智能钻杆——将引发一场井下信号传输技术革命

本文介绍了一种新的井下信号数据传输方式,即智能钻杆传输方式。它是利用电磁感应耦合原理实现信号在钻杆之间传输的。该遥测系统主要由智能钻杆、井下接口短节、信号放大器、顶驱转环短节等几部分组成,具有数据传输速度高、容量大、实时、双向通讯等优点,适用于常规钻井、欠平衡钻井和气体钻井,是钻井井下信号传输技术的一个重大突破。该技术今后的发展方向是进一步提高数据传输速率和耐温能力,开发一种无缆的顶驱转环短节。     

沿钻柱测量技术及其发展方向

深层、超深层、复杂地层和深水油气藏存在钻井施工难度大、周期长和井下故障多等问题,为安全、高效、快速钻井,需要实时监控井内压力、温度等参数。为此,介绍了NOV公司沿钻柱测量系统的构成,分析了沿钻柱测量技术在井眼净化监测、卡钻位置判断、钻井液漏失位置判断、漏失试验与地层完整性试验、井涌探测、钻柱及钻头工况分析等场景中的应用情况,指出了沿钻柱测量技术的发展方向,包括:完善随钻测量解释模型和应用场景、数据深入挖掘以及多参数可视化智能展示技术;优化传感器网络布局,开发替代有缆钻杆的高速信息传输网络,以提高其经济性;结合当前的技术需求和技术发展趋势扩展应用,以实现更多应用场景。在此基础上,对我国发展该技术提出了具体建议,建议持续完善井下工程参数测量系统、促进有缆钻杆商业化应用,在二者相对成熟后,逐步实现分布式测量传输。分析认为,采用常规钻柱和改进的分布式钻柱测量工具,利用智能微球分时传输技术实现分布式测量传输,是值得进一步研究的低成本沿钻柱测量路径。      

高频磁耦合有缆钻杆信道的联合仿真设计

为了延长高频磁耦合有缆钻杆的无中继传输距离,使用电磁结构仿真与线性仿真的联合仿真技术对信道建模并仿真。高频磁耦合有缆钻杆信道是重复的基本单元的级联,基本单元包含磁耦合线圈副与同轴电缆。对磁耦合线圈副,电路理论建模需要通过测量样品等得到元件参数,有些参数不易测量,有些结构及材料参数不易体现在模型中,而电磁结构仿真能够解决这些问题。对于同轴电缆这类大尺寸模型,电磁结构仿真耗时长,使用线性仿真可以保证仿真精度、缩短仿真时间。联合仿真技术弥补了单一仿真的缺陷,经实验验证,仿真结果与实际测量结果一致。通过联合仿真研究了基本单元级联数量、有缆钻杆尺寸、铁氧体磁芯磁导率及隔离隙等对谐振峰载波频点和衰减的影响,完成了高频磁耦合有缆钻杆信道的阻抗匹配和优化设计,使无中继传输距离达到了300 m以上,有效减少了中继器的使用数量,在降低成本的同时提高了信道可靠性,并完成了现场试验。     

基于线性仿真的高频磁耦合有缆钻杆信道建模

为了延长高频磁耦合有缆钻杆系统无中继器时的传输距离,需要选择载波信号频点和匹配不同长度有缆钻具间的阻抗。为此,建立信道模型进行仿真,以匹配不同长度有缆钻具间的阻抗。建立信道模型时,将传输信道划分为标准电路元件的最小重复单元,其包含同轴电缆和磁耦合线圈副;使用同轴电缆传输线元件仿真同轴电缆,使用物理变压器元件仿真磁耦合线圈副,形成由分布参数元件和集总参数元件组成的易于测量的混合模型。首先根据材料的尺寸、物理参数及仪器测量结果,确定每个元件的参数,并用ADS软件创建标准电路元件模型;再运用散射参数线性仿真进行电路仿真。仿真结果与实际样品的测量结果一致,表明通过建立模型进行仿真可以为高频磁耦合有缆钻杆的优化设计提供依据。高频磁耦合有缆钻杆经过信道建模优化设计,无中继器时的传输距离提高至300 m以上。      

