海底泥浆举升钻井系统控制仿真研究

为解决深水钻井面临的复杂井控问题,根据海底泥浆举升钻井系统的基本结构及工作原理,建立一个由变频器、电机、举升泵、泥浆循环管路组成的控制对象模型,结合控制对象为大惯性、非线性系统的特点,采用一种基于自适应模糊PID调节器的压力、转速双闭环控制策略,利用Matlab/Simulink软件构建系统仿真模型,分析结果表明,基于自适应模糊PID控制的压力、转速双闭环控制策略能够在海底泥浆举升钻井系统中取得很好的控制效果,使系统及时应对多种随机干扰。研究结果可为海底泥浆举升钻井控制提供参考。     

倾斜煤层水力冲孔有效影响半径数值模拟研究

针对目前水力冲孔技术研究较少考虑倾斜煤层水力冲孔卸压范围随方向变化的特点及煤层倾角对水力冲孔卸压有效半径影响的问题,以某煤矿3号煤层为研究对象,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics对倾斜煤层水力冲孔有效影响半径进行了数值模拟,研究了不同方向上的钻孔有效抽采半径。数值模拟结果表明:在冲孔作用下,抽采影响范围随抽采时间的增加而不断扩大,但扩展速度随时间下降;在冲孔卸压作用下,煤层渗透性大大增加,钻孔周边影响范围呈近似椭圆形分布;连续抽采90 d后,上部方向的影响半径为6 m左右,下部方向的影响半径为4 m左右,水平方向的影响半径为5 m左右;为了确保抽采达标,该煤层水力冲孔钻场横向钻孔布置间距设定为3.5 m左右,纵向钻孔布置间距为4.0 m左右。该研究结果对于优化水力冲孔工艺参数、指导抽采钻孔的准确布置、提升矿井的瓦斯治理效果具有重要的现实意义。     

普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯研究

针对采用单一顺层普通钻孔或定向钻孔预抽煤巷条带瓦斯时存在普通钻机施工长钻孔易偏离轨迹、定向钻机施工成本较高等问题,以青龙煤矿21601掘进工作面为研究背景,提出了采用普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯。数值模拟结果表明:单钻孔预抽瓦斯时,抽采初期钻孔终孔位置处钻孔轴向瓦斯压力等值线呈“V”形分布,随着抽采时间延长,瓦斯压力“V”形分布逐渐平滑;钻孔径向瓦斯压力以钻孔为中心呈环状依次向外递增;预抽93 d时的有效抽采半径达3.80 m;普通钻孔和定向钻孔可分别有效控制煤巷两帮15 m和煤巷掘进工作面前方200 m范围内瓦斯。现场应用结果表明:普通钻孔和定向钻孔联合预抽时,瓦斯抽采总量平均值为19.86×10^3 m^3,瓦斯抽采体积分数平均值为53.5%,瓦斯抽采纯流量平均值为1.97 m^3/min,瓦斯抽采混合流量平均值为3.68 m^3/min,残余瓦斯含量小于8 m^3/t,瓦斯抽采效果良好。     

油气勘探钻录测数据库平台设计

在了解钻录测数据需求分析的基础上,设计基于三层体系架构的钻录测联合数据库平台。根据钻录测数据多源、海量的特点,提出以油气勘探为目标的钻录测数据库的概念模型和物理模型,探讨数据库平台数据接口的设计,并对数据库平台进行初步实现,利用胜利油田某区块的油气勘探数据进行测试,结果表明,数据库平台能有效管理钻录测数据,实现数据的快速检索,为油田生产提供有力支撑。     

Robust gain switching control of constant bottomhole pressure drilling

Automation of managed pressure drilling is crucial in order to enhance safety. This process is highly nonlinear and the system varies considerably with changes in drilling conditions. In this work we have analyzed the effect of various operating conditions on plant parameters and designed a controller which will deliver consistent performance for different working conditions and will also be robustly stable. The control objectives of robustness and good performance are achieved by using multiple robust loop shaping controllers. Based on choke opening and mud flow rate, an appropriate controller is selected by utilizing a gain schedule. An observer for estimation of the reservoir pressure is also implemented so that an appropriate bottom hole pressure setpoint can be selected to maintain overbalanced conditions.     

