统解决了传统系统暴露的数据传输速率低、解码易失真等问题，大大提高了钻井作业效率。并适用于包扩深井、复杂井在内的渤海各井型钻井作业，应用前景更加广泛。本文对该系统首次现场作业进行分析，结合该工具现场应用，从多角度进行分析，最终探索出该系统在水平段同层侧钻作业中的最佳应用参数，以期对后续应用该系统提高作业时效提供参考。

1 D+W 互联互通系统

对旋转导向随钻测井工具而言，指令的传达及响应情况直接决定了井下工具能否按照工程需要进行调整，进而按照设计轨迹实施有效钻进，除去工具本身的机械性能外，指令发送及响应情况是评价一套旋转导向随钻测井系统科学性的“硬指标”。而D+W 互联互通工具相比原系统最大的进步正是集中于数据传输方面。

D+W 互联互通系统由地面系统及井下仪器系统两部分组成[2]，地面部分包括SARAII 与IDEAS 两个技术单元。当井下测斜、测井数据向上传达时，由SARAII采集泥浆压力、泵冲、深度及其他信号，实时数据解码。再通过网络传给IDEAS，由IDEAS 完成曲线绘制，出图；当需要下传指令时，采取BPA 立管分流器进行立管泥浆分流，使得井下涡轮发电机转子转速按一定规律进行变化，从而实现地面指令的编码。井下仪器BCPMII 中的涡轮发电机检测并解读分流脉冲信号，编码为1039 数据协议，并将数据传送给互联互通短节（ABC），互联互通短节中控芯片对BCPMII 数据进行编码转换，进一步转码为COSL Welleader 将信号电流升压，加固信号质量，将指令信号传递给旋转导向工具，从而实现地面对旋转导向工具的精确控制（见图1）。

2 Welleader 工具造斜原理及导向力合成

图1 ABC 互联互通短节原理示意图

Welleader 是一种推靠式的旋转导向工具[3]，主要由芯轴与外部套筒两大部分组成，二者通过上、下两个轴承连接。在井下作业期间，工具芯轴与钻具同步旋转，而外部套筒因轴承的转动而与内部芯轴保持反向相对运动，进而实现与井壁的近似相对静止。同时芯轴部分的电子单元将指令信号进行解码，控制液压系统工作，分别撑起三个在工具切面上互呈120°的肋板，定向钻进模式下，三个肋板分别以不同角度张开，以P1、P2、P3 三个压力作用于井壁，在相反方向受到F1、F2、F3 三个反向支撑力，对三个反作用力矢量进行求和，即可得出导向力的大小及方向。对此求和过程进行逆推编程，即可实现通过不同代码调节液压系统的不同支撑力，进而使得工具按照预定方向产生轴向偏心，完成轨迹控制。

3 现场应用

D+W 互联互通系统钻具组合在常规旋转导向钻具组合中增添了互联互通短节（ABC），该短节安装在Welleader 工具与OnTrack 工具间，作为旋转导向工具与随钻测斜、测井工具间的机械、电气连接媒介，完成仪器总线协议转换及数据交换，并在工具串作业期间，通过升压转换方式，实现BCPM2 对下部D+W 系统的供电，进而实现系统控制的兼容。

3.1 井口初始化及通电测试参数优选

D+W 互联互通系统井口初始化操作可通过互联互通短节（ABC）接口进行，亦可通过OnTrack 接口进行，现场应用期间可根据井架高度及钻具配长灵活调节。以往的D+W 系统只能通过随钻测斜、测井工具接口实现工具初始化及连通性测试，在初始化结束后会导致Welleader 工具肋板张开，入井前需要发送指令收回肋板，利用互联互通短节执行仪器初始化及通电测试可在实现同等效果的基础上避免肋板张开，省去发送指令收回肋板程序。这是该系统在原D+W 系统上的升级点之一。

仪器入井前可配置多种传输时序，作业期间根据需求可在各工作模式之间进行切换。传统的D+W 系统只能通过正脉冲方式传递数据，而互联互通系统借助第二代BCPM，实现了连续波传输方式[4]，在此模式下数据传输速率高且失真较少。在该旋转导向系统于渤海油田某井进行首次应用期间，调整系统以连续波传输方式进行数据传输，并在该模式下分别测试400 kHz至2.0 MHz 频段下的数据传输效果；最终验证在现场钻井液性能及泥浆泵注塞频率综合条件下，以2.0 MHz频率下传输数据串传输效果受泥浆泵泵噪影响最小，解码成功率达到100%，数据解码效果最佳。

3.2 实钻参数控制与指令调节

分析邻井实钻经验，本井在窗口附近井段钻进期间，钻头自然左漂可能性较大，结合设计轨迹井斜方位变化趋势，地层自然漂移规律对造斜有利。同时因旋转导向钻具属于精密工具，在井下工作过程中，其驱动芯轴抗疲劳安全性受到来自钻压、钻柱角速度及钻井液等多方面影响[5]，在钻头出窗口后亦需控制钻井参数，规避井壁台阶的产生。综合考虑验证工具造斜能力需要及井眼轨迹控制要求，窗口附近侧钻初始井段首先采用TF340°，30% Ratio 实施钻进。当OTK 模块扶正器出窗口后，继续采用3～6 t 钻压，110 r/min 转速，1 800～1 900 L/min 排量进行钻进，本井地层自然漂移规律，评价指令适用情况，而后提高钻井参数至4～8 t钻压，110 r/min 转速，1 900～2 100 L/min 排量进行钻进，充分释放机械钻速。Welleader 互联互通工具可提供近钻头ECD 数据，可为井眼清洁状况提供参考，进而指导现场综合分析时效，合理优化倒划眼次数及时间，最终将全井段机械钻速整体维持在较高水平，提高作业时效（见图2）。

目前，国产化D+W 系统智能稳斜模式尚处于试验阶段，该模式下Welleader 工具可自动调节肋板收缩，进而达到按照目的井斜、方位钻进的预期效果。但与此同时，肋板与井壁的频繁接触会导致托压现象产生，进而影响机械钻速，作业人员分析该工具系统在渤海的前期应用情况及本井轨迹特点综合工程质量及时效性考虑[6]，未在本井作业中采用智能稳斜模式，而是根据设计井眼轨迹中井斜、方位变化情况及变化趋势，发送指令调节工具导向力与工具面做出少量轨迹预留，而后发送指令收回肋板，利用地层自然漂移趋势调整钻井参数钻进，此举既防止了因肋板托压造成的机械钻速影响，又对工具肋板进行了保护，进而实现了延长工具寿命，提高了整体作业时效。