国产LWD与旋转导向工具互联互通及在新疆油田区块的应用

＊李彬李焱坤徐广飞付仕姚耕耘乔团结

（1.中国石油集团西部钻探工程有限公司 新疆 830011 2.北京恒泰万博石油技术股份有限公司 北京 102211）

为节约成本和提高产量，对于地理位置受限或处于开发后期的油田，一般通过开发深井、大位移井和长水平井来实现。此类井如采用常规弯螺杆造斜，造斜段滑动钻进时钻柱受井壁摩阻大，钻压无法平滑传递，且此时钻柱处于静止状态，容易托压。突然释放易造成蹩泵、打倒车以及黏卡现象。

旋转导向工具具有在旋转钻进时连续导向以及井眼轨迹自动控制能力，可提高井眼清洁度及轨迹平滑度。同时减少导向过程中与井壁接触，降低扭矩和摩阻，消除螺杆钻具钻进加压困难的问题，提高机械钻速。降低岩屑床堆积可能性，减少卡钻等井下复杂井况发生几率，缩短钻井周期[1-3]。

针对我国越来越多的复杂油气藏和高难度深井、长水平井，国内钻井公司引进并采购了多套国外旋转导向钻井工具。而其中进口LWD工具的采购和维护成本较高，维修保养周期长，所以采用国产LWD替代进口LWD是较好的解决方案。其中实现国产LWD与进口旋转导向工具之间的相互通讯是此方案的主要技术难点。本文对两者之间互联互通的思路和实现方法，以及互联互通系统的现场应用做了分析和介绍。

1.旋转导向技术及应用情况简介

国外从20世纪80年代末开始旋转导向技术的研发，90年代进入商业应用，逐步改进、升级、完善。目前，以Schlumberger的PowerDrive系列、Baker-Hughes的AutoTrack系列、Halliburton的Geo-Pliot系列以及Weatherford的Revolution系列为代表的旋转导向系统，已大规模应用在国际油田技术服务中。在北美、北海、中东等多个地区已经作为主要的水平井、定向井钻井技术得到应用[2]。典型的如PowerDrive系统在英国WytchFarm油田已完成多口水平位移超万米的大位移井[4]。我国旋转导向技术的研究起步较晚，近年来部分国产旋转导向系统进入现场试验阶段，但整体还未达到商业化应用。目前国内旋导工具主要采用国外产品，且整体应用规模较小[5-6]。

Schlumberger的导向工具以其“所有部件全旋转”的特性占据了大部分的服务市场，具有一定的代表性。目前在国内应用的主要有三种导向系统：推靠式旋转导向系统PowerDrive Orbit、指向式旋转导向系统PowerDrive Xceed以及混合式旋转导向系统PowerDrive Archer。国内钻井公司除了购买其钻井技术服务以外，同时也采购了多套Schlumberger旋转导向钻井工具。由于采购的进口成套工具数量有限，且维修保养的周期较长，旋转导向工具无法及时满足现场的技术服务需求，明显制约了钻井公司对高端业务的服务保障能力。

2.国产LWD与Schlumberger旋转导向工具互联互通

针对如上所述问题，中国石油西部钻探工程有限公司开展了国产LWD工具与Schlumberger旋导工具互联互通项目的研究与实践。目前，由于国产LWD工具日趋完善，在国内已进入大规模商业应用。所以将国产LWD工具与Schlumberger旋导工具挂接，实现两者信息互联互通[7-8]。新系统可以集合国产LWD的测量功能与Schlumberger旋导工具的井眼轨迹控制优势，通过国产LWD上传旋转导向工具测量数据和参数。

新系统优点：

（1）采用单泥浆阀的先导式液压驱动脉冲信号发生器可有效提高LWD系统泥浆传输信号质量和抗干扰能力，满足深井和复杂泥浆环境的使用。

（2）国产LWD采用模块化设计，脉冲信号发生器、定向探管、伽马探管和电阻率可在钻井现场更换，操作更迅速、灵活。

（3）LWD系统完全国产化，仪器维修和保养成本低，周期短。

（4）互联互通系统相较原有Schlumberger旋转导向降低了使用成本，提高了设备使用率。

国产LWD与Schlumberger旋转导向工具互联互通方案具有技术可行性，一方面国产LWD仪器的带载能力足够大，可以稳定地为Schlumberger旋转导向工具及其他挂接仪器供电；另一方面协议互通，可以在数据总线上传输命令和数据。两者之间互联互通中最大的难点是互相兼容问题，也就是如何在国产LWD系统中加入Schlumberger旋转导向相关参数的设置、传输、存储、编解码和显示，同时保证国产LWD系统单独工作时能够稳定正常工作。

