磁耦合有缆钻杆关键技术与发展趋势

作为高速井下网络通讯部件,磁耦合有缆钻杆利用水眼内的同轴电缆实现信号的高速传输,利用钻杆两端的磁耦合线圈实现了钻杆间的无线通讯,磁耦合通讯使磁耦合有缆钻杆不影响常规接单根等钻井工艺。借助数据服务器、无线短节、中继器、井下单元及各种有缆钻具等功能部件的配合,磁耦合有缆钻杆系统能够实现地面及井下数据的组网通讯,具有高速、双向、全天候的传输特性。磁耦合有缆钻杆的关键技术包含:高速调制解调器、井下令牌环网、虚拟串口技术及分布参数测量等(基于高速调制解调器的井下令牌环网是高效的组网技术);虚拟串口技术便于第三方厂家快速利用磁耦合有缆钻杆连接自己的测量工具;分布参数测量以较低的成本实现了全井筒的状态监控,在控压钻井、井控安全、钻井参数优化等方面有重要作用。智能(自动化)钻井是钻井业的发展趋势,磁耦合有缆钻杆的独特特性使其适用于智能(自动化)钻井。在减少应用成本的情况下,磁耦合有缆钻杆能够进一步开拓市场。     

智能油井管在石油勘探开发中的应用与发展前景

指出了钻井液脉冲无线随钻传输以及在井下用电池或涡轮发电机供电所存在的问题.先进的钻井、完井、采油技术需要既能由地面向井下输送足够的电能以电控井下仪表、传感器等钻井硬件,同时又能建立104～106bps的超高速率传输多类参数的有线实时双向闭环钻采信息"高速公路".介绍了智能钻柱的形成与发展,指出了智能油井管在石油勘探开发中应用的功能、优点及发展前景,提出了智能钻杆的设计、研制方案及与智能钻柱配用的多种电控井下硬件等创新点,认为智能油井管是实现智能钻井、完井和建设智能油井以及智能化油田的技术关键和创新工程.     

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。     

钻井井下声波遥测网络

<正>加拿大XACT井下遥测公司在壳牌和BP两大国际石油公司的支持下,成功开发了钻井井下声波遥测技术,并投入商业应用。该技术是使用压电或电磁材料产生纵波,使之沿钻柱高速传输至地面的一种信号传输技术。它可消除钻井液脉冲传输只能针对井下单一位置进行传输的局限,沿管柱多点测量压力、温     

电缆钻杆遥测技术探测井涌

通常,井涌或井漏的探测主要是根据地面测量来确定,如泥浆池增量或减量,再结合突变的泵压和大勾载荷,控压钻井中所用的精密Coriolis流量计等,都是常用的井涌井漏探测方法。而当前利用井下数据进行的电缆钻杆遥测则可能是新一代井涌井漏探测系统。如今可以用高速双向实时钻柱遥测,传输速度达57000位/s,在整个作业过程中( 不仅是循环过程中) ,井下传感器的高速带宽和井下工具的双向通信可以革新整个钻井作业。电缆钻杆遥测沿钻柱分布测量节点,现在只有压力传感器被用作环空中沿钻柱传感器,这些传感器采用自校准实时流动模型和沿钻柱压力测量,将实时压力测量值直接用于一软传感技术中实时评估控压钻井中的气涌,采用卡尔曼滤波( Kalman Filter) 技术,结合多相流动模型,实时评估溢流量,还可同时探测溢流层位的深度。     

钻柱振动录井的研究现状及发展趋势

钻进过程中钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,这种振动携带了井下钻头、所钻地层和钻柱的信息.利用在钻柱顶部测量的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的技术称之为钻柱振动录井.对钻柱振动录井技术的基本原理、钻柱振动特征、测量仪器、数据处理方法和存在的主要问题及发展趋势作了系统分析,认为:钻柱振动录井可用于井下工况监测、地层评价与钻前预测,具有很好的发展前景;钻柱的传播效应使井下振动信号发生了强烈畸变,发展钻柱振动录井的关键是引入新型信号分析方法,分离钻头、钻柱、地层信息,有前景的方法包括反褶积、小波分析、独立成分分析等;无线传输、多参数、多分量钻柱振动测量手段的应用将有助于信号分析和井下信息提取.     

