隨鉆儀器機電接口標準化推進產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化

王智明，王紅亮，鄧曉清，菅志軍，李 軍

中海油服油田技術研究院 （北京 101149）

隨鉆儀器機電接口標準化推進產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化

王智明，王紅亮，鄧曉清，菅志軍，李 軍

中海油服油田技術研究院 （北京 101149）

隨鉆測井儀器主體結構按照電路板的安裝位置，可分為鉆鋌外壁嵌入結構式、鉆鋌內壁密封插入結構式和中心探管結構式3種。分析了鉆鋌內壁密封插入結構式的插接和公母滑環(huán)2種機電接口的工作原理以及使用情況。介紹了中海油服Drilog隨鉆測井系統(tǒng)和Welleader旋轉導向鉆井系統(tǒng)的基本組成和儀器的功能。解釋了中海油服隨鉆測井儀器中標準件的種類、功能和工作原理。指出接口標準化可大幅度降低結構工程師功能短節(jié)設計工作量，減少重復性工作。在標準件的管理和使用上，中海油服采用了PTC公司的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)WINDCHILL，可從產(chǎn)品開發(fā)及應用兩個過程進行質量控制。標準件庫由專人維護、添加和修改，能最大限度地保證其質量的一致性和使用的可靠性。企業(yè)標準件庫的建設可加速科技成果轉化過程，改善產(chǎn)品質量，形成了企業(yè)自有知識工程和專家系統(tǒng)，提升了企業(yè)競爭力。

標準化；隨鉆測井；儀器；機電接口

標準化是組織現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要手段，其基本方法是簡化、統(tǒng)一化、產(chǎn)品系列化、通用化、組合化、模塊化。

隨鉆測井儀器設計中，根據(jù)功能短節(jié)的傳輸協(xié)議，總線電壓，連接方式，流道轉換方式以及電路板在儀器中的安裝位置，確定系統(tǒng)中的標準件，由專門的工程師來設計并提供系統(tǒng)的標準件模型及產(chǎn)品。結構工程師遇有短節(jié)機電連接時，可選擇并調用標準件模型。能節(jié)約儀器功能短節(jié)結構工程師設計時間，可形成企業(yè)自有的專家系統(tǒng)。隨鉆科研的發(fā)展，對于標準件的持續(xù)建設和更新，形成了有利于傳承的知識工程[1]?？商嵘髽I(yè)核心競爭力。

專門分工提高了標準件的一致性，使儀器主體結構及接口標準件性能都顯著提高，可大大降低作業(yè)的故障率，加速科技成果的轉化過程。

1 隨鉆測井儀器機電接口

隨鉆測井儀器按電路板安裝位置分為：鉆鋌外壁嵌入結構式、鉆鋌內壁密封插入結構式和中心探管結構式，3種形式可以通過轉換短節(jié)實現(xiàn)機械、電氣連接及流道轉換[2]。

中海油服的Drilog隨鉆測井系統(tǒng)(簡稱“Drilog”)井下儀器有多種功能短節(jié)，這些短節(jié)需要進行機械電氣連接形成測量系統(tǒng)。短節(jié)功能獨立，具有故障定位方便，保養(yǎng)維護方便，研發(fā)周期上可分階段實施，作業(yè)時可根據(jù)需要進行組合，接入方便。2個功能短節(jié)連接時，既要保證鉆鋌連接可靠，內部流道合理通暢，還要確保供電和信號上下傳遞可靠。

功能短節(jié)間接口要首先保證內外流道一致，或平滑過渡，其次要盡量選用標準零部件，工裝和工具盡量通用，以17.15 cm(64″)儀器為例，鉆鋌螺紋選擇14.09 cn(5″)FH API螺紋，鉆鋌倒角后接合面直徑相同，INSERT拉拔工具孔尺寸一致等。

圖 1為17.15 cm(64″)DSM 參數(shù)儀，機械結構零部件自上向下由適配頭、流道轉換接頭、電池筒、數(shù)據(jù)口堵頭、電路板骨架和公滑環(huán)等組成。

