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。     

国外井下随钻测量传输系统概述

概述了国外随钻测量技术的发展过程,较系统地介绍了随钻测量的电缆传输系统、电磁传输系统、声能传输系统和钻井液压力传输系统的基本原理、传输方式及应用范围,还对钻井液涡流脉冲传输系统作了较详细的阐述。     

钻井液脉冲信号传输影响因素分析

在应用钻井液脉冲式无线随钻测量仪器进行井眼轨迹监测与控制时,钻井液脉冲信号在传输过程中经常会受到井深、钻井液性能、空气包、井底动力钻具等因素的影响,给正常的井眼轨迹监测与控制带来一定困难。详细分析了这些不利因素对脉冲信号传输带来的影响,并结合具体施工经验给出了解决的方法。      

钻井液脉冲信号的传输特性分析

井眼轨迹自动控制技术是当前国内外钻井技术领域的研究热点,其技术关键是地面与井下的信息通信问题。钻井液脉冲作为这种信息通信的一种有效方式,越来越受到人们的重视和青睐。但是,目前对钻井液脉冲传输特性的研究多是以试验为手段进行产品开发,而对其传输机理的研究甚少。根据钻井工艺技术的具体特点,建立了钻井液脉冲信号传输系统的数学模型,并给出了求解方法。最后,通过实例分析了钻井液脉冲信号的传输特性。研究的结果对现有钻井液脉冲信号传输系统的改进以及新系统的开发都具有参考价值。     

无线随钻测量信息传输的现状与问题

为了及时获得钻井作业时的随钻测量信息,准确建立地面与井底之间的闭环信息流通,对无线随钻测量信息的传输方式进行了研究。介绍了钻井液脉冲、电磁波、声波三种无线随钻测量信息传输的工作原理,对比了三种传输方式的优缺点,并对三种传输方式存在的问题进行了详细分析。最后,指出了无线随钻测量信息传输方面的研究重点:钻井液脉冲传输方式应研发连续波信号发生器,实现更高的数据传输速率、工作可靠性以及环境适应能力;电磁传输方式应优化信号发生器的工作频率和效率,研究微弱信号检测及处理,增加信号中继器等技术,提高电磁传输信号的距离;声波传输方式应在码间干扰、噪音、声波能量的衰减等方面予以研究。     

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。     

钻井液脉冲沿井筒传输的多相流模拟技术

在随钻测量系统和闭环钻井系统中,把钻井液看作气相、液相和固相的多相流体,研究了钻井液脉冲的传输速度计算方法,分析了钻井液的组份含量和特性对脉冲信号传输速度的影响.根据多相流的动力学方程,建立了模拟钻井液脉冲动态传输特性的数学模型.研究结果表明,钻井液中的气相和固相将对钻井液密度和压缩性产生影响,进而影响钻井液脉冲的传输速度和传输特性.随着钻井液密度和压缩性的提高,脉冲信号的传输速度降低.脉冲传输速度对含气量非常敏感,随着含气量的增加,传输速度迅速下降;沿井筒往复传播的钻井液脉冲在系统边界处将产生折射和反射,类似于阻尼振荡;钻井液粘度是影响脉冲信号衰减速度的一个重要因素.该数值模拟方法简便易行,可以替代部分室内实验,对现有钻井液脉冲传输系统的改进以及新系统的开发都具有参考价值.     

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.     

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。     

随钻测井钻井液脉冲信号基线漂移的矫正

钻井液脉冲信号携带了随钻测量系统的参数信息，其在传输过程中受到各种噪声的干扰，信号不平稳且存在基线漂移。为去除钻井液脉冲信号的噪声和基线漂移，使其能满足信号解码的要求。采用小波变换技术过滤信号噪声，检测出脉冲位置，并采用中值滤波的方法矫正信号中出现的基线漂移。实验结果表明，小波变换能够有效地去除钻井液波信号中的噪声，中值滤波很好地解决了钻井液脉冲信号中的基线漂移现象。采用中值滤波的方法去除基线漂移完全满足现场的要求，为钻井液波信号的解码奠定了基础。     

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。      

随钻测量用MIMU信号处理

为提高随钻测量系统的姿态估计精度,克服传统算法对于非平稳信号处理的局限性,提出基于ARIMA模型的卡尔曼滤波算法。该算法采用时间序列分析方法,建立了随机漂移误差的ARIMA模型,根据实测数据的ACF和PACF,确定微机械陀螺仪模型的各个参数,利用卡尔曼滤波算法进行滤波处理。实验对模型的拟合残差均值与方差作了比较分析,通过卡尔曼滤波处理,ARIMA模型数据零偏减小了1个数量级,滤波方差相比传统AR模型减小了42%。所建立的ARIMA模型与传统时间序列方法建模相比,降低了模型预测误差,滤除MEMS陀螺仪随机漂移误差更为明显,模型对提高陀螺仪输出精度更为有效。     

