旋转导向系统现状及关键技术分析

宋红喜, 曾义金, 张 卫, 米金泰, 黄中伟

(1.中国石化石油工程技术研究院, 北京 100101; 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室, 北京 100101; 3.中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249)

1 旋转导向系统

旋转导向技术作为一种新型的钻井技术,越来越受到学者们的关注,这是迈向智能化和自动化钻井的重要标志,特别是适宜于恶劣环境下的一种高端技术。以井下闭环旋转导向钻井系统为核心的三维井眼轨迹控制钻井技术,是当今石油钻井工程领域的先进水平[1]。旋转导向技术不仅具有钻井速度快、事故率低和延展性好等优点,还降低了钻井成本,旋转导向技术代表着钻井技术和钻井工艺的发展方向,它拥有更长水平位移和延伸能力；清洁井眼和较少卡钻的风险,无需起下钻调整工具面,提高了钻井的效率[2]。

鉴于外国的技术垄断,只进行高价的技术服务,并不对外进行销售和出口,因此展开旋转导向系统研制,具有重大的实际需求和潜在价值,可以填补中国在旋转导向技术方面的空白。实现产品产业化生产后,将直接改变中国目前此类设备大部分依赖进口的现状,旋转导向技术属于关系着国家重大利益的“卡脖子”技术,防范中国实体企业在国际经贸活动中遭遇外国技术断供、封锁等重大风险[3-4]。

1.1 旋转导向技术组合

旋转导向技术型号众多,功能复杂。图1为旋转导向技术组合,绿色方框标识的旋转系统比较成熟,已应用在商业领域,属于常规的旋转导向系统；白色方框标识的技术组合属于待开发领域。在众多复杂的地质结构中,采用不同的旋转导向型号组合,开发的旋转导向类型越多,越能满足各种类型的地质结构,这为钻井打下了坚实的技术基础[4-5]。如开发比较热门且相对成熟的推靠式旋转导向系统。

图1 旋转导向技术组合Fig.1 Rotary steering technology combination

旋转导向系统趋势在于:小尺寸外径、混合式的导向方式、外部旋转方式、连续波高速传输方式、拥有电阻率和近钻头随钻测井(logging while drilling,LWD)集成方式,高温高压的复杂环境,红色部分技术的旋转导向组合是未来旋转导向发展技术趋势[6]。

1.2 旋转导向传输系统

以推靠式旋转导向为例,旋转导向系统结构组成包含地面监测系统、双向通信系统、随钻测量与传输(measure while drilling,MWD)、导向与控制单元等。其中导向和控制单元是旋转导向的核心部分,包含石油钻井、控制、力学和机械多学科知识,它直接影响钻头的钻进方向和姿态[7-9]。旋转导向技术中靶率高,边滑动边旋转、井眼轨迹控制能力强,井眼光滑、钻柱的摩擦和扭矩大幅减少、钻进能力强,跨学科集成度与科技含量高[10]。

旋转导向传输系统主要是包含了井上部分和井下部分,井下模块主要是由近钻头、导向控制和电机模块形成自主单闭环传输控制[11]。井下部分参数通过单总线传输、非接触模块与MWD模块、井上模块进行信息交互和传输,形成了双闭环系统,双闭环技术使得旋转导向系统鲁棒性高,控制能力强,科技含量比较高,图2为旋转导向传输系统。

图2 旋转导向传输系统Fig.2 Rotary steering transmission system

2 旋转导向典型技术成果

由于中外研制旋转导向技术公司繁多,外国以斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿油服公司为主[12]。中国的研究机构有中海油田服务股份有限公司；中国石油集团川庆钻探工程有限公司、中国石油集团渤海钻探工程有限公司、中国石油西部钻探工程有限公司、中国石油大庆钻探工程公司、中国石油长城钻探工程分公司等；中国石化石油工程技术研究院和中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院；中国科学院地质与地球物理研究所；中国航天科技集团第一研究院第十八研究所和中国航天科工集团第三研究院第三十三所等[13]。以技术成熟度和商业应用度进行评估,外国的斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿，以及中国中海油田服务股份有限公司研发较为先进,现主要介绍这4家中外旋转导向最新的技术成果。