圖1 中控短節(jié)組成示意圖（鉆鋌內壁密封插入結構式）

DSM參數(shù)儀由鉆鋌外殼和INSERT構成，該儀器向上和向下有統(tǒng)一的機械和電氣接口。非磁鉆鋌外殼承受彎矩、扭矩等載荷，同時要傳遞鉆壓，提升拉力。與上下鉆具形成鉆井液下行通道，承受鉆井液內壓。INSERT與鉆鋌內部之間的密閉空間，用來容納電路，有中空流道。

2 中海油服隨鉆儀器及機電接口形式

2.1 隨鉆測井系統(tǒng)和旋轉導向鉆井系統(tǒng)

Drilog由井下儀器和地面系統(tǒng)組成。二者通過鉆井液實現(xiàn)雙向通訊。上行傳輸通道具備最高3bps的數(shù)據(jù)遙傳能力，可在鉆井過程中將井下儀器工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)實時傳輸至地面；下行傳輸通道具備開關泵指令下傳和旁通指令下傳2種方式，可在鉆井過程中實現(xiàn)對井下儀器的模式切換和參數(shù)設置，以及旋轉導致鉆井系統(tǒng)的指令下傳。

Drilog井下儀器主要包括隨鉆測量儀DIM（MWD系統(tǒng)）、工程參數(shù)測量儀DSM和隨鉆電阻率伽馬一體化測井儀ACPR組成[3]。

Welleader旋轉導向鉆井系統(tǒng) (簡稱“Welleader”)，通過導向力矢量控制實現(xiàn)鉆頭姿態(tài)的快速響應，具有近鉆頭井斜及工具面測量能力，具備定向造斜和軌跡控制能力，能夠實現(xiàn)井斜全自動閉環(huán)控制，并與Drilog無縫銜接，實現(xiàn)精準地質導向。

2.2 插接連接方式

如圖2所示，MWD短節(jié)和DSM參數(shù)儀之間的連接屬于插接適配連接。鉆鋌內部機電接口由硬連接和適配頭插入對接實現(xiàn)[4]。

2.3 滑環(huán)連接

如圖3所示，DSM短節(jié)與ACPR短節(jié)連接為滑環(huán)連接。短節(jié)之間的電氣連接是通過一對公母滑環(huán)的導電環(huán)對接實現(xiàn)的。

圖2 插接式示意圖

圖3 公母滑環(huán)式示意圖

2.4 接口形式的選擇

插接的連接方式主要部件為硬連接和適配頭，硬連接內有壓縮彈簧，可以提供壓緊力，連接靠密封插入重合，電氣連接用單芯插針。優(yōu)點是現(xiàn)場連接方便，操作簡單，缺點是增加一次流道轉換，在流道轉換接頭附近會產(chǎn)生渦輪，有較強從沖蝕。

滑環(huán)連接主要由公母滑環(huán)組成，公母滑環(huán)是靠浮動插針接觸，靠密封壓緊，優(yōu)點是內流道一致，儀器內流體平穩(wěn)通過。缺點是連接復雜，需要有專門的臺架。

中海油服隨鉆儀器設計之初，在車間能連接的部分，使用的是公母滑環(huán)的連接方式，井場連接的部分，使用的是插接的連接方式，經(jīng)過陸地測試，海上測試后，逐漸改成了插接的連接方式。對于插接中沖蝕較強的地方，如噴丸，硬質合金涂層等用局部增強的方法進行增強。

3 中海油服隨鉆儀器標準件建設

根據(jù)標準化的協(xié)調原理[5]，規(guī)定隨鉆儀器機電接口的標準，使功能短節(jié)之間建立相互一致連接尺寸，對隨鉆測井系統(tǒng)的機電接口組件及其關系進行選擇、設計或調整，使之達到最理想的效果。

