BH-VDT垂直钻井工具主要由井下闭环自动控制系统(ZBE)和供电及信号上传系统(PST)2个相对独立的部分组成[1-4]。ZBE的功能是测量和传输井斜数据、控制液压执行机构；PST的功能是给垂直钻井工具供电和通过脉冲信号实时传输井下钻井参数(井斜、导向压力、系统压力和井底温度等)。脉冲信号经由地面设备接收并解码，可获取当前井深的井下钻井参数[5-6]。现场应用BH-VDT垂直钻井工具钻井时井下情况比较复杂，造成该工具PST部分发出的脉冲信号异常，导致地面设备无法对接收到的脉冲信号进行解码。如果将BH-VDT垂直钻井工具起出，在地面进行测试，由于地面环境与井下不同，不会出现异常脉冲信号，难以找出产生异常脉冲信号的原因。由于国外的垂直钻井技术比较成熟，采用技术手段避免了异常脉冲信号的出现，未对异常脉冲信号的出现原因进行深入研究。垂直钻井工具出现信号异常通常发生在井下，而地面测试良好，唯一能够获得的信息是异常脉冲信号的波形，而不同因素对脉冲信号波形造成的影响具有不同的特征。因此，笔者拟通过人为手段制造异常脉冲信号，分析由不同原因造成的异常脉冲信号的波形特征，再与现场采集的异常脉冲信号的波形特征进行比对，找出垂直钻井工具发出异常脉冲信号的原因，从而解决现场应用中脉冲信号异常的问题。
1 室内模拟试验方法通过分析BH-VDT垂直钻井工具的结构和脉冲信号的发射原理得知，造成脉冲信号异常的原因是供电异常，供电异常的主要表现形式为供电线路断路和供电功率不足，即瞬时断路和欠功率。所以，为了判断产生异常脉冲信号的原因，首先要了解正常脉冲信号的波形特征，再通过模拟试验分析BH-VDT垂直钻井工具在瞬时断路和欠功率情况下产生异常脉冲信号的波形特征，最后与现场异常脉冲信号的波形特征进行对比，以判断产生异常脉冲信号的原因。
1.1 瞬时断路模拟将BH-VDT垂直钻井工具下入到水力测试系统中，井下闭环自动控制系统和供电及信号上传系统连接导线上串连闸刀开关(见图 1)。将闸刀开关断开后快速复原，垂直钻井工具形成瞬时断路，地面解码系统记录此时产生的异常脉冲信号的波形。
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| 图 1 瞬时断路模拟试验装置示意 Fig.1 Schematic diagram of the simulation of instantaneous disconnection |
将BH-VDT垂直钻井工具下入到水力测试系统中，屏蔽垂直钻井工具内的发电机，采用外置发电机为垂直钻井工具直接供电(见图 2)，通过降低电机的转速使发电机的输出功率降低，以达到垂直钻井工具欠功率工作的条件，产生异常脉冲信号，地面解码系统记录异常脉冲信号的波形。
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| 图 2 外接可调式发电机欠功率模拟试验装置示意 Fig.2 Schematic diagram of underpower simulation of external adjustable generator |
BH-VDT垂直钻井工具在水力测试系统的正常脉冲信号波形如图 3所示。从图 3可以看出，正常脉冲信号由10个脉冲波段组成，绿线为测得的实际泵压，红线为脉冲发生器发出的脉冲模拟信号；脉冲a、b的间隔时间较长，是一组脉冲的起始标识，称为同步头脉冲；脉冲c—j分别代表一组测量参数，包含测量信息。
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| 图 3 BH-VDT垂直钻井工具正常脉冲信号波形 Fig.3 Waveforms of normal pulse signals of the BH-VDT vertical drilling tool |
脉冲波段a的首个脉冲为双脉冲形式，后续脉冲中再无双脉冲。为了研究双脉冲的意义，采用示波器监控双脉冲信号发出过程中的脉冲电压与液压泵的电流，结果见图 4。图 4中，蓝色波形为脉冲发送过程中的电压，黄色波形为垂直钻井工具液压泵的电流。
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| 图 4 双脉冲对应的电流和电压 Fig.4 Current and voltage corresponding to a double pulse system |
由图 4可知，第1个脉冲发送结束后，电流从a点开始逐渐变大，液压泵启动；当液压泵完全启动达到稳定工作电流b点处，第2个脉冲发出。因此，双脉冲是液压泵开始启动至完全启动的标识脉冲。
2.2 瞬时断路模拟试验结果分析 2.2.1 随机选择断点制造异常脉冲信号波形采取随机选择断点方式对BH-VDT垂直钻井工具电路系统进行瞬时断路，获得该种情况下异常脉冲的波形，结果见图 5。从图 5可以看出，随机断点在脉冲2，6后，断点后的脉冲3，7均出现了双脉冲波形，说明液压泵在瞬时断路后重新启动。