小煤柱应力集中区钻孔卸压机理的数值模拟研究

文章分析了小煤柱应力集中区钻孔卸压机理,利用ADINA有限元软件模拟了钻孔卸压的作用机理、钻孔动态损伤破坏发展和应力场重新分布过程;通过小煤柱应力集中区不同钻孔孔径和孔距数值模拟对比发现:具有合理钻孔孔径和孔距的卸压孔可以导致煤层的结构性破坏,从而使煤柱高应力区向深部转移。仿真结果表明,小煤柱应力集中区钻孔卸压对控制煤柱变形与破坏具有显著效果。     

采空区瓦斯抽采钻孔参数及注氮防灭火研究

钻孔抽采能够影响采空区内部风流的运动,从而导致采空区流场发生变化,增加工作面向采空区的漏风,同时钻孔周围呈现负压状态,漏风风流也不断向钻孔周围补充,采空区煤体在漏风集中区域呈现氧化升温状态,存在采空区遗煤自燃问题。针对上述问题,研究了钻孔抽采条件下采空区最优注氮防灭火方案。以白龙山煤矿10201工作面为背景,用数值模拟软件对工作面采空区进行仿真,分析了不同抽采参数下的采空区流场和温度场分布,依据合理钻孔参数确定了最优注氮条件。结果表明:抽采负压为30kPa时瓦斯抽采效果良好,氧化升温带增幅相对较低;钻孔间距为6m时抽采效果佳且工程量较小;进风侧注氮口与工作面距离为75m、注氮流量为1 500m^3/h时,可以很好地缩小氧化升温带宽度并节约成本。实际应用结果表明:综放工作面及上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制,均低于1%;抽采管路及上隅角CO体积分数分别低于0.040%,0.032%,采空区煤体未发生自燃,采空区瓦斯抽采和注氮取得了良好的应用效果。     

随钻脉冲曼码信号处理研究

随钻测量过程中,井下随钻测量信号通过钻井液脉冲方式传输到地面,地面采集到的信号往往包含了各种噪声和干扰,为了正确地恢复源信号,采用基于最小均方的自适应噪声对消算法.同时,利用改进锁相环方法来正确地恢复时钟,寻找准确的采样点.通过现场采集的钻井液脉冲信号进行验证,曼码信号处理能成功恢复码子,还原有效信息.     

Teaching mineral prospecting by computer-assisted simulation techniques

The simulation game, which involves the interaction of a geological model, a set of rules, and teaching materials, is used to teach students and professional people attending refresher courses the techniques of mineral exploration. Using geochemical and geophysical measurements, including detailed borehole logs, the students plan an exploration strategy, control the exploration budget, discover the structure and geology of the area represented by the model, outline probable mineralizations, and evaluate the ore reserves. They choose the borehole locations, the type of drilling machine, and the drilling depth, taking continually into consideration the financial aspects.The model is multidisciplinary, involving stratigraphy, sedimentology, structural geology, tectonics, climatic conditions, metallogeny, mineralogy, and petrology. Certain of these characteristics are expressed as complex mathematical functions, which are solved by the program. The computer program also prints out the detailed borehole logs, controls the budget and drilling equipment, and enforces the rules of the game.     