随钻地震中地层参数的预测

随钻地震是地震勘探技术和钻井技术的结合,随钻地震技术是利用钻井期间旋转钻头的振动作为井下震源,在钻杆的枯赔,井附近的地表埋置检测器,分别接收经钻杆,地层传输的钻头振动的信号。通过互相关和反褶积等数据处理方法,得到有关井下的地层信息,预测钻前地层速度和反射界面的深度等地层参数,随钻地震技术可以降低钻井成本,提高勘探开发综合经济效益。     

声波钻杆信道及信息传输仿真研究

为利用声波沿钻杆有效地随钻传输钻井数据,提出应用声波无缝传输模型将任意井下钻具组合(BHA)分解为单个声波无缝传输模型(RATO)的级联。建立了BHA中每个钻具的RATO,分别设计FIR滤波器模拟该模型,根据对信道通带位置最佳逼近原则应用相位均方误差最小准则获得最佳FIR长度;将子双口网络参数连乘得到模拟的多钻具级联构成的BHA的系统函数;应用有加工误差为±4%的5in同规格钻杆随机级联为例仿真声波钻柱信道验证了FIR滤波器的方法的正确性和可行性;在该信道上采用2FSK调制解调方式进行信息传输仿真,信号载频位于信道子通带内,约2 500m信道、传输波特率为20bit/s时误码率小于3%。可以应用FIR滤波器仿真声波钻柱信道进行信息传输研究,为随钻声波传输仪器的研制提供测试平台和技术支持。     

钻井井下声波遥测网络

<正>加拿大XACT井下遥测公司在壳牌和BP两大国际石油公司的支持下,开发成功了钻井井下声波遥测技术,并投入了商业应用。这一技术是使用压电或电磁材料产生纵波,纵波沿钻柱高速传输至地面的一种信号传输技术。它可消除钻井液脉冲传输只能针对井下单一位置进行传输的局限,沿管柱多点测量压力、温度、扭矩、挠度、拉力等数据。全程连续提供全井筒和管柱信息,可在任意环境下提供高速、实时数据传输,并实现地面与井下的双向通信,传输不受井深和水深的影响。声波遥测网络工具由信号发生系统、传输系统和接收系统组成。信号发生系统采用压电或电磁换能器作为声波发生器,其他     

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在深井和硬地层钻井中，地质构造复杂、地层倾角大、地层研磨性强，机械钻速低、钻具失效严重，钻柱设计是其中的制约因素之一。为此，文章提出以钻柱的强度和沿程水力损失为依据，对深井、强化钻井钻柱设计进行了探讨。针对Φ127 mm钻杆在深井、强化钻井的不足，提出采用Φ139.7 mm或Φ149.2 mm钻杆；对深井尾管段小井眼，针对88.9 mm钻柱的不足，提出采用Φ102 mm钻杆。同时,以钻杆材料的力学性能为例，指出在正确认识API标准的基础上，制定高于API标准的企业标准势在必行。     

可更换钻头套管钻井工具及工艺研究

采用常规钻机、利用转盘驱动的简易套管钻井技术由于受钻头寿命的限制，只能用于一只钻头钻至设计井深的情况，为此，研制开发了转盘驱动的可更换钻头套管钻井系统。该系统由起下工具、井下锁定工具串及坐底套管3部分组成。进行套管钻进时，井下锁定工具串锁定在坐底套管上，需更换钻头或井下锁定工具串时，往套管内部下入起下工具并解锁锁定装置，起出井下锁定工具串，更换完毕后，再将井下锁定工具串从套管内送入井底，锁定在套管柱末端的坐底套管上，起下过程中可保持钻井液的循环和钻柱的转动。该系统在吉林油田2口井上进行了试验，井下锁定工具串的下入成功率达到100％，并实现了套管正常钻进，但由于打捞矛无法进入到井下锁定工具串的打捞孔中，致使2口井都没有正常起出井下锁定工具串。详细介绍了可更换钻头套管钻井系统的组成、原理、施工工艺及现场试验情况。     