有保护时隙的高效PPM钻井液脉冲信号编码

为了提高井下数据的传输速率,降低电池能耗和脉冲发生器动作频次,需要研究并选择具有高编码效率和节电效率的钻井液脉冲信号编码方法。为此,选择具有较高节电效率的脉冲位置调制（PPM）编码方法,分别计算了有不同数量保护时隙的多脉冲位置调制（MPPM）与差分脉冲位置调制（DPPM）的编码效率和节电效率。计算结果表明:MPPM的编码效率随着待编码信息位数增加而升高,而DPPM编码信息位数可以取定值来实现组合编码;在待编码信息位数较少的情况下,DPPM编码、译码算法更易实现,有更高的编码效率及节电效率,在保护时隙数量为2时,DPPM编码效率可达46.2%,节电效率可达84.6%。研究结果表明,有保护时隙的DPPM编码具有较高的编码效率及节电效率,其编码映射方法更简单,是适合钻井液脉冲信号的高效编码方法。      

适于中原油田天然气井的新型钻井液

针对东濮凹陷储气层特征,研制了新型的甲酸盐/正电聚醇钻井液体系.在地层孔隙压力较低时,主要使用正电聚醇处理剂确保钻井液具有良好的性能;在地层孔隙压力较高时,则配合使用甲酸盐进行加重,以维持一种性能优良的低固相钻井液体系.试验表明,该体系具有防塌、润滑和储层保护等多种功能.     

Evaluation Indexes of Environmental Protection and a Novel System for Offshore Drilling Fluid

Oil resources are abundant in the offshore area that is an important channel for the human to obtain oil and gas. With oil exploration and development, the marine ecological environment has been influenced increasingly. Through a large number of laboratory tests, the evaluation indexes of the environmental offshore drilling fluid system were established, which are consisted of heavy metal, petroleum, acute biological toxicity, biodegradability, and so on. Four types of agents for environmental offshore drilling fluid and a novel environmental offshore drilling fluid system were developed on the basis of establishing the evaluation indexes. The basic formulation of the novel drilling fluid system is: 400 mL Seawater + 0.3% Na₂CO₃ + 0.2% NaOH + 4% Bentonite +0.5% HXB-1 + 2% MMF + 1.5% SDR-30 + 1%HXJ + 1% SDE-1 + 2%NFA-25, and the system has been applied successfully to Bohai Bay in Shengli oil field. The results showed that the environmental offshore drilling fluid system had favorable drilling performances, met the requirements of drilling engineering and marine environmental protection, and realized the source control of the environmental contamination from offshore drilling, the environmental performances of which were superior to sulfonated polymer drilling fluid and oil-based drilling fluid.     

用于衰竭地层的新型钻井、完井和修井液：避免漏失、地层伤害和卡钻

油气田开发进入中后期后 ,衰竭地层的钻井、完井和修井作业有所增加。接近正常压力地层要维持井眼稳定 ,衰竭地层需要承受非常高的过平衡压力———经常超过1 0 0 0lb/in2 。因此 ,诸如压差卡钻、侵入深层滤液和严重井漏等问题非常普遍。问题严重时增加成本和严重的油层伤害可导致持续的不经济的油田开发。论文描述了一种新型流体处理剂组合 ,它是为了在渗透性地层上形成有效的低渗透阻挡层而设计的。新型液体处理剂已经应用在水基流体、油基流体和合成基流体等领域 ,取得了良好的效果。实验室和现场数据表明流体侵入大大减少。该流体的优点 :大幅度减少了压差卡钻 ;增加了破裂压力梯度 ;渗透率恢复值高 ,因此油井产量高。论述了处理剂提供优越侵入控制的机理 ,以及这种保护阻挡层从生产层段上容易清除的机理。新型流体处理剂已经应用在大多数陆地和海上油气田 ,除了提供有效的技术方案以外 ,它们已经获得环境方面的认证 ,可以不受限制地在诸如墨西哥湾和英国北海地区使用。     

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。     

新型纳米材料在页岩气水基钻井液中的应用研究

针对页岩气钻探中水基钻井液携岩、封堵纳米孔径、抑制页岩分散等方面需求,研制了一种直径约为30 nm的纳米层状材料LDP。在流变方面,120℃老化后,2% LDP悬浮液比6%钠膨润土具有更高的弹性模量、屈服应力和剪切稀释性,与0.5% PAC-LV溶液复配实验表明,1% LDP的增黏提切性能优于4%钠膨润土;同时,周期震荡应变扫描实验表明,LDP悬浮液在高低应变转换时具有更好的凝胶结构恢复和拆散性能;粒径分析、透射电镜分析表明,LDP比钠膨润土在水溶液和PAC-LV溶液中更容易形成明显的网状结构;在封堵方面,利用N₂吸附分析了页岩在不同溶液浸泡后的孔隙,结果表明,LDP比纳米二氧化硅、钠膨润土具有更明显的封堵效果,扫描电镜分析揭示了LDP材料能够封堵页岩狭长纳米孔道。在页岩抑制方面,2% LDP抑制黏土线性膨胀率较清水降低45%,优于7% KCl,100℃页岩滚动回收率约为59.6%,与7% KCl基本一致,土块浸泡在2% LDP溶液96 h形貌完整。整体而言,LDP纳米材料在增黏提切、纳米孔隙封堵和页岩抑制方面有良好的效果,在页岩气高性能水基钻井液中有一定的应用前景。      

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。