2.1 斯伦贝谢公司PowerDrive系统

斯伦贝谢公司推出最新的第三代PowerDrive Archer旋转导向钻井系统,该系统利用内置可调弯角和内部偏心环配合实现了全旋转、高造斜率和系统稳定等特点,通过4个推靠块推动导向扶正套内壁使得钻头发生轴向偏移,以万向联轴为支撑点,实现了360°自由指向和推靠,该系统造斜率可达15°/30 m,与特殊的螺杆钻具组合可以实现最高可达18°/30 m,该系统集成了指向式和推靠式两种方式,属于混合式旋转导向系统[14-15],图3为PowerDrive Archer系统。

图3 PowerDrive Archer系统Fig.3 PowerDrive Archer system

2.2 贝克休斯公司Auto Trak系统

贝克休斯Baker Hughes公司研发出的AutoTrak旋转导向系统,最新型号AutoTrak G3.0和AutoTrak Curve[8]。该系统属于推靠式旋转导向系统,AutoTrak Curve是贝克休斯专门为陆地设计的高造斜率旋转导向工具,造斜率15°/30 m[16]。AutoTrak G3是贝克休斯第三代旋转导向工具,可以提供电阻率和环空压力等多种测量服务,造斜率6°/30 m[17]。

推靠式旋转导向技术梯度略小,中靶率高,可操作性高,研发风险小,成本较低,易于实现,推靠式旋转导向相关的专利壁垒较小,逐步被众多的科研机构研发旋转导向系统的首款样机[18-19]。图4为AutoTrak系统。

图4 AutoTrak系统Fig.4 AutoTrak system

2.3 哈里伯顿公司Geo-Pilot系统

1999年,哈里伯顿Sperry-Sun公司开发的Pilot系列旋转导向系统。Pilot系统包括:①简化且低成本功能的EZ-Pilot系统；②全功能的Geo-Pilot系统,主要用于复杂井,深水井以及大位移井旋转导向系统,是一种不旋转套式导向工具；③V-Pilot垂直钻井系统；④Geo-Pilot Dirigo属于高造斜旋转导向系统。指向式Geo-Pilot系统如图5所示。全功能的Geo-Pilot系统依靠一套偏心机构使万轴偏置,产生导向作用,该机构由几个可控制的偏心环组合而成,当井下自动控制完成偏心环组合之后,该机构始终将万向轴固定方向偏置,为钻头提供一个方向固定的倾角[20-23]。

图5 Geo-Pilot指向式系统Fig.5 Geo-Pilot directional system

2.4 中海油田服务股份有限公司Welleader系统

中海油田服务股份有限公司是中国技术先进的一家钻探科研公司。鉴于中海油田服务股份有限公司起步早,深耕于旋转导向系统多年,研发出推靠式旋转导向系统Welleader[24-25],该系统经过在陆地和海上钻井平台多次试验,取得良好的实验效果,该系统处于国内领先地位,关键性元器件和核心技术国产化率较高。图6为中海油田服务股份有限公司旋转导向系统总体结构。该系统包含了MWD,中控短节,涡轮发电机,柔性短节,扶正器,旋转部分、非旋转部分。中控短节主要包含中控电路,完成了上传和下传命令控制及应答机制,以及井下指令传输和数据存储。涡轮发电机利用泥浆循环动力,主要是完成对旋转导向系统的井下发电,满足井下用电负荷。

图6 中海油田服务股份有限公司旋转导向系统总体结构Fig.6 Overall structure of COSL’s rotary steering system