智能钻杆的油田试验

在概述了智能钻杆的技术特点后,介绍了智能钻杆的油田试验情况,尤其是全部的网络性能,包括钻井操作、井下随钻测量工具(MWD)的网络集成,并得出如下结论智能钻杆系统的部件能应用于普通井队;智能钻杆不仅适合特殊钻井,而且也适合于一般的钻井操作;设计的感应线圈经过钻台上反复的上卸扣后仍然很牢固;智能钻杆能在钻井时沿着钻杆长度上的多测量点传输数据,并可以通过第3方井下MWD/LWD工具高速接收传输数据。     

高频磁耦合有缆钻杆信道建模与仿真分析

高频磁耦合有缆钻杆能够提高随钻测量数据的传输速率,其使用同轴电缆减少信道的高频损耗,利用磁耦合感应实现钻杆之间的无线信号传输。为了确定信号载波频率、实现不同有缆钻具间的阻抗匹配以及降低信道衰减,使用2种不同模型完成了信道建模与仿真分析。首先使用标准二端口网络元件级联模型仿真,虽然基于测量数据的"黑箱"网络元件无法给出物理解释,也没有用于优化的设计参数,但仿真结果有利于有缆钻杆工艺改进的验证性实验。其次使用集总参数电路和传输线混合模型仿真,其中集总参数电路有可测量的设计参数,在提供物理解释的同时能够优化设计,而传输线仿真了高频条件下长度不能忽略的同轴电缆。混合模型使用分级网络的链接参数完成散射参数的计算,设定了耦合系数、绕组电感及磁滞损耗3个调谐参数,仿真结果与测量结果相吻合。     

自动化智能化钻井技术进展

在介绍旋转导向钻井技术和地质导向钻井技术等近几年来钻井新技术发展的基础上,阐述了下一步钻井技术的发展方向,构建了自动化智能化钻井新技术的发展框架;通过开展随钻地震技术、近钻头测量技术等钻井新技术的研究攻关,实现钻井过程的随钻预测及自动控制;通过开展智能钻杆技术实现井下数据与地面数据及控制指令的高速率传输,最终形成闭环钻井系统,实现自动化智能化钻井。     

有缆钻杆技术突破钻井自动化信息传输瓶颈

随着钻井自动化程度的不断提升．实现井上和井底信息的双向实时传输已经成为自动化钻井需要解决的一个重要问题。最近几年,有缆钻杆技术取得突破性进展,最大传输速度达到5．76×10^4BT·s^-1,比通常采用的泥浆脉冲传输速度快2000倍．真正实现了数据的实时传送．满足了钻井自动化对信息传输的要求。     

智能钻井技术研究

石油钻井技术发展的总趋势是以信息化、智能化、自动化为特点,最终实现自动化钻井。智能钻井不仅仅是自动化钻井,广义的来讲,就是将人工智能的理论、方法和技术应用于钻井过程,使其具有类似人工智能特性或功能。详细介绍了智能钻井的四大关键技术——地面计算机智能专家系统、井下智能工具、井下供电装置、提供高速双向数据传输的通讯网络系统。探讨了如何对常规的钻井系统进行技术改造,使之具有数据采集、数据传递、数据分析、指令执行这四项智能钻井系统具有的功能,指出当前最为可行的智能钻井系统方案是电力驱动的连续油管智能钻井系统,为现阶段智能钻井技术的研究指明了方向。     