定向井滑动钻进送钻原理与技术

定向井和水平井钻进经常采用滑动钻进方式。地面间歇向井内送入钻杆是如何转化成井下钻柱对钻头的推进的？如何减小钻柱与井壁的滑动摩擦力给钻压带来的误差？现有的滑动钻进送钻技术各有什么优缺点？这些都是业界关心的问题。为此,把钻具送到井底并加上钻压,暂停地面送钻操作的工况作为研究区间,分析了井底的钻柱弹性、水力振荡器和液力推进器3种送钻原理。阐述了带井下动力的钻具组合、带水力振荡器的钻具组合和带液力推进器的钻具组合的滑动送钻技术,给出了地面钻进参数与井底钻进参数的关系。进而比较了3种送钻技术的特点：带井下动力的钻具组合在井底是依靠钻柱的弹性推动钻头前进;带水力振荡器的钻具组合依靠其产生的水力振动来降低钻柱与井壁间的滑动摩擦力,改善钻压传递效率;带液力推进器的钻具组合在其工作钻压区间,依靠活塞推动钻头前进。结论认为,带液力推进器的钻具组合滑动送钻技术最优,钻压可调、平稳,液力推进器可串联使用,钻进时可以活动上部钻柱。     

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析

为了进一步提高深部地层钻井速度,基于直井钻进过程中底部钻柱振动特性的研究成果和有效利用直井底部钻柱纵向振动能量实现钻井液增压的思路,研制出了JZZY-1型井下钻柱减振增压装置。该装置工作时,能将钻柱振动能量转化为钻井液的压能,使钻井液增压并通过钻头上的特制喷嘴产生超高压射流,从而实现既减小钻柱纵向振动,又提高钻井液喷射压力来辅助破岩的目的。胜利油田3口井的现场试验结果表明,该装置能够大幅度提高钻井速度,不但结构可靠、工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求,而且其减振效果优越。这表明利用钻柱纵向振动来实现井下钻井液增压是可行的,应对该增压装置进行深入研究,以满足深井超深井安全高效钻井的需求。      

智能钻柱设计方案及其应用

用旋转导向钻井工具在复杂地质条件下钻复杂结构井、特殊工艺井以及建设智能油井是21世纪的重要课题和发展方向之一。分析了钻井液脉冲无线随钻传输以及电磁波传输所存在的问题,指出采用导线传输方式既能由地面向井下输送足够的电力以电控井下仪表传感器和专用硬件,同时又能建立10^～10^6b／s的超高速率传输多类参数的有线实时双向闭环钻井信息“高速公路”。提出了智能钻柱的设计思路及方案,并分析了智能钻柱的功能、优点。     

钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力分析

页岩气井的发展方向是垂深更深、水平段更长，长水平段延伸钻进困难已成为制约深层长水平段页岩气井效益开发主要的瓶颈，而采用轻质钻杆则是解决页岩气井水平段延伸钻进难题的方案之一。为了定量化评价钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力，基于Hamilton原理建立全尺寸钛合金钻柱动力学模型并采用HHT-α法对模型进行求解；进而以钢制钻杆作为比较对象，分析钛合金钻杆的降摩减阻、抵抗变形和轴向力传递能力及其影响因素。研究结果表明：①钛合金钻杆能够有效减少钻柱摩阻，当钻井液密度为1.30 g/cm3时，?101.6 mm钛合金钻杆的接触摩阻比同规格的钢制钻杆减少18.5%，?127.0 mm钛合金钻杆的接触摩阻比?101.6 mm钢制钻杆减少34.8%；②较之于钢制钻杆，钛合金钻杆更容易发生屈曲变形，但通过调控钛合金钻杆尺寸规格可以缓解屈曲变形，从而降低屈曲导致的局部摩阻增加；③钻井液密度提高，能够明显增强钛合金钻杆的降摩减阻效果。结论认为，轻量化的?127.0 mm钛合金钻杆的降摩减阻能力高于?101.6 mm钛合金钻杆，更高于?101.6 mm钢制钻杆，更加有利于解决长水平段水平井延伸钻进困难的问题。     