柔性短节和扶正器主要是完成旋转导向柔性弯曲,满足旋转导向高造斜率。旋转部分包含旋转芯轴,芯轴电子仓、测试接口；主要完成电能传输和指令发送。非旋转部分主要包含主控电子舱、三块推靠翼肋和三块液压单元,旋转部分和非旋转部分一起构成旋转导向核心部分[26]。旋转导向钻井技术经过近20年的飞速发展,无论在地面控制、信号传输、信号测量、井下控制还是旋转导向工具方面都取得了显著成就。然而,随着深井、超深井、特殊工艺井、高温高压井的数量和比例逐渐增多,旋转导向系统须在技术上不断改进突破,以适应日益复杂的钻井环境[27]。

3 旋转导向关键技术

鉴于中外对旋转导向的技术研究,并开展了旋转导向工具研制,一些关键技术方面还是存在着一定的问题,现场试验效果与外国技术相比还存在较大的差距,尚未完全达到工业化应用的水平。存在问题主要有:工具造斜率低、翼肋推力失效或者被卡住、MWD上传和下传的信号失常,无法实现闭环控制,非接触电能传输能量比较低,许多关键元器件不耐高温等[28-29]。其中,旋转导向工具耐温低是困扰全面推广使用旋转导向工具的重要因素之一,电路工作和器件常常失效也是降低旋转导向系统使用寿命和周期的重要因素[30]。使用旋转导向工具的根本目的是实现对井眼轨迹的高效控制,如果无法控制满足造斜率要求,那么旋转导向的功效也就不能发挥出来[31]。

在完成项目建设之后投入到实际运营当中，所产生的养护费用，维修费用以及拆除费用都会影响项目成本。若仅仅降低施工成本，将会影响工程建设质量。同时也会提升后期维护费用，增加项目成本。因此，工程项目在控制成本期间需要确保施工成本和运营成本的最低值。

依据旋转导向系统划分和设计指标,以比较成熟的推靠式旋转导向系统为例,列举了推靠式旋转导向电路方面的知识框架,图7为推靠式旋转导向电路整体框图,给出了需要克服的典型难点和关键技术点。

图7 推靠式旋转导向电路框图Fig.7 Block diagram of push type rotary steering circuit

3.1 地面主机

主要包含地面主机,地面可操控的软件和下传装置等三大块。旋转导向上位机主要完成以下功能模块:通讯和参数设置,仪器串测试,脉冲解码,数据下载,出厂设置,下传测试,井深测量,泵冲测试,解码结果,合力计算,伽马数据,日志,网络数据,查看结果,手动下传,工作记录,总线检测,轨迹计算,司显等模块[32-33]。同时融合多种传感器群,完成人机信息交互界面。

3.2 姿态测量

完成旋转导向工具姿态测量技术,这些模块包含探管采集传输电路、二次电源电路、姿态解算算法等。此短节主要是读取探管里面的标定参数,用于固件,排除故障,同时完成对井下参数,如井斜、方位等关键数据进行采集与传输[34-38]。

3.3 脉冲器发电机的控制

脉冲器发电机短节包含脉冲器和发电机两大部分,脉冲器驱动发电机发出的电能,经过整流、滤波和逆变,到达中控短节,为整个井下控制提供源源不断电能,避免使用传统的锂电池耗尽后,必须起钻的状况[39]。

实现脉冲信号上传和下传过程,这是旋转导向又一大关键技术和难题,特别MWD脉冲信号的传输机制和上传特性。实现这些旋转导向技术和MWD信号等通讯畅通,是地面控制旋转导向系统重要的参考依据[40-42]。

3.4 中控电路

中控短节包含了电源整流电路、电源变换电路、中控电路、单总线电路等模块,中控电路包含上传控制电路和下传解码电路等,它是整个旋转导向系统大脑,控制整个系统的信息处理,同时将信息交付给地面主机。旋转导向系统下井前地面测试:此时地面主机掌控着总线权利,地面主机发出命令给中控电路,配置串口通信、波特率等各种参数,避免总线冲突和错误,此次下载参数,数据量大,防止干扰[43-44]。旋转导向系统下井开始后:地面主机把总线的控制权让给了中控电路,中控电路开始发出命令,自主操控整个旋转导向系统。