泥浆密度测量用传感器研究

根据石油钻井录井仪系统中泥浆密度传感器的技术指标和国内现有差压式传感器的技术水平,阐述了泥浆密度传感器的设计选型及分析试验等工作。     

Comparison of the ParTrack mud/cuttings release model with field data

The oil industry promotes the development of numerical models for prediction of impacts from their discharges to sea. A model for the simulation of the spreading and deposition of drilling mud and cuttings on the sea floor as well as the spreading of chemicals (and small-sized particles) in the water column has been developed. The simulation is based on a Lagrangian ‘particle’ approach, which means that the properties of the discharge are represented by moving ‘particles’ in the model domain. The initialization of the particles is based on the output from an Eulerian near field underwater plume model. In addition, the model applies external current fields for the horizontal advection of the particles.This paper presents a comparison between simulated and measured concentrations of barium (barite) in surface contaminated sediment in the vicinity of an oil production field. As a part of the regular surveillance of oil production sites on the Norwegian Continental Shelf, the barium content in surface sediments is measured. These data might therefore serve as an opportunity for comparing simulation results with measured depositions of barium (barite) on the sea floor.The paper explains details in the comparison made between the measured barium concentrations in the sediment and the simulated deposition on the sea floor from the drilling of three exploration wells and 18 production wells off the west coast of Norway.     

临涣煤矿穿层钻孔水力压裂技术应用研究

针对临涣煤矿存在瓦斯抽采率低、打钻数量过多且瓦斯抽采周期短的问题,提出了采用穿层钻孔实施水力压裂工艺的方法。实验结果表明,临涣煤矿实验区瓦斯标况纯量平均提高了19倍,瓦斯抽采周期延长了3倍多,说明此次井下水力压裂实验基本形成了适用于临涣煤矿矿井的穿层钻孔水力压裂工艺,该煤矿适宜通过水力压裂卸压增透,减少打钻钻孔数量。     

基于PIC18F4680单片机的动态小压力微弱信号检测

采用泥浆压力传输开关信号,是石油钻井探测过程中地面与几千米井下少有的信号传输方式之一,但井下由于压力产生信号变动为毫伏级微小信号,再结合井下高达150℃高温及高震动、强干扰的恶劣环境,这使得有用信号的可靠稳定采集成为难题.针对该问题,以PIC 18 F4680单片机为平台,采用硬件滤波初步排除强干扰信号和软件卡尔曼滤波进一步精确提取有用信号相结合的方式实现井下钻井小压力信号的检测.给出了硬件平台及硬件滤波的详细设计方法,描述了软件卡尔曼滤波应用于压力小信号处理的实现方法,并通过仿真及现场验证证明其可靠性,而且性能超过国外同类技术.     

基于2D-DCT变换的MWD遥传信号泵冲干扰消除方法

遥传技术是随钻测量(MWD,measurement while drilling)系统中的一项关键技术,目前大多数MWD系统均采用泥浆脉冲方式进行数据传输.钻井现场噪声环境复杂,特别是泥浆泵的泵冲干扰,其强度较大,如果其频率落入脉冲信号的带内,则会对地面接收信号造成严重干扰.因此若不能对脉冲信号带内的泵冲干扰进行很好的抑制,则会限制遥传系统对各种工况的适应能力.提出了一种基于二维离散余弦变换(2D-DCT)的泵冲干扰消除方法,该方法将地面接收到的一维泥浆压力信号转换为二维信号,然后进行2D-DCT变换,从而能在变换域进行泵冲干扰的消除处理.     

复杂结构井钻压值的有限元数值计算

通常,钻井过程中钻杆自重生成的钻杆轴向力即钻压的计算是通过解析方法计算的.由于接触条件复杂,钻杆与井壁及套管接触产生的摩擦力一般通过简化的经验系数计入.随着水平井等复杂结构井的普及,解析方法得到的钻杆轴向力的结果误差逐渐明显,不能满足实际需要.因此,采用三维有限元法计算钻杆自重生成的钻杆轴向力即钻压值.模型采用管单元模拟套管和钻柱,并在钻杆与井壁之间设置专门模拟管-管相互作用的ITT摩擦接触单元,判断钻柱与套管和井壁的接触状态,可以准确计算钻杆全长沿井轴方向的轴向力、轴向摩擦力及其引起的钻压变化.在钻杆全长的整体力学行为的有限元计算中,还可以考虑钻杆的屈曲问题.结果表明:有限元法是正确设计钻压的有效理论工具.该数值结果为正确设计钻杆尺寸、得到理想的钻压值提供成功的例子.     

