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。     

井下无线射频识别系统作业环境影响因素分析

以无线射频识别(RFID)技术为控制手段与井下工具进行结合,能够很好地突破现有技术瓶颈,解决压裂级数受限等诸多问题。但在实际情况下,井下环境复杂多变,多种因素都会对射频系统的稳定性造成干扰。为解决这一问题,在完成井下RFID通信系统设计的基础上,根据井下RFID系统的结构特点和工作环境,使用Ansoft Maxwell软件建立井下电磁环境有限元仿真模型,探究了各因素对RFID系统的影响程度以及变化规律。分析结果表明,井下工具金属外壳尺寸和压裂液电导率为主要影响因素。对RFID系统进行的信号接收性能试验也验证了系统能够达到所需性能指标。研究结果对于RFID系统的现场应用具有一定的指导作用。     

射频识别随钻扩眼器的研制与应用

为了解决当前常规随钻扩眼器在实际应用中的问题,设计了一种基于射频识别控制技术的随钻扩眼器,实现了控制命令的井下无线传输和接收,并通过液压执行机构控制扩眼刀翼动作,实现井下扩眼操作。工具设计过程中,在射频识别天线外部安装铁氧体屏蔽环,解决了井下金属涡流对天线磁场强度的削弱问题,保证了井下射频识别通讯系统对控制命令的可靠接收;通过理论计算和仿真分析确定了液压执行系统最大承压能力,为电磁阀优选和液压回路承压设计提供了理论依据,保证扩眼刀翼的可靠锁止。设计的RFID随钻扩眼器成功进行了4口井的现场扩眼作业,验证了工具的工作可靠性和稳定性。     

井下无线射频识别信号传输特性的模拟研究

无线射频识别信号传输技术可用于遥控井下工具,具有非接触传输、功耗小、操作便利、成本低等优点,是智能化钻完井技术的新发展方向。然而,复杂的井下环境会对井下无线射频识别信号传输的可靠性产生极大的影响。该研究结合电磁波传输理论和法拉第电磁感应定律,综合考虑了不同传输介质等井下环境的影响,建立了井下无线射频识别信号传输的理论模型,并通过数值模拟验证了该理论模型的准确性。基于该模型分析了激励电压幅值、传输距离及钻井液性质对井下无线射频识别信号传输特性的影响。研究结果表明:随着钻井液电导率的增加,信号衰减程度变大;随着传输距离的增加,无线射频识别信号传输强度变弱;随着激励电压幅值的增大,无线射频识别信号传输强度变强。理论模型与仿真模型最小误差为1.67%,具有一定的参考性。该研究可为井下工具无线传输技术提供理论依据,有助于推动井下信息无线传输技术的发展。     

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.      

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.     

BH-VDT垂直钻井工具无线电磁短传模块影响因素分析

垂直钻井工具组合大扭矩螺杆一体化提速技术,是山前高陡构造防斜打快的主要手段。BH-VDT垂直钻井工具采用随钻测量、控制和实时上传一体化设计,如何绕过螺杆将近钻头采集信息高效传输至地面,成为了当下面临的主要技术难题。为此,将脉冲发生器从工具中分离出来,加入无线电磁短传模块,在螺杆的两端接入无线发射模块与无线接收模块,并采用有限元分析软件,建立钻井试验模型来分析影响无线电磁短传模块的因素。仿真结果与现场试验数据符合较好,无线电磁短传模块中的接收天线正极距离套管底部的距离大于20 m时,套管对接收信号强度的屏蔽影响趋于平缓,钻井液电阻率和地层电阻率对该模块的无线传输效果影响较大,接收天线两级的绝缘距离越长对传输效果越有利;而发射端和接收端的距离在8～15 m范围内,对接收信号强度的影响较小。研究结果表明：采用无线电磁短传模块是解决BH-VDT垂直钻井工具绕过螺杆实现井下信息实时高效传输的有效手段,对其他工具为解决此类问题的设计、现象解释有指导意义。     

脉冲式井下增压钻井装置增压特性研究

基于脉冲式井下增压钻井装置的结构和工作原理,建立了其活塞增压模型,进而对其增压特性进行数值模拟研究。研究结果表明,流体增压是活塞运动和高压喷嘴节流共同作用的结果。当其他条件相同时,高压喷嘴出口流速随转速、活塞行程的增大而增大,并且增大幅度较高,增压压力受这3个因素的影响规律相似;高压喷嘴出口流速和增压压力都随高压喷嘴直径的增大而明显降低;随着钻井液密度增大,高压喷嘴出口流速和增压压力稍微增大。高压脉冲射流的脉冲频率只与转速有关,且随转速增大而增大,其他因素对其没有影响。该研究结果为后续的样机设计和现场试验参数的确定提供了依据。     

浮箍井下工作环境与失效分析

在整个固井过程中，固井工具及附件的工作情况是影响固井质量的重要因素，有的固井工具甚至是固井成败的关键。固井工具在井下是否正常工作，不仅要受地面操作的影响，而且井下环境也会对固井工具的工作情况产生重要影响。井下环境包括井眼、地层、套管、钻井液性能、井下温度、井下压力、循环排量及时间等综合因素，这些因素都会对固井工具的正常工作产生影响，甚至使工具失效。浮箍是一个单向阀，其功能是在注水泥后阻止水泥浆进入套管内，从而控制水泥塞高度。如果浮箍失效，就会造成水泥塞过高，外部环空不能完全封隔，有时需要补救挤水泥，固井质量低。对影响浮箍的温度、钻井液和水泥浆、循环、压差等井下环境作了详细的分析，提出了保证浮箍使用效果的一些建议。     

