近钻头钻具姿态测量的多传感器最小二乘原理加权融合方法

钻进过程的高速旋转和强振动,使得测量钻具姿态的三轴惯性加速度计信号中叠加了离心加速度和振动加速度,导致工具姿态测量结果严重失真。针对由三轴惯性加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪构建的姿态测量系统,提出了一种多传感器加权融合的姿态测量方法。利用后两组传感器对振动不敏感和钻进过程中井斜角变化缓慢的特点,反解得到加速度计信号的两组参考值,而后依据最小二乘原理确定参与融合的各组信号的权系数,使得融合结果的方差达到最小。仿真实验验证了该方法的有效性,当井斜为1.5°时的振动和转速波动组合实验表明,井斜角解算准确性的各项指标均有明显改善,工具面角随工具旋转呈现明显的周期性变化,该加权融合方法能有效提高钻具姿态动态测量的精度。     

测斜仪旋转姿态测量信号处理方法

为准确测量旋转钻井时的钻具姿态,提出了一种新的信号处理方法。测斜仪旋转时,垂直于其旋转轴方向加速度计的输出信号中重力加速度信号分量具有周期性特征,以及非周期性离心加速度分量频率低于重力加速度信号分量频率的特征,用高通或带通滤波将非周期性离心加速度分量分离;对于常规滤波方法无法滤除的通频带内振动信号,增加一个对置加速度计,采取不同隔振措施补偿振动信号,滤除通频带内的振动信号。仿真分析表明,测斜仪旋转时离心力作用所导致的测斜仪加速度信息失真可以被高通或带通滤波器有效滤除;与旋转频率耦合的一个振动信号可以分解为2个频率的振动信号;采取不同隔振措施的对置加速度计,可以对振动信号进行补偿,滤除通频带内的振动信号。台架试验也证实,增加一个对置加速度计,并采取隔振措施,可以补偿振动信号,滤除通频带内的振动信号。该处理方法为准确计算井斜角和工具面角等钻具姿态参数提供了技术手段。      

垂直钻井中钻具姿态动态测量算法研究与应用

在捷联式自动垂直钻井系统(AVDS)中加速度计、磁场强度计等传感器随钻铤同步转动,因此确定动态钻具的姿态是实现实时防斜、主动纠斜的前提和基础.提出了一种基于转动状态分类和小角度倾斜的钻具姿态的动态测量方法.将钻具的转动状态分为3类:静止、连续转动及粘滑转动状态.当钻具处于静止时,采用了传统的测量算法.连续转动模式的钻具...     

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。     

捷联式自动垂直钻井系统井斜方位动态测量算法研究与应用

捷联式自动垂直钻井系统是针对高陡构造及大倾角地层的防斜打快难题而提出的一种新型自动垂直钻井工具.在小井斜动态旋转条件下,提出一种新的捷联式自动垂直钻井井斜、方位角动态测量算法,并针对不同倾斜角、不同钻铤转速等因素对算法进行仿真研究.结果表明,未经误差补偿的动态解算结果可用于自动垂直钻井的方位角动态测量.只是其精度受倾斜...     

预弯曲动力学防斜快钻技术的试验研究

预弯曲动力学防斜打快钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力，从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打快钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合，钻进时，其在井眼内形成特定的涡动轨迹，引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动，从而实现向下井壁的冲击力。常规钟摆和满眼钻具组合的工作原理都是力求钻具组合发生尽可能小的变形，减小钻具组合因变形引起的增斜力。预弯曲动力学防斜打快钻具组合在胜利油田史138-6井进行的试验表明，这种方法具有很好的防斜打快效果。与邻井常规钟摆钻具组合相比，这种钻具组合的钻压提高50％以上，机械钻速则提高120％。文中给出了钻压和转速对预弯曲动力学防斜打快钻具组合防斜力的影响规律。     