一种新型工具面角传感器的研制

为了满足在地下小直径钻孔内进行工具面向角的测试要求,自行研制了一种体积小、性价比高的面向角传感器.该传感器采用重力滚动滑块与光电效应结合的方法,实现了钻具面角的随钻检测,显著地缩小了传感器的体积,解决了小尺寸结构件难以加工较多孔眼的技术难点.实际测试效果表明:该传感器能满足随钻条件下的工具面向角的测试.     

定向钻具姿态的双线性补偿控制策略

在地质钻进过程中,钻具运动具有复杂非线性特性,因而很难有效实现钻具姿态的控制.对此,提出一种面向定向钻具姿态的双线性补偿控制策略,以实现对非线性钻具运动的准确控制.首先,通过分析定向钻具运动特性,建立定向钻具的运动模型,针对运动模型存在非线性和耦合特性,利用泰勒展开法和双线性逼近变换技术对钻具运动模型进行变换;然后,运用双线性补偿控制思想扩展局部线性控制范围和优化控制效果.仿真结果表明,所提出的控制策略能够简化定向钻具控制过程,提高定向钻具控制的准确性,具有较好的稳定性.     

Stability analysis of coupled torsional vibration and pressure in oilwell drillstring system

To address security issues in oilwell drillstring system, the drilling operation handling which is in generally not autonomous but ensured by an operator may be drill bit destructive or fatal for the machine. To control of stick-slip phenomenon, the drillstring control at the right speed taking only the drillstring vibration is not sufficient as the mud dynamics and the pressure change around the drill pipes cannot be neglected. A coupled torsional vibration and pressure model is presented, and the well-posedness problem is addressed. As a Partial Differential Equation-Ordinary Differential Equation (PDE-ODE) coupled system, and in order to maintain a non destructive downhole pressure, we investigate the control stability with and without the damping term in the wave PDE. In terms of, the torsional variable, the downhole pressure, and the annulus pressure, the coupled system equilibrium is shown to be exponentially stable.     

瓦斯抽采钻孔漏气通道检测装置研制及应用

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙和封孔段空隙通道是造成钻孔漏气失效的主要原因。为有效检测钻孔漏气通道,基于管流流体力学理论和漏气检测判别方法,研制了瓦斯抽采钻孔漏气通道检测装置。通过检测不同钻孔深度气样参数并分析其分布规律和突变情况,确定抽采钻孔失效原因和漏气通道位置;检测装置采用高稳压阻式压力传感器、激光甲烷传感器和荧光氧气传感器实现抽采负压、瓦斯浓度和氧气浓度检测,并采用1.5 m/节快接式25 mm薄壁不锈钢管作为取气管件,钻孔检测深度达30 m。现场应用结果表明,抽采管段检测参数变化稳定,说明抽采管未发生破损或接口漏气等,抽采管密封效果较好;在封孔段,距孔口9~18 m范围内存在多处不同程度的突变点,最大漏气通道在距孔口9~12 m范围内,说明原封孔深度不足,原封孔工艺无法有效密封漏气通道。将封孔深度增加至12 m,并采用“两堵一注”带压注浆封孔工艺,进行对比试验,结果表明,改进后试验钻孔整体抽采效果大幅改善,孔口瓦斯体积分数提升至55%以上,在距孔口12 m以深范围内瓦斯体积分数变化稳定,氧气体积分数近乎为0,漏气通道减少。试验结果验证了瓦斯抽采钻孔漏气通道检测装置能够有效检测漏气通道,为有针对性地调整封孔方式和相关参数及后续改进工作提供依据。     

基于超声波原理的开孔参数标定系统研究

针对传统的人工丈量方法标定开孔方位角和倾斜角存在操作程序繁琐、稳钻时间长、精度低等问题,设计了基于超声波原理的钻孔开孔参数标定系统。该系统采用超声波渡越时间检测法测量参考点之间的距离,并由单片机解算出钻杆的方位角,选用微机械三轴加速度计测量倾斜角,实现了全自动化的实时跟踪测量及智能化的钻机姿态调整语音指导操作;在误差允许范围内,可快速标定所需开孔参数。该系统提高了开孔参数标定精度、标定效率及煤矿管理水平,降低了矿工劳动强度和煤矿管理成本。