旋转导向钻井信号井下传送技术研究

对旋转导向钻井工艺中钻井液脉冲传输、电缆传输、声波传输、电磁波传输等常用指令传输方式进行了分析,选择钻井液负脉冲传输方式向地下传送地面指令,设计了地面钻井液负脉冲信号下传整体方案。综合考虑指令传输时间短、井下识别准确率高的原则,提出了改变泵排量的三降三升脉冲传输方式,优选出三降三升三进制负脉冲编码组合方式。通过检测发电机电流(频率)变化来实现井下信号接收。室内的实验测试证明,这一方式是可行的,并作为调制式旋转导向工具的一个子系统,开发了完整的指令控制系统软件。     

基于信号相似性的导向钻井下传信号处理方法

为了准确、高效识别导向钻井中以钻井液排量负脉冲间隔方式下传的指令信号,解决井下接收装置中指令识别和解释方法运算较复杂和误码率较高等问题,提出了一种基于信号相似性原理的信号识别处理技术。该技术通过比较各段采样信号幅值的自相关程度求取由钻井液排量脉宽所表示的导向钻井下传指令,并对井下采样信号按一定规律逐段比较,通过判断信号下传的开始点、解算信号各位的值和求取指令字等3个步骤,完成指令识别。给出了适合井下处理的递推式实用算法,设计了钻井液排量信号采集试验装置。研究和试验结果表明,利用该方法可简化运算程序、提高钻井液排量信号识别的可靠性和抗扰能力,特别有利于克服尖峰和周期干扰对计时求取的影响以及传输通道惯性及低频噪音对信号跳变沿判断的影响。图4参15     

旋转导向钻井通讯与控制系统设计与软件开发

旋转导向是当前油气钻采井下工具导向控制的关键性技术,在长水平段水平井、大位移井、分支井等复杂井结构中应用广泛。钻井液脉冲为旋转导向钻井的主要通讯方式,其传输缓慢、有延迟、易误码等传输特性,使得对通讯编码和传输同步的要求更为严格。另外,为方便现场工程技术人员直观掌握导向头状态和井眼轨迹的控制情况,需要建立有效的地面监控系统。针对这些问题和旋转导向钻井工程中的具体情况,考虑指令传输时间短、井下识别准确率高的原则,设计了旋转导向系统上下位机的通讯协议,并给出下行控制指令编码方案;开发了相应的通讯与控制系统,可实现控制指令下传和钻井参数实时显示,解决了旋转导向钻井设备的软件系统集成问题。系统提供了实际旋转导向控制接口和地面测试接口,满足工程实际要求。     

基于DSP的CTS井下信号模拟装置设计

文章基于AD公司的高速DSP处理器ADSP2189设计了井下信号模拟装置。该装置用来检测CTS测井装备地面系统。它可以模拟成套装备现有的井下仪器,能与地面系统建立通讯,接收地面系统的命令,并根据命令向地面系统发送相应的模拟数据。油田现场试验表明,它完全可以模拟井下仪器,解决了地面系统的自检问题。     

ECLIPS-5700测井系统WTS地面通讯原理

ECLIPS-5700测井系统是当今最先进的测井设备之一，它采用的是WTS通讯系统，WTS是“Wireline Telemetry Systems”(电缆遥测系统)的英文字母缩写，其最快传送速率为230KB(千比特)，能很好地完成5700测井时大数据量的传输任务，是当今世界速度最快的测井通讯系统之一。5700WTS通讯就是指地面与井下仪器之间的通讯，其中井下仪器负责井下仪器的通讯部分：接收命令、采集数据，数据的初步处理和向地面发送数据；地面系统负责地面通讯部分，向井下仪发送命令，接收井下仪器的数据信号。地面通讯主要由5756接线控制面板和5750电缆信号处理板组成。命令用M2下传，而数据的传输有3种：M2数据、M5数据和M7数据。5700WTS遥测系统调制编码方式采用曼切斯特码，文章对于该编码方式作了全面地研究，指出了采用该编码方式的优点和规则。     

旋转导向钻井工具信号下传系统研究

结合旋转导向钻井系统自身的特点,选择钻井液脉冲作为旋转导向钻井工具信号下传的方式,对信号下传系统钻井液压力脉冲的传播特性进行了深入研究;分析了各种钻井参数对钻井液压力脉冲幅值的影响,给出了钻井液压力脉冲的时间特性,并结合钻井液压力脉冲的传播特性和旋转导向钻井工具的自身特性设计了相适应的指令系统和编码方式.经现场试验验证,所研制的旋转导向钻井工具信号下传系统解码成功率高,能够满足旋转导向钻井的需要.     

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井眼轨道闭环控制技术是当今国内外钻井技术领域的研究热点，而地面与井下的信息传输是这一高新技术中的重要环节。目前，地面与井下的无线信息传输系统主要是采用钻井液脉冲方式，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。文章基于多相流理论，研究了钻井液脉冲信号的传输速度及其影响因素，分析了信号的动态传输特性和衰减规律。研究表明：脉冲信号在井筒中的往复传播类似于阻尼振荡；信号频率和钻井液粘度是影响信号衰减的主要可控因素；给出了一些计算和分析实例。文章的研究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。     

致密气开发技术系列之三:旋转导向钻井技术

正旋转导向钻井技术GeoPilot System可提供实时、连续钻头导向和地层评价,精确确认井筒位置,可以在钻垂直井、造斜或钻水平段时不用复杂的井下设备进行导向。地面的指令通过钻井液脉冲下行传送器传到井下来调节工具造斜率和方向。井下信息也可通过随钻测井探测器实时传递到地面。利用一个靠电池供电的、由电脑控制的偏心单     