3.5 导向控制电路

导向控制电路包含了旋转部分和非旋转部分,旋转部分包含了初级发射电路、单总线电路和电压变换电路。非旋转部分包含次级发射电路、单总线电路、电压变换电路、导向主控电路、液压驱动电路和近钻头测量电路。旋转部分初级发射电路和非旋转部分次级发射电路利用非接触传输技术实现了电能和信号传输和交互[45-46]。

电压变换主要实现交流42VAC(voltage alternating current)变换为直流+42VDC(voltage direct current),直流+42VDC变换为直流±12VDC和直流+5VDC,直流±12VDC只要为信号模拟采集电路提供稳定的电压。直流+5VDC主要是为主控电路提供稳定的电源。导向控制单元执行来自中控电路,或者地面主机传输来的指令,或者上传近钻头控制电路采集过来的信号与参数。图8为导向控制单元供电系统。

图8 导向控制单元供电系统Fig.8 Power supply system of steering control unit

3.6 非接触传输电能技术

在旋转导向的旋转和非旋转部分,传统的旋转导向系统使用接触式滑环能量传输方式,由于接触式滑环存在安装不方便、旋转时易磨损、易受到井下钻井液、水的腐蚀以及泥浆的影响等缺陷[47]。由于非接触之间存在间隙,间隙中间有可能存在着流动泥浆,造成非接触之间介质的不断变化,电能耦合器的参数设置不够优化,导致单总线电路非接触式电能传输效率低。大量的无功功率使得非接触式磁路产生很大的能耗且发热情况比较严重,器件容易损坏,载波信号传输容易受到干扰,优化非接触电能参数,提升电能传输效率和提高载波信号传输的信噪比[48-49]。

此时迫切需要一种新的非接触式能量传输方式,即为松耦合电能传输技术,特别适合于井下非接触电能数据传输[50-51]。松耦合变压器作为松耦合电能传输技术的核心部分,成为本系统开发需要克服关键问题和技术。松耦合变压器实现旋转部分和非旋转部分之间的能量和数据同步传输,电能传输效率和信号传输的误码率是实现旋转导向精确制导的关键因素。使用有限元仿真ANSYS软件对磁体进行有限元仿真分析,优化电场、磁场和热场分布,减少磁体在能量传输过程中所产生的热量,进一步实现非接触电能传输效率的提升,为导向控制单元提供更强劲的推靠力,保障更高的造斜率实现,图9为电能发射与接收模型,图10为松耦合非接触传输框图。

图9 电能发射与接收模型Fig.9 Power transmission and reception model

图10 松耦合非接触传输图Fig.10 Loosely coupled contactless transmission diagram

非接触式感应电能传输方法实现旋转主轴与非旋转套之间电力和数据同步传输,保证能量传输效率以及降低信号误码率,提高电源输出的稳定性,谐振频率的参数自适应调整便于提高非接触电能的传输效率[52],接收信号进行软硬件滤波处理便于提高非接触信号传输的成功率和可靠性,以及提高非接触单元对井下高温、振动环境的适应性。

3.7 单总线电路

单总线电路主要担负着井下电路数据传输与通信,起到井下和井上指令的上传与下达功能。由于单总线电路既能传输电能又能传输信号,节省了大量宝贵的钻铤空间,采用设备外壳作为公共地,设备间只有一根连接线缆,大大降低了结构上实现的难度,而相比于无线传输方式,又具有设计简单,传输稳定、可靠的优点[53]。通过通信载波技术将信号叠加在电源线上实现各子系统间的通讯,采用多级滤波技术滤除电源上的噪声,使用功率切换技术避免发送电路与接收信号的衰减,实现多节点挂接,单总线主要是完成数据的请求、发送、接收等传输功能,在非接触信号传输中起到“桥梁”作用。