方案实施具体思路：利用公司现有国产LWD及Schlumberger旋导工具，两者之间加入一个通讯互联短节COMM SUB。保持原有国产LWD仪器和旋导工具总体结构不变，对机械部件、传输线路、通讯协议、解码软件进行局部的升级改造，实现互联互通。图1和图2为互联互通系统的结构示意图。

图2 国产LWD与旋导工具互联互通系统示意图

3.互联互通项目的设计研发

(1)LWD下行通讯供电结构及数据接口

考虑到旋导系统启动电流较大，有可能会引起探管过流保护，所以在下行通讯中设计软启动电路，同时适当提高探管中的过流保护阈值电流。其总体的数据接口设计（图3）：上端为BUS+，GND，485A，485B，下端为BUS+，GND，CAN1H，CAN1L。

图3 通讯供电结构及数据接口

(2)通讯互联短节COMM SUB软件及硬件设计

通讯互联短节COMM SUB为PowerDrive系列旋转导向工具的无线通讯短节BabbelFish供电，同时将旋转导向的18个参数，共计24BYTES的数据传输给上方LWD系统。如图3所示，上端采用485接口设计，下端采用CAN口设计，CAN口按照旋导的发数协议取数；485按照MWD的取数协议发数。为了避免接口冲突，在取数和发数之间用定时器控制时序。图4为PowerDrive旋转导向的XBUS通讯协议，通讯短节据此通过取数命令得到不同长度的旋导参数。

图5为通讯互联短节COMM SUB的结构示意图。其中旋转连接器尾部采用弹性自适应结构，可以工作在井下振动剧烈的环境，保证与Bablefish良好接触导通。旋转连接器与内部电路之间采用抗压密封塞隔离，将PowerDrive旋转导向系统与国产LWD系统隔开，并减小外部诸如泥浆进入带来的风险。骨架的柔性结构及减振橡胶圈可以保证电路板在剧烈振动环境下正常工作。尾部的固线组件保证连接线牢固连接，保证在高速旋转和振动下不松脱。

(3)LWD系统上传中控数据结构的设计

LWD系统中中控数据结构的设计在探管中完成。在井下工作状态下，LWD探管不断查询下方挂接仪器状态，然后发送取数命令，接收由PowerDrive旋转导向采集的18个参数数据，并进行存储、编码，驱动上方的脉冲发生器发送泥浆正脉冲。在地面由压力传感器接收脉冲信号，并转化为电信号与接口箱通讯，读取内存数据。

(4)地面数据处理软件的升级

地面数据处理软件增加的功能有：对PowerDrive旋转导向数据解码、显示，以及对LWD内存模式的设置和内存数据的读取。因此，设计了一套专属协议，LWD系统按照此协议将旋转导向数据编码，地面数据软件按照此协议将收到脉冲信号解码成对应的旋导数据，并进行显示。

4.互联互通项目的现场应用

以新疆油田JLHW2029井实验应用。其钻具组合为：Φ215.9mm PDC钻头+Φ171mm Archer+Φ171mm互联互通LWD+Φ171mm MWD+Φ127mm无磁承压钻杆+Φ168mm单流阀+转换接头+Φ127mm加重钻杆（3根）+Φ127mm斜坡钻杆。使用井段：3801～3931m，进尺：130m，循环时间：49h，纯钻时间：37h。在整个井下钻进期间，Schlumberger旋转导向工具与国产LWD之间的联通率和数据完整性及准确率都达到100%，圆满达到实验目标。

在后续推广应用期间，国产LWD与Schlumberger旋转导向工具互联互通系统工作稳定，数据传输完整准确。2022年全年已经累计服务53井次，服务进尺2.76万米，取得良好业绩。在保证旋转导向钻井系统性能与优势基础上，与原有进口LWD工具相比，国产LWD工具采购成本降低40%以上，维护成本降低40%以上，同时自有仪器的利用率充分提高，取得明显经济效益。

5.结语

国内首次实现Schlumberger旋转导向工具与国产LWD多种型号、多种仪器组合进行随钻实时通讯。开展进口旋转导向工具与国产LWD互联互通组配系统研发与应用，能够降低对进口旋转导向钻井整套系统的依赖性，以及降低旋转导向工具的使用成本，提高自有工具的利用率，提升国内钻井公司对油田勘探开发的保障能力和水平。

对其他不同类型钻井工具之间互联互通研究提供思路和借鉴，有利于利用不同钻井工具的优点进行组合作业。