由于功能短節(jié)的結構形式差異，中海油服隨鉆測井系統(tǒng)功能短節(jié)連接形式不同，但常用的連接件有硬連接、適配頭、流道轉換接頭、公滑環(huán)、母滑環(huán)等。在外出作業(yè)時，根據(jù)儀器串連接和轉接的不同組合情況，有時需要使用雙公、雙母等轉換短節(jié)。

3.1 機電接口典型標準件

由系統(tǒng)和結構工程師一起，把儀器中標準件及常用部件辨識出來，對這些標準件（這里將隨鉆儀器上的通用部件與機械標準件統(tǒng)一定義為標準件）統(tǒng)一建模、制造、改進和完善。針對中海油服的隨鉆測井系統(tǒng)，把鎖緊裝置、適配頭、流道轉換接頭、硬連接、公滑環(huán)、母滑環(huán)、雙公短節(jié)、雙母短節(jié)、流道轉換短節(jié)、數(shù)據(jù)讀出口及數(shù)據(jù)棒等做成標準件。標準部件在Drilog+Welleader系統(tǒng)中的使用情況，其功能和工作原理描述見表1。

3.2 中海油服標準件庫建設

中海油服在設計中使用PTC公司的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)WINDCHILL，從產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品應用2個過程進行質量控制，結構工程師和電氣工程師在WINDCHILL這個平臺上可實現(xiàn)機電協(xié)調設計。

結構工程師使用CREO、UG及SOLIDWORKS進行設計和分析，WINDCHILL系統(tǒng)能支持2種工程軟件的在線設計。把標準部件的part和assembly都做成規(guī)范模型，放在PDM系統(tǒng)中。

目前已經(jīng)形成3大類1 165個單件和9個總成，包括連接緊固件、企業(yè)通用件、外購標準件等3類。標準件三維庫由制定管理員進行統(tǒng)一維護、添加和修改，工程師只能調用。

標準件庫具備分類查詢、模糊查詢、模型預覽、模型信息排序等功能，模型可直接調用到裝配體中，模型重要參數(shù)如PARTNUMBER、名稱、描述、物料編碼等隨模型顯示。

4 接口標準化加速產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化

4.1 接口標準化加速了產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化

標準件從PDM調用節(jié)約了結構工程師設計時間，結構工程師能更專注于主體功能，如線圈固定，電路板密封減振，電磁隔離，測量功能設計。功能短節(jié)需要機電接口標準件，設計時模型可從PDM系統(tǒng)直接調用。使用時，標準件產(chǎn)品由維保組專門制造和維護。連接儀器時，提出需要數(shù)量和規(guī)格，可直接取用。儀器測試或作業(yè)返回后，由維保組直接拆除、養(yǎng)護、測試備注。

4.2 機電接口標準化提升了產(chǎn)品質量

隨鉆測井儀器的標準件，除了常規(guī)機械標準件外，多為部件，由多個金屬零件、插針和導線組成，涉及到接插件柔性壓緊，流道轉換，長度適配，總線貫通等，這些標準件要穩(wěn)定可靠地工作，也需要根據(jù)實鉆測試或作業(yè)結果的反饋，進行完善和修改。

中海油服隨鉆項目組組成專門小組，負責標準件庫建設、管理和制造，對測試和作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的問題進行整改，整改結果通報給專業(yè)項目組，對于常用件，可逐步演化成標準部件。這樣的管理方式可有效地提高儀器出廠質量。

表1 Drilog+Welleader系統(tǒng)中標準件統(tǒng)計

2015年，Drilog隨鉆測井系統(tǒng)和Welleader旋轉導向鉆井系統(tǒng)進入商業(yè)化階段。機電接口標準化為Drilog和Welleader系統(tǒng)制造和維保的質量控制體系奠定了堅實基礎，有效提高了生產(chǎn)效率和作業(yè)成功率。隨著標準庫和質檢體系的完畢，2016年共制造適用于21.59 cm(8″)井眼的675型Drilog儀器10串、675型Welleader儀器10串；適用于26.04cm(124″)井眼的800型Drilog儀器6串、950型Welleader儀器2串，年產(chǎn)值超過2億元。制造數(shù)量是2015年的2.5倍。中海油服近3年Drilog+Welleader儀器制造數(shù)量如圖4。

