钻柱结构声传输特性试验研究

声传输方式因结构简单、成本较低、易于定向发射等优点成为研究的热点。为寻求更高数据传输速率和受工作环境影响更小的井下随钻无线传输技术,设计了近钻头声信号传输试验系统,论述了声传输的信道特性、影响因素和信号检测方法,分析了管箍界面以及泥浆介质的阻尼影响,通过色散曲线对钻杆中纵波传输的频域特性进行了详细分析,试验研究了近钻头中声信号传输时激励信号与接收信号的关系。结果表明,周期性钻柱结构具有复杂的声特性,在钻柱信道中,通带和阻带交替出现,且在一个频带周期内随着频率的增加,通带先变窄再变宽,阻带则先变宽再变窄。存在适合高速和大信息量传输数据的声信号频带和信号特征。     

钻柱结构声传性能试验研究

采用瞬态分析方法对周期性结构钻柱进行分析,建立了钻柱信道声传输性能试验系统,用该试验系统研究激励信号频率和钻柱结构对声信号传播的影响,对接收信号的时域波形、幅值和频谱的变化规律进行分析。研究结果表明,声信号在传播过程中会衰减,衰减与传输距离和信号频率有关,并随着距离和频率的增大而加剧;为保证声波遥传,工作频率应小于1 kHz;钻柱几何结构、物理参数对传输性能影响很大,随着频率增大,信号幅值减小,信号波形失真程度加剧;钻杆连接处有杂质或连接不紧密会加剧信号失真程度,激振器与钻柱端面接触不紧密时将产生较大的杂波干扰,因此应使激振器与钻杆端面紧密接触,保证连接部位的清洁。     

钻柱结构中低幅声波接收效果的试验研究

为便于在室内对钻柱结构中声波的传输及衰减特性进行深入研究,设计了声波接收效果测试系统,并对正弦声波在水平放置的周期性螺纹连接管结构中传输时不同位置的接收效果进行了试验研究。研究结果表明,同一截面不同点接收到的声波幅值存在差异,不同截面接收到的声波也存在差异;每个截面接收到的声波幅值差异随着发射声波频率的变化而变化,但接收到的声波频率相同,皆为发射的频率;不同截面同一方位接收到的声波幅值并非依次递减,而是交错分布,幅值分布规律亦随频率的变化而变化。最后指出测试井下信息声载波有2种方案可供选择,即:1沿截面周向分布多个小型测量装置同时测量,选取最大振幅的点作为最终接收信号;2使用变幅杆将声波信号汇集到中心截面,通过一个小型测量装置来测量。     

声信号在井下管结构传输特性的研究

井下管结构声波的传输方式是用沿钻杆传播的弹性波作为载波,使得井下的数据成功传输到地面。这种传输方式简单易行,且投资少;但因钻柱结构的变化影响声传播特性,信号因反射和折射而衰减,限制信号的传输。目前,普遍采用理想周期性管结构来研究钻柱的声波传播特性,理想周期性钻柱的声波传播呈现出频带具梳状滤波器结构特性,且频带分布具有一定的周期性和对称性。钻柱不可能是由同一钻具连接的周期模型,而是根据地层的需要进行不同钻具组合,所以需要研究非周期性钻柱声波信道。利用双端口网络法建立周期和非周期的钻柱信道模型,并分别研究不同的钻柱特性,得到非周期性钻柱由于结构变化加剧,通带衰减也大幅增加。     