旋转导向钻具姿态的无迹卡尔曼滤波方法

三轴磁通门数据中包含的磁干扰和三轴加速度计数据中包含的大量低频振动加速度,严重影响了旋转导向钻具姿态测量的精度。为去除传感器数据中的干扰噪声,快速解算出准确的钻具姿态,提出了一种改进的无迹卡尔曼（UKF）迭代滤波算法。此方法基于旋转坐标变换的四元数理论,建立钻具姿态传感器数据的非线性观测方程,利用陀螺测量原理构造状态方程,将滤波后观测数据以四元数的形式更新状态方程三轴角速度,从而实现UKF迭代滤波,最终消除传感器数据中的干扰噪声。实验室及胜利油田河31井区斜160井的实测数据滤波结果表明,此方法可有效滤除姿态传感器中的干扰噪声,提高旋转导向钻具姿态测量的准确性。     

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。     

钻具振动对FEWD井下仪器的影响及预防措施

在水平井地质导向钻井过程中，井下钻具振动易导致井下FEWD测量仪器损坏，造成巨大经济损失。分析认为，钻井参数、井斜角、钻具组合和钻头是导致井下钻具振动的主要原因，防止FEWD测量仪器因井下钻具振动而损坏的一种最有效的方法就是通过井下传感器DDs监测井下钻具的振动。结合振动传感器DDS的工作特点，分析了DDS测量值与钻具振动的关系，给出了几种典型钻具振动（包括钻头弹跳、扭转振动、钻头涡动、钻具涡动、横向振动和振动耦合）出现时的DDS测量值变化情况，提出了相应的预防和控制井下钻具振动的技术措施。以桩12-平3井为例，介绍了井下钻具振动的判断与控制措施的实施情况。准确判断井下钻具振动并采取相应的技术措施对于有效保护FEWD测量仪器、提高钻井综合效益具有重要意义。     

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针对易斜地区防斜打快问题,文章提出了利用单弯螺杆钻具配合转盘钻进行井斜控制的下部钻具组合设计及使用方法。采用有限元分析方法，建立了这种下部钻具组合的力学模型，利用该模型定量分析了其控制井斜的力学特性，从理论上分析了这种下部钻具组合控制井斜的主要影响因素，为优化这种钻具组合和施工参数设计提供了理论依据。在新疆油田易斜地区应用实践表明，这种钻具组合可在小钻压、低转速条件下有效地控制井斜，提高机械钻速，且不会影响下部钻具组合的安全，为在易斜地区防斜打快提供了新的方法。     

基于数据融合的近钻头井眼轨迹参数动态测量方法

采用三轴加速度计、磁通门和速率陀螺测量系统随钻测量井眼轨迹参数时,由于旋转、振动和磁干扰等因素的影响,造成测量结果存在较大偏差,无法满足随钻地质导向的要求.为此,针对三轴加速度计、磁通门和速率陀螺随钻测量系统,建立了基于四元数井眼轨迹参数测量模型,并依据状态方程和量测方程,应用3个捷联式卡尔曼滤波器和磁干扰校正系统对加...     

小井眼钻柱瞬态动力学研究及应用

考虑小井眼细长钻柱沿井深和井眼圆周方向的随机接触碰撞,建立了钻柱瞬态动力学模型。运用动力间隙元不仅能合理描述钻柱与井壁的接触碰撞过程,还能考虑井壁变形和泥饼的能量吸收,并用Newmark法求解钻柱动力学平衡方程。通过钻井全尺寸模型装置上的钻柱动力学试验,对理论计算结果进行了验证,也为钻头干扰力确定提供了依据。经大庆油田14口小井眼井应用表明,由钻柱动力学分析所设计的钻柱结构没有发生井下断钻具事故,防斜性能也比较好,机械钻速得到明显提高。     

一种用于井下钻具旋转中动态方位测量的新方法

为了在井下钻具连续旋转过程中实时准确测量出重力工具面,介绍了石油钻探中描述井眼姿态的轨迹基本参数以及如何实现测量姿态参数的传感器基本原理,着重介绍了井眼姿态测量常用的定向传感器结构及所测量的参数,提出在旋转导向钻进中钻具连续旋转时动态重力工具面的测量方法,重点分析了利用矢量旋转的方法,从理论上推导计算磁工具面与重力工具面差角的过程,并通过试验的方法验证了算法的准确。该方法有效地克服了钻具连续旋转时传统测量实时重力工具面误差偏大的缺点,为实现旋转导向测控系统的自主研制和钻具连续旋转时工具面测量提供了一种测量方案。     

