基于曼彻斯特编码的钻井液脉冲信号提取算法

为了提取出无线随钻测量中的钻井液脉冲信号并正确识别,对钻井液脉冲信号有效提取算法进行了研究。采用形态滤波算法来提取钻井液脉冲信号,运用膨胀与腐蚀运算来设计信号形态滤波器;在此基础上,根据曼彻斯特编码井下信号同步的特点,提出了一种基于周期内信号等份分割来精确分辨钻井液脉冲信号开始时刻的算法;采用模式相似度的波形识别算法,用来识别钻井液脉冲信号。仿真分析表明,运用形态滤波算法能有效提取出微弱的钻井液脉冲信号,能够提取去信噪比为20 dB的钻井液脉冲信号;运用模式相似度波形识别算法能有效对曼彻斯特编码的钻井液脉冲信号进行识别,能够对0.034 5~0.069 0 MPa的微弱脉冲信号进行识别,识别出来的比特流数据分析表明,采用该识别算法的误码率低于1.5%。研究结果表明,形态滤波算法和模式相似度波形识别算法能精确地提取和识别出钻井液脉冲信号,提高解码正确率,满足工程应用的要求。      

钻井液正脉冲井底信号传输系统分析

信号传输是随钻测量钻井技术井眼轨迹自动控制系统的重要组成部分,钻井液正脉冲信号传输是关键技术之一。介绍了钻井液正脉冲器的工作原理;重点分析了钻井液正脉冲井底信号传输的原理、信号编码方法和信号预处理方法;提出了适合于钻井液正脉冲井底信号传输的信号相关分析法。实验结果表明,该方法能有效地将有用信号从干扰信号中分离出来。     

随钻测量系统脉冲信号特征提取的多尺度方法

在钻井液随钻测量系统中,从接收信号中识别有效脉冲是地面系统正确解码的关键。文章引入多尺度小波分解方法分析钻井液信道噪声特性和信号特性的基础上,分别使用小波熵法和小波阈值滤波方法对含有多频泵噪声的脉冲信号进行基线波动修正及有用脉冲提取。结果表明,小波熵能够刻画钻井液脉冲信号能量分布的真实特征,而小波阈值滤波也是有效可行的MWD信号特征提取方法。通过工程实践的检验,文中的两种方法达到了检测率高、虚警率低的效果。     

钻井液水力通信通道传输信号的时频特性分析

传送随钻测量遥测信号的钻井液水力信道对信号有很大干扰,为把该信号从干扰信号中分离出来,采用脉冲编码组合克服传输通道的干扰。建立脉冲编码信号的时频特性基本方程,分析了脉冲编码信号的时频特性,提出了钻井液信道信号传输的通用准则。认为信号的脉冲长度与脉冲频谱宽度的乘积最小既可增大信号沿水力通道传送的速度,又可增加通信系统的有效距离。     

钻井液正脉冲信号的衰减分析

地面与井下的信息传输是井眼轨迹监测与控制的重要环节,目前,大多数的无线随钻测量系统都采用钻井液脉冲的传输方式,而如何提高传输深度和传输速率一直都是钻井液脉冲传输系统的研究主题,文中根据钻井液脉冲传输的静,动态理论模型,研究了正脉冲信号衰减规律。结果表明,脉冲信号在井眼中的往复传播类似于阻尼振荡,并逐渐衰竭,信号频率和钻井液粘度是影响钻井液脉冲信号衰减的主要可控因素。     

基于集合经验模态的随钻脉冲信号优良降噪算法

为了准确提取原始随钻钻井液脉冲信号,采用集合经验模态分解方法,基于固有模态分量构建不同的低通滤波算法,进一步采取方波整形处理,建立脉冲信号的降噪整形算法,并依据算法逼近度指标、相关度指标建立优良降噪算法的判断准则。利用单位脉冲信号、周期性杂波信号和高斯白噪声信号合成数值模拟钻井液信号,分析钻井液信号的降噪效果,所得优良降噪低通滤波算法由去掉前4个固有模态分量的其余模态分量及余项构成,其降噪结果能清晰描述单位脉冲信号,算法的逼近度达到0.7719,相关度高达0.8929。利用选定的优良降噪算法分析了实测的随钻测量钻井液信号,所得结果合理、有效。     

