基于RFID的底部钻具数值化管理现场试验研究

本文在结合油田数字化管理技术的现状的基础上,提出了一套基于RFID的底部钻具数值化管理系统,并对其优点以及应用情况进行了简要的讨论。这种基于RFID的底部钻具数值化管理系统在后期的发展过程中,必定会在油田领域得到一种广泛的应用,发挥出重大的价值。     

基于RFID技术的井下控制系统在随钻扩眼作业中的应用

针对钻井过程中复杂的井下工况,对基于RFID（射频识别）技术的井下控制系统进行了优化设计。对RFID通讯短节及井下天线结构进行了电磁性能优化,通过试验确定了最优的天线与短节外壳内壁间距,减小了金属涡流的电磁干扰,保证了系统稳定工作;根据RFID系统数据交换时间和现场钻井液流速,优化设计天线绕线长度为300 mm,保证标签随钻井液高速流过井下天线内部时被准确读取;对RFID读取控制系统进行了软硬件优化设计,增加了自适应优化模块和信号处理模块,能够根据井下电磁环境的影响,自动调节系统工作频率,使系统工作在最佳状态,标签读取成功率100%;通过优化算法、CRC校验等方式,提高了控制信号解析的正确性。在江苏淮安顺89井成功进行了下井试验,验证了整个系统的工作可靠性和稳定性。该研究为今后基于射频识别控制技术的井下工具开发具有指导意义。     

国外钻杆疲劳寿命预测系统模型及应用

随着工业4.0的发展,石油钻杆疲劳寿命完整性评估和智能化管理的内在需求不断增加。研究了典型的国外石油钻杆疲劳寿命预测系统模型——基于Miner法则的疲劳累积损伤模型和基于疲劳寿命标准化的线弹性断裂力学模型。介绍了2种模型的理论基础、计算公式、计算流程和应用情况,并分析了各自的优势和不足。最后结合各个模型的特点,提出了钻具疲劳寿命智能化评估管理系统的研究方向,这对工业4.0背景下智能钻井及钻具管理的发展具有重要指导意义。     

无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用探讨

为了实现多级滑套压裂工具全通径、无级数限制和智能操控,研究了无线射频识别(RFID)技术驱动滑套的工作原理和施工工艺。RFID滑套由胶囊标签、天线单元、控制单元、执行单元、动作单元和连接单元等部分构成。胶囊标签携带信息码通过RFID滑套,激活控制单元接收信息码,当信息匹配时,控制单元输出控制命令,启动执行单元动作,实现滑套的打开或关闭动作。通过技术调研,掌握了RFID滑套的工作原理和施工工艺,明确了RFID滑套研制的关键技术难点,为无线射频识别技术在多级滑套压裂工具中的应用提供了技术支持。      

一种基于RFID技术的节点采集站管理方案

在海洋地震勘探领域,海底节点地震仪器是目前业内的前沿技术。在OBN施工中,核心装备为海底节点采集站。在勘探中会使用大量的节点采集站,少则一两千多则上万。从节点采集站的收放与维修、导航的定位到现场质量控制,都是以节点采集站为索引进行信息收集与管理。目前的主流节点系统都使用了RFID技术对节点采集站进行序列号的识别,从而获取相关信息进行节点采集站的管理。本文以一种应用十分广泛的节点采集站为例介绍RFID技术在节点系统中的实际应用,并对其优缺点进行了分析与探讨,最后提出了一种基于RFID技术的节点采集站管理方案。     

井场参数无线自动采集系统

在了解RFID技术的基础上，构建基于RFID的井场参数无线自动采集系统模型，同时设计无线传感器网络中的硬件电路、传感器接口电路，实现与控制器之间的连接，监测井场数据信息，最后利用C#编程系统监控软件，实现井场参数采集系统的可视化管理。在搭建软、硬件实验平台的基础上，进行井场参数无线自动采集系统的调试和综合测试。通过调试和测试可知，此系统运行良好，实现了所要求的设计功能以及数据的采集和传输，并将结果显示在人机界面上。     

基于RFID技术开发的油田钻具数字化管理系统

长期以来,国内油田钻具管理的数字化发展一直受传统管理模式制约而成为技术瓶颈;针对目前油田钻具管理的现状和存在问题,提出一种依托RFID无线射频识别技术的全新钻具数字化管理模式,阐述了油田钻具数字化技术概念和系统组成,其中包括钻具电子标识技术、移动数据采集技术、芯片植入和防护技术、钻具数据库软件技术、钻具跟踪评价技术等。该项技术未来实施和广泛采用势必为油田钻具科学管理提供一种行之有效的行业新举措。     