随钻地层压力测量系统下传指令接收装置研制

为了从地面控制随钻地层压力测量系统,研制了一套基于钻井液脉冲的下传指令接收装置。该装置通过测量管柱压力和钻铤转速,采用互相关算法提取压力脉冲信号的上升沿和下降沿位置,实现了对钻井液脉冲的指令接收和解码。数值试验表明,互相关算法是提取钻井液脉冲压力信号上升沿和下降沿的有效算法,通过将钻铤零转速作为接收下传指令的前置条件,软件自动调用解码算法,降低了误码风险。室内试验和现场试验结果表明,所研制的装置解码算法简单实用,具有高可靠性、低误码率的特点,能够满足随钻地层压力测量系统的实际需求。     

美国SDI无线随钻测斜仪及其应用

美国SDI无线随钻测斜仪的信号传输方式是 :首先将井下测量的电信号转换为机械信号 ,然后转换为压力脉冲信号 ,再以钻柱内的钻井液为介质带到地面 ,在地面接收钻井液压力脉冲信号并解码获取随钻参数。介绍了该测斜仪的工作原理、系统组成和主要技术参数。针对湿接头的短路问题做了技术改造 ,同时对脉宽设置、泵冲次和钻井液性能等影响信号传输和接收的重要因素做了分析。采用改造后的SDI无线随钻测斜仪完成了一批大斜度定向井和水平井跟踪定向和测斜 ,由于可以复合钻进 ,及时避免和排除复杂井况 ,从而大大提高了钻井时效     

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.     

钻井液压力脉宽及脉位多进制相移键控信号分析

在构建出钻井液压力脉宽及脉位多进制相移键控（MPSK）调制信号数学模型的基础上,分析了MPSK信号的频谱特性,从频域研究了将脉宽及脉位调制方式应用于钻井液压力MPSK信号传输的可行性。通过建立MPSK信号沿定向井钻柱分布的传递函数,研究了钻井液信道参数和调制方式对信号传输的影响。数值分析表明,钻井液压力脉宽MPSK调制信号的频谱主瓣带宽内信号的相对能量过低,从频谱角度看不适于频带传输;钻井液压力脉位MPSK调制可用于井下数据的频带方式传输,但信号的传输损失相对较大,因此对信号的检测、处理及旋转阀的转速控制要求较高。     

水力脉冲空化射流钻井机理与试验

在分析水力脉冲与空化射流调制机理的基础上,设计出一种新型水力脉冲与空化射流耦合的水力脉冲空化射流发生器,通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合,使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动.钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流,产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应,从而提高井底净化和辅助破岩效果.塔里木盆地6口井的现场试验结果表明,水力脉冲空化射流钻具对钻头类型、地层特性、钻井液密度、排量、动力钻具等具有良好的适用性,机械钻速提高10.1%～53.4%.水力脉冲空化射流发生器具有性能稳定、效果好、使用寿命长等特点,完全可以满足现场的需要.水力脉冲空化射流技术将为提高深井钻速提供一种切实有效的途径,具有较好的推广应用价值.图4表4参12     

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。     

旋转导向钻井工具涡轮电机电磁转矩前馈控制

钻井液流量的大范围变动容易导致旋转导向钻井工具空间角度位置控制的适应性差,具体表现为系统在某钻井液流量条件下整定的控制参数,在其他流量条件下常常是不稳定的,出现角度的振荡摆动、控制失稳。通过对涡轮电机电磁转矩与钻井液流量和控制信号动态关系的分析,建立了涡轮电机的动力学模型,模型表明电磁转矩的大小与流量和控制作用的乘积有一定比例关系,电磁转矩随钻井液流量呈动态变化,从而导致了控制的失稳。基于此提出了一种乘积型电磁转矩电压前馈补偿方法,经过前馈补偿后的电机电磁转矩的大小只与控制作用相关,而与钻井液流量无关,从而将一个非线性时变环节变换成了一个线性时不变环节;通过仿真分析与台架试验均验证了该方法的有效性,为实现平台系统在钻井液流量宽范围变化条件下的稳定控制提供了一种简便有效方法。     

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。     

钻井液脉冲传输速度的分布规律研究

地面与井下的信息传输是井眼轨道自动闭环控制的技术。目前,地面与井下的无线信息传输系统主要是采用钻井液脉冲方式,研究钻井液脉冲传输速度的分布规律,可以了解钻井液脉冲的传输机理及其影响因素,进而为建立井眼轨迹的自动闭环控制系统奠定基础。     

旋转导向钻井工具导向执行机构设计

旋转导向钻井工具可以根据井下工程、地质、几何参数的监测及实际需要，按已设定的程序或交互式给定的指令进行井身轨迹（包括井斜、方位）的控制和调整，有两种基本控制执行模式，一是导向执行模式，二是稳斜或不导向执行模式。导向执行机构是该工具功能实现的最终执行机构。文章介绍了导向执行机构的工作原理，给出了其三维CAD结构图，指出了设计时应注意的问题、设计难点和采取的主要措施。指出导向执行机构的设计需考虑的主要因素有：导向执行机构所产生的推靠力应均匀，避免对井壁产生过大的冲击力；保证导向执行机构本体中通往钻头的钻井液主通道的流畅，尽量降低压力损失；保证通往３个推力柱塞的钻井液流量与主流道流量的合适比例；提高推靠井壁的巴掌的耐摩性。初步计算了巴掌的推靠力。室内功能实验证明所设计的导向执行机构结构设计方案基本正确。