自动垂直钻井工具纠斜控制实验研究

为了探讨井下纠斜控制的客观规律，基于自动垂直钻井工具原理样机，开展了井斜自动控制的实验研究。通过分析基于重力加速度计的井斜测量?理，并结合样机纠斜机构的工作原理，提出了对各纠斜机构的工作区域进行合理划分的实施方法，并根据该方法以及借助虚拟仪器技术实现了在原理样机上的井斜实时控制系统的开发。借助该套系统，目前已可实现不小于0.15°的井斜控制精度。     

弱胶结地层水平井钻井技术探讨

水平井井眼轨迹控制的核心问题在于如何把握相对合理的全角变化率，而地层胶结状况（或地层物性）是影响全角变化率的关键因素之一。弱胶结地层水平井钻井主要存在全角变化率偏低、MWD信号传输不及时、底部钻具组合及钻进参数选择矛盾突出等技术难点。因此，应根据弱胶结地层的分布层位和厚度制定有针对性的技术方案和应急预案，宜使用大角度单弯动力钻具定向造斜钻进，而且钻具组合中要使用无磁承压钻杆和加重钻杆，尽量少用或不用钻铤，以保证井下清洁，提高井眼轨迹控制精度。以胜利油田埕52-平2井和草128-平4井为例，从钻井工程设计、钻井参数优选、底部钻具组合优化等方面对弱胶结地层水平井钻井技术进行了探讨。     

下部钻具组合的动态分析

本文用三维直梁单元将下部钻具组合离散化,建立了数值分析模型来模拟下部钻具组合在钻井过程中的瞬时动态特性。考虑了钻压、转速、摩擦及井眼弯曲等对钻具组合的影响,建立了动力微分方程,采用威尔逊-θ法求解。把钻柱与井壁的接触视为瞬时碰撞,采用一种新的方法确定碰撞时刻,对动态分析的结果作了全面的讨论,用井斜力和方位力的时间平均值来预测钻头的走向,并与静态分析的结果作了比较,吻合较好。本文所提供的动态分析方法和计算机程序可供定向井钻井部门参考使用。     

川东北地区空气钻井中几种复杂情况诊断与处理

气体钻井在川东北区域逐渐得到了广泛的应用,它不仅可以大幅度的提高钻速、缩短建井周期、降低钻井成本,同时也可以提高探井发现率、提高采收率。洞悉气体钻井过程中发生井下复杂情况的特征,利用事故发生前或发生时的实时征兆,及时预测与处理井下事故,是顺利进行气体钻井的关键。通过对川东北多口空气钻井的实践,总结了川东北地区地层出水、井塌及井斜等复杂情况发生时的征兆,阐述了通过征兆,诊断井下这几种复杂情况的思路;提出了针对地层出水、井塌及井斜等复杂问题的一般处理方法。     

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井斜控制一直是受钻井界长期关注的问题，为了防止井斜，钻井工作者对防斜工具和工艺做了大量的研究工作，研制出了一些与工艺相配套的防斜钻具组合和井下防斜工具。在实际应用中，防斜除了采用常规的防斜钻具组合外，就是使用井下防斜工具，如偏重钻铤、偏心防斜接头等，而这些防斜方法都不同程度地以降低机械钻速或增加钻具的磨损为代价的。但利用钻井液定向射流来控制井斜方面的研究几乎未见报道。在钻井过程中，钻井液定向射流在井底形成不对称流场，这将有利于净化井底，提高机械钻速，改善钻井经济技术指标。文中提出了利用钻井液定向射流来防止井斜的新型井下工具———流场变向器，对它的防斜机理和结构作了简要介绍，现场应用结果证明该工具具有良好的防斜、稳斜和稳方位性能，提高了机械钻速，获得了明显的技术和经济效益。