随钻声波传输的信道特性研究

为给随钻声波传输系统的设计和研发提供理论和试验依据,对声波在钻柱中传输的信道特性进行了研究。首先以声波在周期性结构的传输理论模型为基础,编制了计算机仿真程序,仿真分析了钻柱结构、钻柱长度及钻管长度对单位脉冲响应的影响;然后采用88.9与127.0 mm钻杆,较系统地进行了声波传输试验,分析了钻柱长度、支撑方式、信号接收位置、钻柱曲率及钻柱尺寸对声波传输信道特性的影响。结果表明:钻柱信道呈梳状滤波特性;钻柱的信道特性不随支撑方式的改变发生较大变化;钻杆数量的增加导致时域波形衰减;钻柱的声波信道特性基本不受钻柱长度的影响,但单根钻杆的差异会引起通频带缩小;不同接收位置接收信号的通频带的位置及宽度完全一致,只是幅值不同;钻柱曲率不会对通频带的位置产生影响,但会对其宽度造成影响;钻柱尺寸基本不会对通频带结构产生影响。仿真分析结果与声波传输试验结果可为随钻声波传输系统的设计提供模拟及试验依据。      

井下钻柱信道的声传播特性

基于钻柱信道的随钻数据声波传输方式能够满足现代钻井速度快、传输数据量大的要求。在声传播特性分析模型建立基础上,采用传递矩阵计算方法,对不同钻柱组合的声传播特性进行了研究。结果表明,钻柱信道的一个最明显特征是窄频带多波段通信。钻柱信道的几何结构、物理参数和信号频率对信道传输性能有显著影响,随着信号频率和传输距离的增大,接收信号衰减程度增大,同时信道的声传输性能还受钻柱材料的弹性模量和密度的联合作用影响。对于周期性钻柱,当钻杆长度增大时,通带中心向低频偏移,通带和阻带变窄;当接头横截面积减小时,通带变宽,阻带变窄,一个频带周期内通带中心向频带中心频率偏移,距离频带中心越近,其偏移量越大。对于非周期性钻柱,结构和物理参数差异的增大,会引起钻柱信道频域特性的显著变化,声传输性能显著下降。信噪比是影响井下信息声传输系统设计的关键因素,同时为了实现声波遥测,声传输方式的通信工作频率应尽量选择低频。     

短距离钻柱声波传输特性试验研究

为研究钻井中短距离钻柱的声波传输特性,在1.28 m长的钻柱上建立了一套短距离声波传输试验系统,对声波信号在短距离钻柱中的传输特性进行了试验。试验以方波为驱动信号,采用径向和轴向钻柱激励,激励频率从2 Hz升高至50 Hz,传感器安置于接收端各个不同位置。试验研究声波信号对驱动电压、激励方向、激振频率以及传感器测量方向等参数的敏感性。试验结果表明,声波信号在传输过程中有衰减并含有回波和大量噪声干扰,在井下工具能耗允许范围内可采用大电压供电、径向激励钻柱和传感器径向接收信息的方式。     

钻柱信道中声波信号传输性能研究

石油钻井过程中使用的钻柱自上而下贯穿整个井筒,钻柱是连续的钢质结构,为声波的高速传输提供了得天独厚的条件,被认为是一种很有潜力的高速通信方法。为此,笔者对纵波声波信号在钻柱信道中传输的时频域特性进行研究,并对钻井液阻尼的影响规律进行分析。研究结果表明,纵波声波以正弦信号形式传输效果较理想,钻井液阻尼对钻柱信道传输性能的影响较小;信道通带内的频率信号传输性能较好,经过钻柱信号的幅值和波形保持良好,阻带内的频率信号经过钻柱时其幅值衰减明显,并产生显著的色散现象,信号波形失真严重。因此,传输信号频率应尽量选择在低频段的通频带内。     

底部钻具振动特性分析及信息传输实验

振动问题一直是引起底部钻具失效的主要原因,对其进行研究能减小钻具损害和各类井下事故的发生。设计了振动测量系统,测量了底部钻具组合(BHA)在井底受到的各类作用力下的振动特性并分析了其规律,利用钻柱的振动特性传输井下信息。BHA振动实验是在分析井下钻柱受到的作用力的基础上,通过对某组合的钻柱施加3种典型的井下作用力进行实验,利用设计的振动测量系统检测并分析数据,得到BHA的部分振动规律;信息传输实验是以钻柱为媒介、振动波为载体,在激励端施加信号、接收端分析钻柱传递的信号的初步试验。把钻井作业中几种常见行为引起的振动进行了分类实验,定性分析了各种作用引起的振动特征。该研究是国内对底部钻具各类振动及利用振动传输信息的全面研究。     