电磁随钻测量技术在泡沫定向钻井中的应用

常规的钻井液脉冲随钻测量仪器是以发射钻井液脉冲产生的压力波传输信号,无法在空气和泡沫等钻井液体系中传输,而电磁随钻测量系统为解决可压缩介质中信息传递提供了可能。分析了地层电阻率、表层金属套管、信号发射频率、环空钻井介质及地面环境对电磁信号的影响。CEM-1型EM-MWD在泡沫定向钻井中的应用结果表明:该系统传输性能基本不受钻井液性质的影响,在泡沫钻井过程中能很好地传输数据,且测试数据与测井数据相差很小。该技术在泡沫定向钻井中的成功应用可为类似可压缩钻井液体系中钻井提供参考。     

充气钻井随钻测量脉冲信号衰减规律

基于两相流体模型,考虑相界面的动量和能量交换、各相重力及管面黏性剪切力等封闭条件,建立充气钻井随钻测量(MWD)脉冲信号衰减的数学模型。利用小扰动理论求解数学模型,得到钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数计算模型,模型计算结果与现场试验实测的脉冲信号衰减结果吻合较好。利用该模型计算并分析了钻井液脉冲信号衰减的影响因素,结果表明,持气率、系统压力和脉冲频率是影响钻井液脉冲信号衰减的重要因素。低持气率(0～5%)时钻井液脉冲信号的传播速度随持气率的增加而迅速降低,随着持气率的持续增加,其变化逐渐趋于平缓;而其衰减系数则随着持气率的增加逐渐增大,并在达到最大值之后开始下降。相同持气率时,高系统压力下钻井液脉冲信号具有更快的传播速度;低系统压力下钻井液脉冲信号的衰减系数随持气率增加上升速率更快。钻井液脉冲信号传播速度和衰减系数随脉冲频率的增加而逐渐增大,并都在脉冲频率大于100 Hz后逐渐趋于一个较高的稳定值。     

去除随钻测量信号中噪声及干扰的新方法

由于受到钻井特殊条件的限制,井底和地面之间的随钻测量信号难以通过有线方式进行传输,目前工程中主要采用井液脉冲位置编码调制的无线传输方式.但是,由于泥浆压力、井深、泵压等信道传输特性会对信号造成影响,随钻测量中采集到的钻井液脉冲信号往往包含了各种噪声和干扰,直接影响地面信号解码结果的正确性.对钻井液脉冲脉位编码无线通信原理、噪声及干扰进行了分析,根据干扰与噪声的特点.采用线性滤波方法还原脉冲信号,又利用一种非线性"平顶消除"的方场采集的信号进行了处理.与线性滤波方法处理结果的综合对比表明,该方法能更有效地去除钻井泵噪声及其他干扰.现场应用结果表明,该方法对脉冲信号位置复原误差影响小,解码过程简单实用,具有误码率低、可靠性高等特点.     

井筒内钻井液连续脉冲信号传输频率相关摩阻模型

随钻测量的连续脉冲信号在井下传输的能量损失大部分来自于钻井液内部及其与管壁之间的摩擦。引入复频率概念,考虑到钻井液流体非牛顿流动特性,应用拉普拉斯变换,对脉冲信号在井筒内传输过程的衰减情况进行了频域分析,建立了钻井液连续脉冲信号传输频率相关摩阻模型;应用现场工程数据,分析了频率相关摩阻的影响因素及影响规律。结果表明,连续脉冲信号在低频段内衰减强度小,传输距离更远;在高频段内,连续脉冲信号传输稳定性更好。频率相关摩阻主要由脉冲信号频率特性和钻井液流体性质决定,在低频段内,其对脉冲信号衰减强度的影响更为显著;钻井液黏度越小,频率相关摩阻越小。     