超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析

粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论。采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征。结果表明:实测井段发生了大量的粘滑振动,粘滑振动频率约为0.11 Hz,粘滑振动周期约为9.0 s,粘滞时长达4.0 s,滑脱阶段井下钻柱转速最大达330.0 r/min,约为地面转速的2.75倍;粘滑振动与地面测量扭矩波动具有很好的对应关系,说明可以通过地面测量扭矩特征初步判断井下钻柱是否产生粘滑振动。频域分析结果表明,当发生滑脱运动时,径向加速度的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值最大,同时还包含横向共振频率和与井壁接触产生的外激励频率等,但轴向振动的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值较小,表明钻柱粘滑振动过程中扭转振动最为突出,并存在强烈的横向振动和较弱的轴向振动。研究结果对描述粘滑振动的特征、判断超深井钻井过程是否发生粘滑振动和及时采取消除粘滑振动技术措施具有指导作用。      

气体钻井钻柱抗疲劳短节设计与应用

气体钻井过程中由钻柱运动（包括公转和纵向共振） 引起的钻具疲劳断裂,造成了大量的井下钻具事故,成为推广应用气体钻井技术的障碍。为此,设计开发了气体钻井用抗疲劳短节：该短节组装采用花键联接;通过对轴向冲击力作用的下部钻具力学仿真分析,钻进中抗疲劳短节的花键芯轴与花键外筒产生相对位移,压缩筒内二甲基硅油吸收冲击力,从而使安装抗疲劳短节的钻铤应力水平降低30%。现场应用结果表明：安装应用抗疲劳短节的钻柱扭矩参数变化不大,钻进平稳且未发生跳钻现象,钻头受力均匀,钻时比较稳定;出井的短节经探伤检测合格级别为I级,进一步验证了抗疲劳短节可以有效预防钻柱在气体钻井中所产生的钻具疲劳断裂问题,有利于钻柱在气体钻井中长期安全工作。     

钻柱中声波传播特性实验研究

探究声波在实际钻柱中的传播特性和规律是随钻信息声波传输技术的一项基础性研究工作,而国内在这方面才刚起步,仅进行了一些理论研究和室内实验工作。为此,基于已有成果,研制了基于压电效应的纵向变幅杆井下声发射换能器和地面声波信号接收换能器,设计了钻柱中声波传播特性的现场井下实验方案。采用钻井工程上常用的?127 mm钻杆,分别在200 m、430 m、542 m、700 m、827 m、997 m等6个不同的深度点,测试了400~4 000 Hz频率范围内不同频率声波在钻柱中的传播特性,并分析了测试结果,进而认为,基于钻柱的声波传输技术用于随钻信息传输是可行的。研究结果表明:1有一些频率的声波可以在钻柱中传播,而另一些频率的声波在钻柱中传播能力则很差;2声波在钻柱中传播衰减程度与声波频率、钻柱长度和周围介质有关,在介质为清水的情况下,平均衰减值约为0.05 d B/m;3综合考虑数据传输速度与衰减等因素,可用于数据传输的声波频率应为400~1000 Hz之间的一些频率点,最佳频率点为600 Hz、650 Hz和950 Hz。结论认为:在试验井中的实验得到了钻柱中声波传播的重要数据和结论,可以为声波传输技术的研究和应用提供技术基础和依据。     

应力波井筒数据传输技术综述

长期以来,油气勘探与钻井业对随钻数据传输技术进行了不懈的研究,产生了泥浆脉冲、电磁波、声波等无线数据传输技术及各类有线数据传输技术,各种传输技术都有自己的局限性,本文阐述了在钻井过程中使用应力波通过钻柱实时传输井下数据的关键技术,并介绍了应力波在钻柱传输特性,信号发送与接收,数字通讯及强噪声背景下微弱信号的混沌振子检测等方面的研究成果以及克拉玛依钻井工艺研究院研究的应力波MWD。