铰接式钻具组合的动力学分析

应用有限单元法对铰接式钻具组合进行了动态分析,推导了铰接点单元的刚度矩阵和载荷列阵,同时考虑钻头的轴向激振和钻柱与井壁的相互作用,用Newmark法在时域里分析了一种铰接式钻具组合的横向振动,并在频域里进行了讨论。分析表明,轴向扰动激起铰接钻具组合多阶谐波分量,钻头侧向力动态分量的幅值与井斜曲率成正比。数值结果表明,井眼扩大是钻具组合动态响应的一个重要影响因素,如果井眼扩大较小,钻具组合的振动表现有周期性,而当井眼扩大较大时,振动不再是周期性,且钻头侧向力动态分量的幅值增加。     

基于超声波的近钻头无线随钻测斜系统设计

为了实现近钻头测斜,同时提高特殊工艺井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼轨迹的控制能力和计算精度,对利用超声波作为无线信号传递的编码方案做了简要介绍,设计了基于超声波的近钻头无线随钻测斜系统,并对该系统进行了现场试验。试验结果表明,利用超声波来实现近钻头部分井斜角数据的传递是切实可行的。在室内利用超声波最大可达到1 000 b/s的数据传输速度,随着研究的深入可以实现近钻头部分其他参数的测量。     

理想钻柱中声传播特性理论研究

声波在钻柱中的传播特性还没有得到充分的研究。为此,分析了声波在管柱中的传播机理,建立了声透层单元模型周期分布的理想钻柱模型,依托该模型进行了声传播特性研究。研究结果表明,结构尺寸不一致对钻柱频带的宽度和分布有显著影响,对于周期性钻柱结构,钻杆、接头的长度和截面积决定了钻柱的频带结构,并且这种频带结构的变化分布呈周期性和对称性。在1个频带周期内随着频率的增加,通带先变窄再变宽,阻带则先变宽再变窄。随着钻杆根数和接头数目的增加,通带结构发生变化,通带内出现小透射峰,且小谱峰数增加。钻杆长度增加使通带变窄,接头截面面积减小使通带变宽。     

基于螺杆钻具的近钻头井斜测量误差及修正

为了研制具有自主产权的基于现有螺杆钻具的随钻近钻头测量装置,结合井下工况,对近钻头井斜测量过程及仪器本身存在的误差进行了分析,阐述了利用声波或电磁波传输近钻头信号的优势,并提出了近钻头井斜精确测量的误差修正思路。分析结果认为,当前的近钻头井斜测量仪器还存在一些未考虑到的问题,如动力钻具的振动影响测斜精度,动力钻具弯角的存在导致近钻头仪器与井眼不同轴产生误差等。利用声波传输近钻头信息及远程传输井下信息是实现测量的静态及传输信号过程静态的有效方法,建议加快该技术的研究进度,争取早日应用于现场。     

近钻头方位伽马随钻测量系统的研制与应用

近钻头方位伽马随钻测量系统采用了伽马探测传感器和角度探测器实现了更为精确的方位伽马随钻测量;在电磁波传输系统中采用了高斯最小频移键控调制技术,提高了通讯信号的抗地层干扰和抗衰减能力,使得仪器具有更好的稳定性;地面信息处理系统采用了集成电路技术,增强了电路系统的稳定性;信号信息处理软件各个功能模块集成度高,操作更为便捷。近钻头随钻测量系统具有对井眼岩性成分进行成像的功能,能够更加直观全面地反映钻遇地层的岩性变化特征,有助于精确地进行地质导向。现场应用表明,近钻头随钻测量系统工作性能稳定,测量数据准确,现场地质导向技术人员能够通过分析近钻头方位伽马曲线形态及时准确地进行地质导向,及时调整井眼轨迹。通过使用近钻头方位伽马随钻测量系统,施工水平井的储层钻遇率得到了明显提高。     