渤海超大位移井水平段裸眼延伸极限预测及影响因素分析

为解决渤海复杂地质条件下浅层超大位移井到底能打多远的问题,文中综合考虑岩屑、井筒环境、水化效应对井壁稳定性的影响,建立了海上超大位移井水平段裸眼延伸极限预测模型,分析了不同因素对水平段裸眼延伸极限的影响,并进行了因素敏感性和钻井方案优化措施分析。结果表明：考虑岩屑影响的水平段裸眼延伸极限明显小于不考虑岩屑影响的延伸极限;水平段裸眼延伸极限随破裂压力当量密度、钻井液稠度系数、钻杆转速、温度增量的增加而增大,随钻井液密度、钻井液流性指数、机械钻速、固相（岩屑）密度、固相体积分数、压力增量、水化应力的增加而减小,随钻井液排量的增大先增大后减小。敏感性分析结果表明,破裂压力当量密度、钻井液流性指数、钻井液稠度系数对延伸极限的影响较大。通过优化各参数取值,可改善钻井液性能,提高井筒清洁能力,合理控制钻进参数,从而延长超大位移井水平段裸眼延伸极限,为平台位置优选、井网布置、复杂结构井开发方式选择提供帮助。     

可更换钻头套管钻井工具及工艺研究

采用常规钻机、利用转盘驱动的简易套管钻井技术由于受钻头寿命的限制，只能用于一只钻头钻至设计井深的情况，为此，研制开发了转盘驱动的可更换钻头套管钻井系统。该系统由起下工具、井下锁定工具串及坐底套管3部分组成。进行套管钻进时，井下锁定工具串锁定在坐底套管上，需更换钻头或井下锁定工具串时，往套管内部下入起下工具并解锁锁定装置，起出井下锁定工具串，更换完毕后，再将井下锁定工具串从套管内送入井底，锁定在套管柱末端的坐底套管上，起下过程中可保持钻井液的循环和钻柱的转动。该系统在吉林油田2口井上进行了试验，井下锁定工具串的下入成功率达到100％，并实现了套管正常钻进，但由于打捞矛无法进入到井下锁定工具串的打捞孔中，致使2口井都没有正常起出井下锁定工具串。详细介绍了可更换钻头套管钻井系统的组成、原理、施工工艺及现场试验情况。     

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。     

CDS系统下全漂浮套管串工艺及技术分析

近年来,随着海上油田勘探向滩海和深海的发展,大位移井由于其显著的成本和技术优势,获得了快速且广泛的应用。但是,在大位移钻井中应用传统下套管技术时发生了套管下不到设计位置且无法处理等井下事故。CDS(Casing Drive System)技术通过顶驱整合了套管钳、灌浆工具与循环工具,实现下套管自动连接,提供套管旋转及循环钻井液功能。基于CDS系统的组成及其下套管工艺的原理,通过将CDS系统与全漂浮下套管技术结合,形成了CDS下全漂浮套管串工艺。现场应用取得了良好效果,为超大位移井的下套管作业提供了新的技术方案。     

波导测量方法及其可行性研究

对于电磁波的传播而言，油井套管相当于大口径的圆波导，为了准确测量油井的持水率参数，作者研究发明了波导测量方法，波导法是井下利用发射天线激励一定模式和一定频率的电磁波，利用接收天线检测出导波的衰减和相移，从而根据水与油，气的电特性差异测量持水参数，通过数值模拟研究了该方法的可行性，并用物理模拟实验结果考察了该方法的探测特性和可靠性。     

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     

定向钻井中托压机理分析及对策探讨

为了解决定向钻井过程中的托压问题,通过分析下部钻具组合的受力,研究了托压产生的机理,并分析了影响托压的主要因素,给出了主要技术对策。分析研究表明,托压主要是由钻柱与井壁之间的摩擦阻力造成的,其影响因素主要包括井眼轨迹、井眼清洁程度、钻具组合、钻井液的润滑性及地层类型等。控制托压的技术对策包括优化井眼轨道和钻具组合、提高井眼清洁程度和钻井液的润滑性及采用改善托压的井下工具等,并介绍了控制托压技术措施在D15-X14井和Y123-5HF井的应用情况。研究与应用表明,控制托压的技术对策具有较强的针对性,不但能有效降低托压的频率与程度,而且能有效提高机械钻速,能够为定向钻井提供指导和借鉴。      

井下钻井液采集模拟装置的设计与试验

目前,井下气体检测技术研究存在的主要问题集中在井下高压钻井液的采集与压力释放方面,并且缺少相应的模拟试验环境。针对这一难题,研制了一种井下钻井液采集模拟试验装置。阐述了其结构和原理,并通过仿真模拟论证了采用该装置完成井下钻井液采集的可行性。将该模拟试验装置接入气液分离膜与微型气体检测器进行试验,实现了井下气体检测录井的功能。