应力波随钻测量技术研究进展

随着油气勘探开发的不断深入,钻井信息化、井筒可视化成为国内外钻井界的迫切要求,现有的泥浆脉冲、电磁等无线数据传输技术已难以满足技术发展的要求,应力波井筒数据传输技术已成为近年来国内外研究的热点之一。我院成功研制了具有独立知识产权的应力波随钻测量系统工业样机,本文介绍了其系统构成及工作原理,分析了室内试验数据及应力渡信号传输的影响因素。试验结果表明该技术的发展前景广阔。     

随钻测井数据传输技术应用现状及展望

介绍了随钻测井通信系统的数据传输方式、实现原理及国内外应用现状,分析了各传输方式的性能优缺点及应用局限性.对随钻测井数据传输技术的发展和攻关方向提出了展望.有线传输向双向高速率实时通讯发展,既能向井底供电又能双向传输数据的智能钻柱,解决井下面临的数据传输滞后和井下供电不足问题.目前通用的钻井液脉冲传输方式重点应转向连续波脉冲发生器,使其能根据不同的机械钻速、不同的钻井液、不同的井深、不同的钻杆直径、不同的压力波幅值等因素使信号发生器产生不同频率,利用人工神经网络建立连续压力波变频率传输预测控制模型,以增强其环境适应能力.电磁传输及声波传输技术主要是研究解决其信号衰减问题,提高信号传输可靠性,加大测量数据的传输深度;光纤传输主要是解决由于循环压力导致光纤磨损和破损问题,同时降低开发成本.     

电磁波随钻测量仪器测量效果影响因子分析

准确预测低频电磁波在地层中的信号衰减是改进井下仪器、优化施工参数进而提高电磁波随钻测量仪器遥测深度与工作可靠性的前提和基础。低频电磁波在地层里面传输受地质特征、钻井工况等多种因素影响,准确评价计算难度较大。为此,文章基于电磁波基本原理,借助有限元法,对电磁波随钻测量仪器低频电磁信号传输的衰减特性进行了研究,定量评价了钻井循环介质、钻井深度、地层电阻率、信号频率、下部钻具组合(BHA)、信号发射方式等因素对随钻测量效果的影响,为进行电磁波随钻测量仪器应用适应性评价和电磁波随钻测量技术改进提供了理论依据和技术支持。结果表明,电磁波随钻测量仪器电磁波信号强度沿井深成指数衰减,增加绝缘短节以下的钻柱长度、减少发射信号的频率有利于减少信号衰减,地层电阻率的增加有利于信号的传输。     

连续波井筒数据传输技术原理与实现

随着油气勘探开发的不断深入以及控压钻井、随钻测井、导向钻井等技术的不断发展,现有的泥浆脉冲因数据传输速率慢,电磁波数据传输距离受到地层特性限制已不能满足技术发展的要求,连续波井筒数据传输技术长期为斯伦贝谢公司等一两家国外跨国公司垄断,成为制约国内井筒数据传输技术发展的瓶颈之一。中国石油西部钻探克拉玛依钻井研究院进行了原理验证探索,本文阐述了连续波随钻测量系统的构成及工作原理,分析了连续波信号传输的影响因素及实现过程中的技术难点和解决方法,研究结果表明连续波井筒数据传输技术是可行的。     

空气钻井钻柱波动响应规律研究

空气锤钻井具有提高机械钻速、减少储层伤害以及降低钻井成本等优势,因而在国内外各大油田得到广泛应用。而高速冲击的空气锤产生的应力波既有破岩作用．又对钻柱产生了一定程度的损伤．极易导致钻柱失效。文中根据应力波传播理论,对高速冲击工况下产生的应力波进行了模拟研究,求解出了波动响应随时问变量在钻柱中的传播规律,为研究应力波的破坏机理奠定了基础：     

连续波井筒数据传输技术原理与实现

随着油气勘探开发的不断深入以及控压钻井、随钻测井、导向钻井等技术的不断发展,现有的钻井液脉冲因数据传输速率慢,电磁波数据传输距离受到地层特性限制已不能满足技术发展的要求,连续波井筒数据传输技术长期为斯伦贝谢公司等一两家国外跨国公司垄断,成为制约国内井筒数据传输技术发展的瓶颈之一.阐述了连续波随钻测量系统的构成及工作原理,分析了连续波信号传输的影响因素及实现过程中的技术难点和解决方法,研究结果表明在国内技术奈件下连续波井筒数据传输技术是可行的.     