钻压防斜技术的实践与理论探讨

常规防斜钻具要求小钻压或带有多个稳定器,因而钻速低,且易发生事故。新的防斜技术──光钻铤加压防斜,除具有常规防斜钻具的钟摆力和惯性离心力外,还有动态轴向附加力。新的防斜理论认为,增加钻压引起钻柱屈曲,保持钻柱涡动,有井斜时使钻柱产生周期性变化的轴向附加力,无井斜时轴向附加力消失。轴向附加力给钻头与地层的接触增加一个周期性附加分量,改变了钻头的破岩速率和方向,所以轴向附加力具有防斜和纠斜的作用,而绝不会增斜。新的光钻铤加压防斜技术,在塔西南地区试验取得极好效果。     

基于Goupillaud模型的钻柱波数值模拟和信号分析方法

基于传递矩阵可以用一系列反射系数来表示整个钻柱,而钻柱顶端接收的钻柱波信号含有与这些反射系数相关的信息。基于钻柱模拟实验数据,利用盲源反褶积进行反射系数计算,将截取的输入子波与反射系数褶积,得到了模拟输出信号。结果表明,模拟输出信号与实际采集的信号相关度较高。运用该方法对随钻地震参考信号进行了处理,达到了强化钻头源信号的目的。     

气体钻井中钻柱失效试验研究

为了研究气体钻井中钻柱在冲蚀和振动工况下的力学性能,通过使用新研制的能模拟气体钻井钻柱同时受到振动及冲蚀情况的试验装置,进行了不同钻具组合情况下钻柱力学性能试验和钻柱冲蚀试验。试验结果表明,气体钻井过程中,钻柱所受交变应力波在由底部钻柱向上传播时有一定的衰减,但衰减程度不大,所以下段钻柱的应力值对上段钻柱的受力有较大影响;钻柱绕井简反转将增大钻柱所受的交变应力,且转速越高交变应力变化越大,从而加深钻柱损伤程度;钻柱冲蚀量随着注气量的增大而增大,但其增大是非线性的。     

阴极保护系统信号传输问题探讨

普光气田阴极保护系统是管道腐蚀防护的重要组成部分,阴极保护电位至关重要,为判断管道是否正常受保护的参数之一。在生产运行中发现,目前大部分阴极保护测试桩的信号无法准确传输到阴极保护智能监测服务器。从阴极保护测试桩的信号传输过程出发,从阀室远程终端控制系统(RTU)到中控室的传输信号大部分正确,而阴极保护测试桩的参比电极到阀室RTU之间信号传输问题严重,分析其原因主要集中于阴极保护测试桩。针对传输问题,提出将阴极保护测试桩的测试传输元件组合成功能块,并安装到阀室的机柜间内。试验结果表明,这一措施圆满解决了普光气田阴极保护系统信号传输问题。     

高精度随钻成像测井关键技术

为了解决随钻地质导向系统距离钻头远、检测信息少和检测精度低的问题,基于随钻扇区扫描原理,结合MEMS动态工具面检测技术、近钻头伽马旋转累计计数成像采集算法和随钻电阻率动态PID调节发射驱动成像采集算法,研制了高精度近钻头伽马成像测井仪和高精度随钻电阻率成像测井仪,实现了近钻头伽马16扇区测量与随钻电阻率128扇区测量。现场试验结果表明:随钻采集到的近钻头伽马成像测井数据可为复杂油气藏地质导向钻进提供技术支持;随钻电阻率成像测井数据与电缆测井数据吻合,可为随钻地层评价提供可靠数据。研究表明,利用近钻头伽马成像测井仪和高精度随钻电阻率测井仪可以获得高精度的测井数据,为地质导向和地层评价提供支持。