反循环双壁钻具研究与应用

介绍了反循环钻井的应用现状、工艺原理和技术特点,研制了自地面至井底的全套双壁钻具。阐述了双壁钻杆、双壁气盒子、双壁方钻杆、双壁双通道单封旋塞阀、双壁环形单向阀以及双壁钻具转换短节的作用、结构、工作原理和基本参数。试验表明,双壁钻具的各项性能均符合设计要求。在现场应用1口井,取得了很好的效果。     

基于RFID技术的压裂滑套控制系统的设计

为实现压裂级数不受限制、各级压裂滑套结构一致且可以智能控制的目标,设计出了一种基于RFID(射频识别技术)的滑套控制系统。当投放的RFID标签球通过压裂管道时,经过标签球里内置天线与读写器天线耦合,将存储的数据向井下发送。读写器接收载波信号后根据不同的设置发送指令信号给电控部分。电控部分驱动空心轴电机转动,空心轴电机部分通过霍尔信号控制电机精确换向,从而实现智能调节滑套的开度和启闭。通过搭建实验台架进行实验,验证了系统的可靠性。     

基于RFID技术开发的油田钻具数字化管理系统

国内油田钻具管理的数字化发展一直受传统管理模式制约而成为技术瓶颈，针对目前油田钻具管理的现状和存在的问题，提出一种依托RFID无线射频识别技术的全新钻具数字化管理模式；阐述了油田钻具数字化技术概念和系统组成，包括钻具电子标识技术、移动数据采集技术、芯片植入和防护技术、钻具数据库软件技术、钻具跟踪评价技术等。该项技术未来实施和广泛采用势必为油田钻具科学管理提供一种行之有效的措施。     

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。     

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度，但屡次出现钻具失效事故，不仅影响钻井速度，而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律，并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂，钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动（包括公转和纵向共振）、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因，提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。     

普光气田气体钻井钻具失效情况及其规律研究

气体钻井技术不同于常规钻井液钻井,截至2007年,普光气田开展气体钻井现场施工30余井次,在该气田勘探开发建设工程中发挥了重要作用。但是,在气体钻井现场应用中已经暴露出不少问题,其中最大的问题之一就是断钻具事故频繁,多数进行气体钻井施工的井,或多或少地发生过断钻具事故。对普光气田气体钻井的断钻具事故进行统计分析发现,气体钻井钻具失效形式以断为主,牙轮钻头钻井钻具失效频率远高于空气锤钻井;钻杆断口多呈现腐蚀疲劳和应力腐蚀特征,而钻铤断口规则,表现为疲劳断口特征。最后,初步给出了预防气体钻井钻具失效的4项技术对策,并提出今后的攻关研究方向,为今后的理论研究和现场试验有较好的实际指导作用。     

基于无线射频识别的井下工具控制技术

针对投球式井下工具控制技术在使用过程中的不足,研究了一种指令接收与控制执行一体短节.根据电子标签在井筒低电阻率液体环境中工作时的姿态,通过试验对比各类频段的电子标签传输性能,并进行读写器天线匹配设计,以提高电子标签读写成功率.应用流体力学分析导致电子标签损坏和影响读取效率的因素,设计出了能够适应各类钻井液环境的天线匹配电路,研制了读写器电路系统和相关嵌入式程序.试验结果表明,125和134 kHz低频RFID标签的读写效果最佳,能够满足井下指令接收与控制执行一体短节的需求.研制的指令接收与控制执行一体短节,在泵送速度3 m/s条件下读取成功率为100%.研究结果表明,通过优选电子标签的工作频率和优化读写器天线的功率匹配设计完成的电子标签指令系统,可以应用于井下工具控制.      

基于载波通信原理的电磁波随钻测量技术

为了提高电磁波随钻测量中数据传输速率,增加信号遥测深度,解决钻杆寿命低、可靠性差和电磁信号散射严重等问题,提出了基于载波通信原理的随钻测量技术.该技术利用载波原理,通过耦合变压器将电磁波信号耦合到钻杆上,利用钻杆和大地构成导波系统,从而实现井上与井下的数据传输.通过分析电磁波在地层和钻杆中的传输特性,得到钻杆中的传输线波动方程,并给出系统的总体构成及设计方案.采用 LM1893作为载波模块,研制出井下发射机和井上接收机系统,并对系统进行了优化设计.结果表明,利用载波技术将电磁波加载至钻杆,通过钻杆-大地构成的传输信道,能够把井下测量参数传输到地面,同时还可把地面设置参数及指令发送到井下,实现地面与井下的双向通信.图7参11     