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。     

大斜度小井眼随钻扩眼钻柱动力学研究

随钻扩眼钻井技术是一种能有效解决小井眼钻井难题的重要技术,但存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题.文章针对TH-A井(φ)149.2 mm大斜度小井眼随钻扩眼至(φ)170 mm井眼作业过程,基于有限元力学分析方法,建立了适合大斜度小井眼的随钻扩眼钻柱动力学模型,采用Newmark法进行随钻扩眼有限元动力学模拟,研究BHA在小井眼中的运动状态,分析钻柱各关键位置处扭转角速度、扭矩、等效应力、井口轴向力及扭矩的时间响应.模拟结果与实测吻合较好,为研究随钻扩眼钻柱的振动特性,优化随钻扩眼措施提供了理论支持.     

气体钻井钻柱拉应力对纵波特性的影响

为分析气体钻井钻柱中拉应力对纵波传播特性的影响,提升声信号传输质量及距离,采用声弹理论建立了应力-纵波波速分析模型,对波速随拉应力的变化规律进行了分析,并利用研制的试验装置测试了纵波波速及频谱特性随拉应力的变化规律。研究结果表明:拉应力是钻柱中纵波特性的重要限制因素,波速随拉应力增加呈线性减小,实际钻柱中的声-应力系数需进行标定;随拉应力增大,频谱低频与中频段表现出通带发生偏移、带宽变窄、幅值降低及衰减为阻带的不利变化,高频段通阻带特性相互转变尤为明显。所得结果可用来指导气体钻井钻柱中声载波参数优选及系统结构设计,从而降低拉应力对钻柱中声信号的不利影响。     

智能油井管在石油勘探开发中的应用与发展前景

指出了钻井液脉冲无线随钻传输以及在井下用电池或涡轮发电机供电所存在的问题.先进的钻井、完井、采油技术需要既能由地面向井下输送足够的电能以电控井下仪表、传感器等钻井硬件,同时又能建立104～106bps的超高速率传输多类参数的有线实时双向闭环钻采信息"高速公路".介绍了智能钻柱的形成与发展,指出了智能油井管在石油勘探开发中应用的功能、优点及发展前景,提出了智能钻杆的设计、研制方案及与智能钻柱配用的多种电控井下硬件等创新点,认为智能油井管是实现智能钻井、完井和建设智能油井以及智能化油田的技术关键和创新工程.     

钻柱应力波频谱分析技术的应用

钻柱应力波频谱分析技术是一个崭新的技术领域。该文针对石油钻井中在线识别钻头工况和地层岩性的客观需要,叙述了钻柱应力波的成因、其各频段的特征、应力波各频段信息的分离技术、以及频谱技术在石油工程中的应用。着重阐述了频谱高频段岩性信息的分离技术,提供了一个能量归一化公式,对井深、井径和钻进措施等干扰因素进行了分析和排除,并给出了用人工神经网络识别岩性的初步方法。     

基于磁记忆的海上钻柱接头啮合螺纹检测技术

钻井作业过程中频发的钻柱接头螺纹断裂事故严重影响了油气资源的勘探开发进程。为了解决此问题,总结了钻柱结构特点及工况,分析了常规无损检测技术的不足,挑选出了能够在起钻作业过程中实现钻柱啮合螺纹损伤状况监测的金属磁记忆检测技术; 利用自行设计的井口钻柱检测装置,在中国南海某平台完成了钻柱监测试验,监测了钻柱啮合螺纹磁记忆信号,提取了磁记忆信号梯度信号,并利用基于大数据统计的螺纹应力集中评判标准,评价了啮合螺纹应力集中状况。试验结果显示,磁记忆检测技术能够准确检测啮合螺纹应力集中状况,为防止钻柱啮合螺纹断裂事故的发生提供了安全有效的技术手段。     