一种智能钻杆的现场试验显示了其技术实用性

新研发的智能钻柱组成部件每秒可以传输数据2Mbit,并且经过测试成功应用于商业钻井.本文详细叙述了智能钻柱在钻井现场的试验过程,试验主要针对钻井操作过程中整个网络的运行特性以及机械拆卸和组装井下各种测量仪器并使之兼容到智能钻柱网络中.这项新技术可以提高井的产能、减少钻井周期和钻井成本、强化井控安全.该智能钻柱系统包括一条由耐高压管线保护的高速数据电缆.电缆的终端是感应线圈,安装在每个接头的双台肩母扣里的二次扭矩台肩的键槽内.系统设计支持高速、高容量、数以百计的坚固的测量节点之间的双向数据传送,能使我们不只是在钻头上而是在整个钻柱上捕捉关键数据.另外,它还支持高可靠性的随钻测量工具并且可以同步控制井下工具.与普通钻机程序相比系统提供了更加稳固、可靠的操作.     

存储式井下振动测量工具的设计与室内试验

钻井过程中,如能成功地进行井下钻具的振动测量,则有助于了解钻具的振动状态及引起钻具振动的原因,从而采取相应的措施,减小振动,以减少或避免井下钻具的过早损坏、失效。因此,研制井下振动测量工具,对钻具的防振和保护具有很重要的意义。完成了存储式井下振动测量工具的总体设计,提出了具体的电子测量系统实现方案,进行了电子元器件选型、电子电路设计和控制软件开发。介绍了存储式井下振动测量工具的机械设计思路和过程,完成了机械系统结构设计和强度校核。最后,进行了存储式井下振动测量工具样机的室内试验,应用振动分析软件回放了测量数据,试验证明,样机设计合理,具备现场试验的条件。      

基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术

将北京石油机械厂顶驱的主轴旋转定位技术与MWP随钻测量仪相结合,设计并实现了基于顶部驱动钻井和井下动力钻具组合的顶驱滑动钻井导向控制系统。该系统由顶部驱动钻井装置、人机交互界面、井下动力钻具以及MWD随钻测量工具等4部分组成,将顶驱和井下动力钻具相结合,实现对旋转钻柱包括转速、转向、角度在内的完全控制,并可根据井下实时反馈的井眼轨迹信息,实现滑动钻井之前工具面的设置以及滑动钻进过程中工具面的实时监控和动态调整。内蒙SNO116-19H定向井项目的实际应用结果表明,该技术能够显著提升定向井钻进作业的整体时效和井眼质量,同时也为导向钻井的闭环控制和自动化控制奠定了基础。     

垂直钻井系统纠斜机构脉宽调制控制研究

为解决自动防斜垂直钻井系统在井下纠斜时纠斜方位难以准确控制的问题,开展了垂直钻井系统井下纠斜力连续控制的研究.在不改变钻具组合、元件和参数的前提下,建立了钻具导向纠斜机构机电液系统的动力学模型,推导出控制元件二位二通电磁阀在钻杆一个旋转周期内的通断时间与机构输出纠斜力的幅值及钻杆转速之间的函数关系;根据钻杆转速确定脉宽周期T,再根据目标纠斜力计算出电磁阀的断电持续时间Δt,在脉宽周期T内让电磁阀断电Δt,即可使纠斜机构输出预期的纠斜力.结果表明,试验模拟钻杆转速为65 r/min,在1个脉宽周期内对电磁阀分别断电50,60或70 ms时,液压缸目标控制压力(即纠斜力)分别稳定在7.0,5.0和3.5 MPa左右.研究结果表明,采用脉宽调制控制方法调节自动垂直钻具的井下纠斜力,能将纠斜力控制在稳定的目标值.      