单总线电路板主控芯片,芯片发出的方波信号,发射部分:经过有源滤波器和功率放大等环节,发射出正弦波或尖顶波等波形,完成数字信号转化为模拟信号；接收部分:信号经过保护电路、去噪声电路、有源滤波电路、锁相环、整形电路和反相器等环节,最后回到主控芯片,完成模拟信号转化为数字信号；实现发出和接收命令的信息交换[54-55]。图11为单总线电路信号传输图,图12为单总线电路板实物图,单总线电路是配置、诊断和检测系统的核心电路,属于总线控制电路的一部分,也是实现整个旋转导向的关键部分。

图11 单总线电路信号控制框图Fig.11 1-wire bus circuit signal control block diagram

图12 单总线电路板Fig.12 1-wire bus circuit board

3.8 电子舱耐压性、散热性和抗震性

旋转导向电子元器件安装在电子舱内部,电子舱耐压性和散热性有待提高,耐压性不好直接导致承压舱渗水,电气设备可能发生短路而损坏；同样散热性不好也会直接导致电气设备因温度过高而损坏,鉴于旋转导向系统井下高温高压的工况,选择低功耗且散热能力比较好的器件,以便提高元器件的使用寿命[56]。

3.9 液压模块

液压模块包含了液压驱动电路和电机等两部分。旋转导向采用液压模块闭环控制技术,研发液压驱动模块也将是开发本系统要克服的难点,3个闭环液压传感电路,使得翼肋直接推出的推压,利用3个液压单元压力大小和方向,算出合力的大小和方向[57-58]。使得控制精度和速度有了很大的提高,保证了系统的稳定性、快速性和准确性,可以实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力等,此液压控制单元厂商比较多,市场和技术比较成熟,不需要过多的研发。图13为液压模块闭环控制。

图13 液压模块闭环控制Fig.13 Closed-loop control of hydraulic module

通过有限元原理对振动进行分析,得到系统多阶固有模态；调整减振的参数,增加系统的减振能力；计算出系统在主模态下的响应结果,并结合实验对减振性能进行验证[59-60]。能适应井下恶劣振动环境,能保证关键器件的正常工作。

4 结论与展望

“工欲善其事,必先利其器”,先进的旋转导向技术是目前中国急需研发的高端钻井导向技术,也是中外一直比较热门的研究课题,已经成为各个石油服务公司关注的焦点。

(1)混合式旋转导向是未来发展的方向,它集成度高,功能强大,适应性强,集推靠式和指向式的优点,也是中外钻井研究机构激烈争夺的科技制高点。

(2)旋转导向拥有造斜率高、摩阻与扭矩小、井眼净化效果好、轨迹平滑易调控、位移延伸能力强,同时也具有耐温高,耐压高,抗震能力强等众多技术优势,实现钻出高品质且超深的井眼,适于各种复杂的水平井、大位移井、大斜度井、多分支井等推广和应用。

(3)采用“先易后难”,培育自主研发技术。旋转导向系统是研发投资大,难度高、周期长。采取先从结构简单、控制容易的推靠式旋转导向系统做起,力争取得突破,之后逐步向高端且复杂的系统研发迈进。

(4)自动化控制技术研发一直是石油钻井领域技术短板。人才、科技和持续性投资是弥补短板强有力措施,旋转导向电路方面的重点和难点技术主要集中在:单总线技术,非接触传输技术,导向控制电路,程序算法实现等一批核心的技术。如果这些控制技术获得突破,也可以为相关的MWD、LWD等井下高端仪器装备带来很大的技术提升,推动石油钻井领域的产业升级。

鉴于旋转导向系统能带来重大的现实利益和可观商业收益,加快研发出中国具有自主知识产权的高可靠性旋转导向系统已经迫在眉睫。如果这项技术的研发成功,许多油气资源潜在的地区,石油钻井的成功率可能被大大提高,可以满足海上水平井、丛式井和复杂油气层的开采需求,降低了油气投资成本和风险,使得勘探与开发的“干井率”被降低,有望大幅降低中国油气田开发综合成本。实现产业化之后,能直接改变中国在此类高端仪器装备依赖进口的状况,显著提高中国油气资源开采量和自给率。