钻柱结构差异对声传性能的影响

深入研究声波在钻柱信道中传播性能,对于声传输系统的研发具有重要意义。首先借助瞬态分析方法对管柱的频域特性以及声波在管柱中的传播特性进行了分析,然后利用复杂钻柱结构的声传播特性分析模型,采用传递矩阵法分析了不同钻柱结构的声传性能,最后依据钻柱动力学和波动理论对耦合钻井液因素的影响进行了研究。结果表明,钻柱的几何结构对于其频域特性有着显著影响,结构差异对于信道的频带结构和通频带分布有着较为显著的影响,钻柱中各部分的尺寸差异会使通频带变宽,声波透射幅值下降。依据钻柱中结构各部分声阻抗大小,采用合理的排序方式,可以增强通频带的稳定性。通过对通频带变化规律和钻井噪声频率范围的分析,确定出了钻柱作为声传信道的声波通信载波基本选频范围为400~1 000 Hz的通带。     

气体钻井钻柱动态应力特征

气体钻井的循环介质为气体,黏滞效应远小于泥浆,因此气体钻井钻柱的失效情况比较严重。针对具有超细长比特征的全井钻柱,加入钻柱与井壁的碰撞模型,运用有限元节点迭代法,通过对碰撞冲击应力条件下气体钻井与泥浆钻井的动力学特性分析对比,探讨了气体钻井钻具的失效机理。分析表明,气体钻井的涡动频率和涡动速度明显高于泥浆钻井,气体钻井时钻柱与井壁的碰撞更为频繁且冲击应力比泥浆钻井更大,成为导致其钻柱失效的主要因素之一。     

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。     

智能钻柱设计方案及其应用

用旋转导向钻井工具在复杂地质条件下钻复杂结构井、特殊工艺井以及建设智能油井是21世纪的重要课题和发展方向之一。分析了钻井液脉冲无线随钻传输以及电磁波传输所存在的问题,指出采用导线传输方式既能由地面向井下输送足够的电力以电控井下仪表传感器和专用硬件,同时又能建立10^～10^6b／s的超高速率传输多类参数的有线实时双向闭环钻井信息“高速公路”。提出了智能钻柱的设计思路及方案,并分析了智能钻柱的功能、优点。     

基于可靠性理论的钻柱疲劳寿命预测

钻井过程中极易发生钻柱疲劳失效事故,不仅影响钻进速度,而且大大降低了钻井效益,因此准确预测钻柱的疲劳寿命,对于提高钻柱的安全可靠性、减少钻井事故的发生具有重要意义。根据钻柱疲劳裂纹的扩展与钻柱的应力状态有关,首先对钻柱进行了应力状态分析,并进行了等效应力合成。在应力分析的基础上,结合可靠性理论,确定了影响钻柱疲劳裂纹寿命的随机性参数:钻压、转盘转速以及疲劳裂纹初始长度。结合Form an模型建立了钻柱I、III复合型疲劳裂纹扩展速率的计算模型。算例分析表明,该模型能够计算相应可靠度下钻柱疲劳裂纹的循环寿命,且计算结果与现场钻柱的使用寿命比较接近,能够满足现场钻井工程的精度要求。该模型具有一定的实用性,为钻柱疲劳寿命的准确预测提供了理论依据。     

气体钻井钻柱振动特性及控制措施

为解决气体钻井钻柱频繁失效的实际问题,综合考虑钻柱纵横扭耦合振动,根据气体钻井全井段钻柱系统动力学模型分析了气体钻井钻柱的振动特性,并从减振抑振角度提出了空气锤钻井工艺和采用减振减阻工具两种振动控制措施。以川西某实钻井气体钻进段为例,在利用美国ESSO公司现场数据验证全井段钻柱系统三向耦合振动力学模型可行性与结果可靠性的基础上,量化评价了常规气体钻井和采用振动控制措施气体钻井工艺的钻柱振动特性。对比分析表明,这两种工艺措施的减振抑振效果明显,不仅能够有效减弱气体钻井中下部钻柱的振动强度,而且使上部钻柱的动态应力也大大降低。     

基于数值模拟的钻柱谐振响应研究

钻柱振动是钻柱疲劳失效的主要原因,特别是在气体钻井过程中,井眼内缺少钻井液的润滑减震作用,钻柱振动更为强烈。文章建立了钻柱振动有限元数值模型,采用SUBSPACE法对钻柱进行模态分析,计算出了钻柱纵向振动各阶固有频率;并利用FULL法分别对三牙轮钻头和空气锤激励时钻柱的谐振响应情况做了计算,对其响应位移和响应轴力进行了详细研究,得出使用三牙轮钻头时钻柱在低阶频率处纵向共振响应位移最大,对钻柱的损害最大;使用空气锤时,钻柱在高阶频率处易发生共振,响应轴向力较大。