提高MWD仪器在特深小井眼水平井测量可靠性的方法

顺北油气田油藏深度7 300~8 600 m,井底温度160~210 ℃,钻井作业定向仪器故障频繁。高温环境下MWD仪器测量影响因素主要包括仪器自身因素(脉冲及探管)及外部施工环境因素(振动、操作、腐蚀等),而后者可以通过采用适当的工艺措施进行改善。为提高仪器测量可靠性和定向轨迹控制时效,从振动、抗温、操作及工作环境等方面分析了不同因素对仪器信号质量的影响,提出了针对性技术措施。研究及应用证明,通过优化动力钻具尺寸、定向剖面、脉冲发生器间隙值、排量等工艺技术,可以利用合适的工艺措施提高高温MWD测量可靠性,有效降低特深定向/水平井仪器故障率,提高特深水平井轨迹控制效果。SHB1-4HCH等井应用上述工艺措施取得了明显的效果,进一步验证了改进措施的实用性,为同类区块的作业提供了有益的借鉴。     

ZTS电磁波随钻测量系统及其现场试验

俄罗斯定向钻井主要采用的是电磁波随钻测量方式,相关研究较早,技术也比较成熟。经中国石化集团总公司科技部安排,在胜利油田对俄罗斯ZTS - 172M电磁波无线随钻测量系统进行了性能测试。通过现场应用,对俄制电磁波随钻测量仪器的基本结构、工作原理、系统优点以及待改进问题等有了基本了解。并对俄罗斯EM -MWD电磁波无线随钻测量系统进行基本介绍和现场试验情况总结。     

vorteX型动力导向钻井系统在渤海油田的应用

为解决渤海油田深井和大位移井钻井中机械钻速慢、井下故障频发等问题,优选并试验应用了vorteX型动力导向钻井系统。该钻井系统由MWD/LWD、大扭矩井下动力总成、Filter+Flex总成、旋转导向系统等部件组成,由顶驱系统与动力总成复合驱动下的钻头高速旋转来实现破岩,由C-Link以电磁短程通讯方式完成旋转导向系统与MWD之间的信号双向传输,再经MWD完成电信号与钻井液脉冲信号间的转换后,实现与地面收发装置间的信号双向传输。现场应用表明,该系统的总动力达到133~257 kW,机械钻速可提高30.34%~205.06%;最大工作负荷由45 kN·m降至36 kN·m,理论磨损值降至原来的1/4;日平均进尺由74 m提高至160 m,节省工期153 d,折算费用1亿5 300万元。由此可知,vorteX动力导向钻井系统是旋转导向工具与大扭矩井下动力总成的有效结合,适用于深井与大位移井钻井,能显著提高机械钻速,减少井下故障的发生。      

ZTS-42 AP型电磁波随钻测量系统在泡沫钻井中的试验

常规随钻测量系统的脉冲信号是在泥浆介质中传递,不适用于气体、泡沫、雾化钻井循环介质。简述了俄罗斯的ZTS AP-42型电磁波随钻测量系统的组成和工作原理。在大庆油田的泡沫钻井中试验,该系统成功地接收到1 510 m井深处发射的电磁波信号,测试的伽玛和电阻率数据与测井曲线吻合,可以应用到2 000 m井深气体钻井中。     

可调式防脱键顶杆的研制与应用

座键式MWD仪器在大斜度定向井和水平井随钻测量施工中,时常出现脱键现象,导致无法形成正常的钻井液脉冲信号,影响钻井时效.为了解决这一问题,针对仪器脱键的原因展开了研究,研制出可调式防脱键项杆.现场应用表明,新研制的可调式顶杆能解决海蓝MWD、QDT-MWD等座键式随钻测量仪器施工中的脱键问题,提高了仪器入井成功率,为顺利进行随钻测量施工提供了保障,具有较大的实用价值和广阔的应用前景.     

地面信号下传系统的方案设计

信号传播是井眼轨道自动控制系统的重要组成部分。本文介绍了地面与井下通信系统的发展概况,总结了信号的传输方式及传播原理,并综合可靠性、传输深度、传输速率、经济性等方面,评价了它们的优缺点。通过分析MWD系统中泥浆脉冲的发生和传输原理,考虑到信号下传的特点和井眼轨道闭环控制系统的要求,确定出地面信号下传系统宜采用负泥浆脉冲方式。在此基础上,提出了地面信号下传系统的设计要求与设计原则,阐述了下传负脉冲的发生原理,并给出了系统的设计方案。