旋转导向及定向井工具循环测试系统研制

赵江波

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

旋转导向钻井系统主要由地面系统和井下仪器两部分组成。泥浆介质流场在系统中发挥着非常重要的作用[1]：可对脉冲信号传输进行量化研究，摸清流场噪声，建立算法模型；可对发电机特性进行量化研究及性能测试，摸清流量范围；可对指令下传信号进行量化研究，摸清流场噪声，建立算法模型；可对模块马达输出特性进行测试和标定；可对仪器串整体进行联调测试。

1 系统技术指标

1.1 排量范围

不同的井眼作业对应不同的排量范围，不同的排量范围对应不同的流场特性。因此，旋转导向及随钻仪器尺寸规格必须与井眼尺寸相匹配。目前，作业现场在用的3 种主流尺寸规格分别为475、675、950[2]。

该循环系统除了要满足上述3 种主流尺寸规格仪器的测试需求外，还应该具备一定的冗余，以便开展各种极限测试和研究。因此，最终确定系统的排量范围为0 ～5 200 L·min-1。

1.2 循环长度

每种尺寸井眼深度存在一定的上限。8.5 寸井眼一般情况下打到4 000 m 左右。井越深，信号在传输过程中的衰减和损失越大，再加上各种噪声干扰，信号传输成功率越低。所以，研究过程中必须考虑循环长度的影响。经过认真研究，确定系统的最长模拟井深为6 000 m。该深度可模拟中国80%以上的作业井深，同时可满足475 仪器的测试需求。在此基础上，还设计了多种循环长度切换功能以供选择。

1.3 循环压强

循环压强与排量和循环长度有关。排量越大、循环长度越长，管道流阻越大；反之，越小[3]。以现场最常用的F1600 泥浆泵的性能指标为参照，设计最高输出压强为23 MPa。

2 系统设计及制造

根据以上要求，结合中海油服现有3 000 m 循环系统现状，整个循环系统设计工作原理框架如图1 所示。泥浆泵从水池吸水，经过循环管道，流经测试仪器回到水池。测控系统是整个循环系统的大脑，控制整个系统的运行，采集循环管路中的各个压强及流量信号。变频控制柜驱动泥浆泵电机，灌注泵负责为泥浆泵供水，测控系统通过远程控制器自由切换循环长度。图1 对各部分进行了详细说明。

2.1 动力系统

动力系统参照作业实际情况，采用F1600 泥浆泵作为主动力设备。该型号泥浆泵在现场广泛应用，具有很强的代表性。选用该设备可以使整个循环系统的噪声特性与现场保持高度一致，使仪器的测试环境更加接近真实情况，对提高仪器的现场适应性具有重要意义。

选用F1600 泥浆泵标准配置（180 缸套，120 冲）最大工作排量为46.54 L·s-1，额定工作压强为23.6 MPa，可知单泵无法满足最大排量要求，因此采取两泵并联的方式，见图2。并联后输出最大排量可以达到5 580 L·min-1，既可以满足最大排量要求，又可以满足最大压强要求。

2.2 循环管道及循环长度

为了便于实施，节省占地面积，降低施工难度，系统采用直管加连续油管作为循环管道。直管为中海油服原有循环管道，外径104 mm，内径100 mm，材料X70，承压45 MPa，采取挖坑预埋的方式施工，总长为3 122 m。新增管道为连续油管，外径89 mm，内径80 mm，材料2250 双向不锈钢，承压45 MPa，采用两盘串联的方式，总长为3 000 m。

为了尽可能满足各种工况测试需求，需要设计各种循环长度来模拟不同井深[4]。循环管道长度设计方案如图3 所示，通过控制15 个阀门的开关状态共可模拟14 种循环长度。

2.3 负载计算

由于输出压强和输出排量无法同时达到最高值，因此需要计算不同循环工况下系统的负载情况。

泥浆泵出口的总压强P总与管道流租P管和仪器压降P仪有关，即：

管道流阻和仪器压降均与循环长度和排量有关。根据《工程流体力学》教科书，利用粘性流体的伯努利方程推导的管中沿程阻力计算公式进行计算，有：

式中：ΔPe为沿程阻力损失，Pa；λ为沿程阻力损失系数；L为钢管长度，m；V为钢管中液体平均流速，m·s-1；D为钢管管径，m；ρ为流体密度，kg·m-3。

经计算，不同排量、不同循环长度的负载如表1所示。

表1 各种循环工况下系统负载

2.4 数据采集

如图4 所示，该系统中有5 组流量及压力传感器和1 个液位传感器。流量传感器用于检测各点流量，压力传感器用于检测各点压力，液位传感器用于检测水池液位。各传感器均为数字式传感器，可直接接入测控系统。

2.5 测控系统电气控制方案

主机采用惠普系列工作站，作为人机交换界面和核心控制程序的运行载体。核心控制器件采用西门子系列PLC、变频柜、电动执行器、传感器等采用标准数字、模拟扩展模块进行控制。

2.6 测试系统建设

系统建设分为3 个阶段：第1 阶段是基础施工，包括泥浆泵、变频柜和连续油管吊装等作业；第2 阶段为地面轨道施工，包括管道铺设、连接、阀门、电动执行器、传感器安装及测控线缆铺设等；第3 阶段是系统联调，测试各项功能[5]。建成后的系统如图5 所示。

3 联调与测试验证

3.1 承压测试

为了确保管道连接及密封良好，对管道进行了承压测试。因为管道太长，无法整体测试，所以采取了分段测试的方法，最大静压测试35 MPa，随后进行了整体动压测试，最高试到23 MPa，稳压25 min，测试合格。

3.2 系统集成测试

系统集成测试主要进行了各项功能测试，包括变频柜控制、电机启停、稳速、传感器数据采集、流程自动切换以及数据采集处理等。系统联调通过后进行了管道流阻测试，测试结果如表2 所示。发速度，为旋转导向及随钻仪器研发奠定了良好基础。

表2 管道流阻测试

（1）实现了国内首套6 000 m 地面水循环系统项目的研制与建设，验证了使用连续油管作为循环管线的可行性，可以满足后续深井使用475 旋转导向工具和其他配套设备的模拟试验需要。

（2）经过分段和全管程的35 MPa 静水压试验，地面水循环试验系统循环管路和控制阀门可以满足最高工作压强35 MPa 的要求。

（3）经不同组合长度水循环系统试验，验证了供液泵最大工作排量为5.2 m3·min-1，得出了循环系统的测试总沿程阻力值与通过理论计算的值的误差。

（4）地面水循环管线能够按照LWD 及旋转导向系统的工作要求提供稳定可靠的泥浆排量，且能够在不同的排量要求下快速连续实现无级调节。

（5）通过中控室的计算机显示界面，能够观测到分布于地面水循环系统的各处的电磁流量计、超声波液位计、电动调节阀以及耐震压力表传送的实时数据，数据准确可靠，实现了系统的集成监测与控制。

3.3 旋转导向仪器水循环钻进测试

利用该水循环系统进行旋转导向仪器循环测试，循环系统达到了设计指标，可为仪器测试提供稳定可靠的水循环测试环境，且能够在不同排量要求下快速连续实现无级调节。通过主控计算机显示界面，能够观测到分布于循环系统各处的流量计、压力传感器传送的实时数据，实现了试验系统的集中观测与控制。

4 结语

该水循环测试系统的研制成功，使中海油服成为国内首家具备6 000 m 循环长度、最大5.2 m3·min-1排量的水循环能力，极大地促进了国内旋转导向钻井技术的研