自动垂直钻具井下流场特性研究

自动垂直钻井系统在工作中,导向活套与钻杆要有一个相对转速。导向活套在与钻杆连接轴承的摩擦转矩的作用下而随钻杆转动,而井下返程泥浆在通过活套时也会产生阻碍活套转动的反向扭矩,该反向扭矩是保证活套与钻杆存在相对转速的一个关键因素。利用FLUENT软件包对活套井下泥浆流场进行建模仿真,揭示了泥浆通过活套时的流动特性。计算结果表明泥浆对活套的反向扭矩取决于泥浆的流量、活套转速等多种因素,且只要钻杆转速超过平衡钻杆与活套的摩擦转矩的临界转速,该反向扭矩就可以使活套与钻杆间产生相应的转速差。     

钻杆接头过转盘倒划眼装置设计与应用

转盘驱动钻机在钻进的过程中,钻具遇到阻卡正好在转盘面对着钻杆接头情况下,通常使用了卡瓦倒划眼进行解卡作业,其难点在于钻杆接头处的耐磨带和钻杆加厚部分减少了卡瓦与钻杆的接触面积,转盘驱动扭矩通过卡瓦很难传递到钻具,卡瓦倒划眼的安全操作难度极大、卡钻风险极高。为此,针对性地设计出了一种钻杆接头过转盘倒划眼装置,该装置的实质就是当钻杆接头在转盘内时将坐钻杆卡瓦位置上移,避开钻杆接头的耐磨带及加厚部分的位置,使钻杆卡瓦与钻杆本体接触来有效传递转盘扭矩。结合倒划眼作业状况及装置原理,进而形成了使用该装置的钻杆接头过转盘的倒划眼技术。现场应用试验结果表明,该装置能有效地解决倒划眼时钻杆接头及加厚部位过转盘的作业安全问题,降低划眼中的事故复杂。该装置在四川盆地东部地区的XCH6井进行了现场应用试验,能够安全实现倒划眼作业,快速解除井下复杂。     

ReelWell钻井方法——一种新的控压钻井技术

ReelWell钻井是一种新的控压钻井技术,主要由双壁钻杆、滑动活塞、双浮动阀等组成.钻井液从双壁钻杆环空泵入井内,并从内部钻杆返回,能够实现钻井液的闭路循环及对井底压力的精准控制.该技术具有井底压力精确控制、钻井液微流量控制、井眼清洗、水力加压钻头、井底压力隔离、保护储层的特征,对于控压钻井、大位移井钻井、海洋深水钻井、无隔水管钻井、尾管钻井,提高钻井安全性与作业效率以及有压力挑战性的地层钻进方面具有较大的潜力和优势.文章详细地分析了ReelWell钻井的系统组成、工艺原理、特点及其应用情况,并建议我国结合实际情况,尽快开展这方面的相关配套钻井技术研究.     

电磁感应式随钻数据传输系统的研究

针对现有钻井液脉冲无线随钻测量技术不能满足钻井新技术发展要求的问题,对基于电磁感应式智能钻杆通信技术进行了理论及试验研究。该技术是一种利用电磁感应原理通过非接触的耦合方式进行信号传递的通信方式,非接触式耦合器是其关键部分。实验室模拟智能钻杆研究表明,对实际电感线圈建立合理的等效电路模型是其技术难点之一,而中继节的电路必须进行适当的信号调理滤除干扰噪声,同时还必须考虑电池供电带来的功率限制问题。实际应用中,还需考虑到外界的电磁干扰、系统所处的高温环境以及震动等影响因素。     

基于虚拟仪器的随钻井下管柱多参数测量系统

为了了解钻井管柱在井下的真实状态，运用虚拟仪器技术，研究设计了一种井下管柱多参数测量系统。该系统由井上扣井下随钻两部分组成，井下随钻部分作为一个接头接在下井管柱上下入井内，可随钻实测井下管柱的三轴加速度、轴向力、扭转力和弯曲力等运动与受力参数。其测量过程可以自动进行．也可由地面通过钻井液压力脉冲进行人为控制。整个系统采用模块化设计，充分体现了虚拟仪器技术的灵活性和实用性。模拟试验和现场试验均证明，该系统能正常启动，采集到的井下管柱受力与运动状况数据准确，且与现场工作状况基本吻合。