圖4 中海油服近3年Drilog+Welleader儀器制造數(shù)量

從2014年到2017年7月底，Drilog+Welleader系統(tǒng)在我國陸地、渤海、東海及南海油田成功完成67井次作業(yè)。作業(yè)過程中，大多數(shù)的故障為機電接口故障，非測量故障起鉆率見表2，呈逐年下降趨勢。

表2 Drilog+Welleader系統(tǒng)作業(yè)故障率

5 結束語

中海油服的隨鉆測井系統(tǒng)逐漸形成了隨鉆中子、隨鉆密度、隨鉆聲波、隨鉆電阻率、隨鉆伽馬、隨鉆核磁等功能短節(jié)。在功能短節(jié)設計過程中，逐漸形成并建立標準化的機械、電氣接口，以及轉換短節(jié)。對隨鉆儀器標準件的建設和使用過程，推進了產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化進程。

1）機械電氣接口需要進行標準化規(guī)劃，形成統(tǒng)一的規(guī)范，避免了在研究上的重復勞動。

2）專門的工程師來設計、制造標準件，儀器連接的可靠性有保證。

3）標準件的專人維護和修改，節(jié)約了功能短節(jié)設計時間，縮短了產(chǎn)品設計周期。

4）隨著測試數(shù)據(jù)的積累，對標準件的改進，可建立企業(yè)專有的專家?guī)煜到y(tǒng)，從對少數(shù)工程師的依賴轉為對知識工程庫的倚重。

5）隨鉆儀器機電接口的標準化和通用化，加速了科技成果的轉化過程，改善了產(chǎn)品質量，提升了企業(yè)競爭力。

[1]王智明,楊 旭,平海濤.知識工程及專家系統(tǒng)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[2]鄧曉清,王智明,彭勁勇.Drilog與Welleader系統(tǒng)的應用研究[J].煤礦機械，2017,38（6）：139-142.

[3]王智明,尚 捷,菅志軍,等.SPOTE隨鉆測井系統(tǒng)的試驗研究[J].承德石油高等?？茖W校學報,2012,14（3）:25-30.

[4]王智明，菅志軍，陸慶超，等.隨鉆測量短節(jié)及其內部的探管總成[P].ZL 2015 2 0826317.0,2015-10-21.

[5]麥綠波.標準化原理的評論[J].中國標準化,2011(6):40-45.

According to the installation position of the circuit board,the main structure of logging while drilling(LWD)instrument can be divided into three types:the drill collar outer wall embedding structure,the drill collar inner wall sealing inserting structure and the central probe pipe structure.The working principle and service state of two kinds of electromechanical interfaces(inserting connection and male-famale slip ring connection)of the drill collar inner wall sealing inserting structure are analyzed.The basic composition and functions of the Drilog LWD system and the Welleader rotary steering drilling system of COSL and the categories,functions and working principles of the standard parts in the LWD instrument are introduced.It is pointed out that the standardizationof the interfaces can greatly reduce the workload of structural engineers in the design of functional modules and reduce repetitive work.In the management and use of standard parts,COSL uses the product data management system WINDCHILL of PTC company,the product quality can be controlled from the development and application of products.The standard parts library is maintained,added and modified by the special personnel,which can ensure the quality consistency and the use reliability of the standard parts to the maximum extent.The construction of enterprise standard parts library can accelerate the transformation process of scientific and technological achievements,improve the quality of products,form the enterprise's own knowledge engineering and expert system,and enhance the competitiveness of enterprises.

standardization;LWD;apparatuse;electromechanical interface

王智明（1969-），男，工學博士，現(xiàn)主要從事隨鉆儀器研發(fā)工作。

賈 強

2017-10-26