铝合金钻杆在长水平井段延伸钻进的可行性

目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4 000 m以深的长水平段水平井,长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力,采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术,而对于其摩阻扭矩特性、钻压传递规律、屈曲特性以及安全可靠性等问题则尚未开展系统研究。为此,基于Hamilton原理建立多尺寸铝合金钻柱动力学模型,通过HHT-α法对模型进行求解,进而对比了水平井段铝合金钻具和钢钻具的接触摩阻、钻压传递规律及其影响因素。研究结果表明:①铝合金钻杆在水平段的压力损耗明显小于钢制钻杆;②因其材质较软,小尺寸的铝合金钻杆在钻井过程中极易发生屈曲,导致钻压传递效率下降,甚至发生"钻杆自锁"现象;③较大尺寸的铝合金钻杆屈曲变形较小,其减摩减阻效果优于小尺寸铝合金钻杆,外径147 mm的铝合金钻杆的摩擦阻力仅为外径129 mm铝合金钻杆的71.9%。结论认为,小尺寸铝合金钻杆的刚度无法满足苛刻的长水平段页岩气钻井条件,而大尺寸铝合金钻杆则是解决其延伸钻进难题的重要前提条件之一。     

腐蚀引起钻柱刺漏的机理分析及预防措施

详细分析了腐蚀引起钻柱刺漏的机理，得知：造成钻柱刺漏的主要原因是空气中的O2、地层中的硫化氢和二氧化碳、钻井液残液、钻井液中的盐类对钻柱的腐蚀和钻井液对钻柱的冲蚀。针对引起钻柱刺漏的原因，制定了去除钻井液中的O2、监测钻井液腐蚀性并加入相应的添加剂去除CO2和H2S、定期对钻杆进行检测、对存放的钻杆进行防腐处理、使用厚过渡区改进型钻杆等措施。在苏丹某区块现场实践证明，采取这些措施，由腐蚀引起的钻柱刺漏事故大大减少，在该区块的T-1井和D-1井钻进的3个月中，仅发生一次钻柱刺漏事故。     

Ф101mm非标钻具及工具在苏里格气田的应用

鉴于API标准S135钢级Ф88.9和Ф101 mm钻杆均不能适应以深井、大位移井为主的苏里格气田的施工要求,推广应用了非标钻具进行施工。推广措施包括非标螺纹钻具设计和配套工具的改进。钻杆接头选用双台肩非API标准螺纹ST39,锥度为1∶12。将吊卡台肩上部开口直径改为127 mm,高度不变。方钻杆采用107.95 mm非标四方钻杆。现场应用结果表明,研制的Ф101mm非标钻具及配套工具管体和接头的抗拉、抗扭强度较API标准螺纹更加合理,更加符合长水平段水平井钻井施工要求。     

基于有限元法的单根钻杆动力学仿真模拟分析

为进一步明确钻进中的钻杆柱工作状态，以直井段中单根钻杆为研究对象，基于有限元法建立钻杆的动力学模型，以实际设计参数为依据，确定边界条件，综合考虑静、动载荷的耦合作用，对钻杆受迫振动发展过程进行仿真模拟分析，在一定程度上反映井下钻杆工作状态，并为钻杆柱的随钻控制研究提供理论基础。分析结果表明，现役钻杆接头台阶及螺纹处普遍存在应力集中，设计时应予以改进；钻杆受迫振动的发展过程中，钻压及转速是重要的振动激励参数，较浅井段钻杆振动参与形式以横振为主，随着钻进的深入，其他振动形式频繁的交替激发并参与，应通过调整钻进参数、避免工作于固有频率而激发模态振动。     

钻杆生产技术的发展与展望

介绍了钻杆生产技术的发展及现状, 指出目前国内外钻杆的生产均采用摩擦焊接方法,钻杆的失效形式主要是疲劳断裂、腐蚀疲劳和超载, 失效部位主要是钻杆管体加厚过渡区、钻杆接头螺纹和焊缝区。据此详细阐述了摩擦焊钻杆管体和接头的生产工艺与技术要求, 以及焊接工艺流程和技术要求, 指明通过严格控制管体坯料和接头坯料的冶金工艺, 改善钻杆管体加厚过渡带形状等可有效提高钻杆的使用寿命。最后就钻杆的发展方向提出了建议。