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| 图 5 垂直钻井工具瞬时断路脉冲信号波形 Fig.5 Waveforms of pulse signals under instantaneous disconnection of the vertical drilling tool |
为模拟不同断点对脉冲波形可能造成的影响，进行人为选择断点模拟长单脉冲试验。试验方法为：在脉冲1后选择断点，断点后的脉冲2为标识液压泵重启的双脉冲波形，脉冲2，3与脉冲3，4成为新一组脉冲的同步头脉冲；在脉冲3发出后，下一脉冲发出前选择断点，脉冲4理论上应为双脉冲波形，但下一断点选择在双脉冲的第2脉冲发出前，导致脉冲4的第2脉冲未能发出，形成了不完整的双脉冲波形，此时脉冲波段3，4表现为一个长单脉冲(见图 6)。
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| 图 6 瞬时断路制造的长单脉冲信号波形 Fig.6 Waveforms of long single pulse signals created by instantaneous disconnection |
从图 6可以看出，瞬时断路对脉冲波形的影响是固定的，即断点后的第1个脉冲为双脉冲波形，但当断点影响双脉冲第2脉冲发出时，就会形成不完整的双脉冲波形，表现为单脉冲波形。
2.2.3 人为选择断点制造连续双脉冲波形为了进一步测试不同断点对脉冲波形的影响，进行了人为选择断点模拟双脉冲波形的试验。试验时断点均选择双脉冲发出后，试验形成的脉冲波形如图 7所示。
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| 图 7 人为选择断点制造的双脉冲信号波形 Fig.7 Waveforms of double pulse signals created by artificial selection of breakpoint |
从图 7可以看出，断点在双脉冲之后会出现连续双脉冲波形。
通过瞬时断路模拟试验发现，瞬时断路造成的异常脉冲具有以下波形特性：1)断点后的第1个脉冲是双脉冲波形，但也存在断点影响双脉冲波形的情况，表现为单脉冲形式；2)通常情况下，瞬时断路对脉冲波的幅值无影响；3)断点的出现具有随机性，难以形成周期性波形。
2.3 欠功率模拟试验结果与分析为模拟垂直钻井工具欠功率状态下的工作情况，采用变速电动机带动发电机叶轮转动，通过控制电动机的转速控制外置发电机的输出功率，地面接收系统记录不同转速下的脉冲波形。
试验发现：转速为3 000 r/min时，记录的脉冲波形正常；当转速降至2 220 r/min时，开始偶尔出现小脉冲波形；当转速降至2 213 r/min，出现小脉冲波形的概率明显增大(见图 8，绿色波形为原始泵压，红色波形为脉冲模拟信号，蓝色三角标为小脉冲波形)；当转速降至1 760 r/min时，出现连续不完整等距双脉冲波形，继续降低转速，双脉冲波形向单脉冲波形过渡，当转速降至1 670 r/min时出现等距小脉冲(见图 9)。
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| 图 8 不同转速下产生的小脉冲波形 Fig.8 Waveforms of small pulse signals created at different RPMs |
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| 图 9 不同转速下产生的不同形态的等距脉冲波形 Fig.9 Waveforms of equidistant pulse signals created at different RPMs |
欠功率模拟试验发现：随着发电机转速降低，发电机输出功率不足的问题开始出现，出现小脉冲波的概率增大，且小脉冲波的下一脉冲为双脉冲波，说明小脉冲是电路瞬时断电时出现的一种波形；随着发电机转速继续降低，脉冲波形呈现出时间间隔相同、波形幅值相近的等距脉冲特征。等距脉冲是液压泵在启动过程中由于电源功率不足持续重启造成的，是一种不完整双脉冲的持续重现。
欠功率造成的异常脉冲信号具有以下波形特征：1)以小脉冲波形为主；2)波形一般具有明显的周期性；3)波形一般具有渐变性，随着电源功率不断降低，出现异常脉冲信号的频率增大，异常脉冲信号波形的完整度逐步降低，幅值不断减小。
3 应用实例克深1101井是库车坳陷克拉苏构造带克深11号的一口评价井，二开井段应用了BH-VDT垂直钻井工具。该垂直钻井工具入井在井口测试即出现异常脉冲信号，如图 10所示。
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| 图 10 井口测试时的异常脉冲信号波形 Fig.10 Waveforms of abnormal pulse signals during the field wellhead test |
分析图 10中的脉冲波形发现，脉冲1，2和3的幅值比脉冲4和5的小，同时脉冲1，2与脉冲2，3的间隔时间相同，幅值偏小，属于典型的小脉冲和等距脉冲特征；随着泵压升高，排量变大，脉冲4为重启后的正常双脉冲，脉冲6的幅值比脉冲4，5小，且脉冲7为双脉冲，说明脉冲6反映了瞬时断路，由于其又具有小脉冲波形特征，判断出现异常脉冲的原因为欠功率。通过提高钻井泵排量、增大该垂直钻井工具发电机的输出功率，脉冲信号异常的问题得到解决。
BH-VDT垂直钻井工具在井下工作一段时间后再次出现异常脉冲信号，脉冲信号突然消失，后续再无脉冲信号出现，如图 11所示。从图 11可以看出，异常脉冲信号具有突发特征，判断是该垂直钻井工具电路断路导致供电中断造成的。起钻更换垂直钻井工具，检修起出的垂直钻井工具发现，工具中脉冲控制阀的波纹管破裂，钻井液进入波纹管造成线路短路，导致供电电路板烧毁，工具已无法正常工作，证明对异常脉冲信号产生原因的判断准确，避免了垂直钻井工具的进一步损伤。
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| 图 11 BH-VDT垂直钻井工具现场应用时脉冲信号消失时的波形 Fig.11 Waveforms when the pulse signals of field tool disappeared |
1) 瞬时断路和欠功率造成异常脉冲信号的波形具有特异性，与模拟试验得到的异常脉冲信号的波形特征进行对比，可以分析出现异常脉冲信号的原因。
2) 瞬时断路造成的异常脉冲具有随机性和多样性，不具有周期性，一般不影响脉冲幅值，通常难以通过调整钻井参数得到改善；欠功率造成的异常脉冲具有渐变性和周期性，通常表现为小幅值脉冲和等距脉冲，可通过调整钻井参数得到改善。
3) 瞬时断路和欠功率是造成异常脉冲信号产生的2种最主要的因素。现场应用表明，通过分析异常脉冲信号的波形特征，可以准确判断异常脉冲信号的产生原因。
| [1] |
李松林.
自动垂直钻井系统VDS的形成与发展[J]. 国外石油机械, 1999, 33(5): 10–14.
LI Songlin. The formation and development of automatic vertical drilling system VDS[J]. Foreign Petroleum Machinery, 1999, 33(5): 10–14. |
| [2] |
汝大军, 张健庚, 马哲, 等.
BH-VDT5000自动垂直钻井系统工具[J]. 石油科技论坛, 2012(3): 64–65, 68.
RU Dajun, ZHANG Jiangeng, MA Zhe, et al. BH-VDT5000 automatic vertical drilling system tools[J]. Oil Forum, 2012(3): 64–65, 68. |
| [3] |
张奎林, 夏柏如.
国产自动垂直钻井系统的改进与优化[J]. 断块油气田, 2012, 19(4): 529–532.
ZHANG Kuilin, XIA Bairu. The improvement and optimization of the domestic automatic vertical drilling system[J]. Fault-Block Oil & Gas Field, 2012, 19(4): 529–532. |
| [4] |
张萌. 自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究[D]. 武汉: 中国地质大学(武汉), 2010.
ZHANG Meng. Research of the key technologies for automatic vertical drilling system miniaturization design[D]. Wuhan: China University of Geosciences(wuhan), 2010. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10491-2010250547.htm |
| [5] |
汝大军, 张健庚, 周胜鹏, 等.
BH-VDT5000垂直钻井系统在克深203井的应用[J]. 石油钻采工艺, 2012, 34(4): 1–3.
RU Dajun, ZHANG Jiangeng, ZHOU Shengpeng, et al. The application of BH-VDT5000 vertical drilling system in Keshen 203 Well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2012, 34(4): 1–3. |
| [6] |
汝大军, 张健庚, 郝楠, 等.
垂直钻井系统用供电和信号上传系统的研制[J]. 钻采工艺, 2012, 35(1): 56–59.
RU Dajun, ZHANG Jiangeng, HAO Nan, et al. Vertical drilling system with power supply and signal upload system[J]. Drilling & Production Technology, 2012, 35(1): 56–59. |