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。     

定向滑动钻进控制新方法研究

在用螺杆钻具进行定向钻井时,由于井眼摩阻大,常导致工具面调整困难和滑动钻进托压。针对该问题,研究了有效结合了顶驱可编程控制器和传感器的滑动钻进控制新方法。首先,分析研究了钻具滑动前后摩擦力的变化规律和控制扭矩旋转钻具减小井眼摩阻的方法。然后,通过5个传感器的实时数据采集,依据现场技术人员的经验和操作方法,将其转换为计算机可以执行的控制程序,建立了以可编程控制器为核心的人机控制界面,用可编程控制器计算了调整工具面所需的旋转角度,并将工具面准确调整到设计的角度;根据大钩悬重和压差Δp判断是否出现托压,出现托压时用可编程控制器计算不改变工具面的旋转扭矩,以计算的扭矩为限值左右旋转钻具减小井眼摩阻,直到压差Δp0,解决滑动托压。相关应用表明,新方法能大幅减小井眼摩阻,提高机械钻速,是目前螺杆钻具滑动钻进中最有效的控制方法。      

定向滑动钻进控制系统与控制方法研究

针对螺杆钻具在定向钻井过程中由于井眼摩阻大所导致的工具面调整困难和滑动钻进托压问题,利用顶驱精确定位和左右旋转的特点,研究开发基于顶驱可编程控制器(PLC)和传感器于一体的滑动钻进控制系统。本文深入研究和分析了钻具滑动前后摩擦力的变化规律和控制扭矩旋转钻具减小井眼摩阻的方法。通过5个传感器的实时数据采集,依据定向工程师的经验和推理方法,将其转换为计算机可以执行的控制程序,建立以PLC为核心的人机控制界面,PLC计算调整工具面所需的旋转角度,将工具面准确调整到设计的工具面角度;根据大钩悬重和压差?P判断托压,出现托压时PLC计算不改变工具面的旋转扭矩,以计算的扭矩为限值左右旋转钻具减小井眼摩阻,直到压差?P0,解决滑动托压。研究表明,新方法能大幅减小井眼摩阻,提高机械钻速;其方法是目前解决螺杆钻具滑动钻进最有效的控制方法。     

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针对大位移井眼轨迹控制技术难点,文章分析了西江24－3油田4口大位移井的井眼轨迹控制技术,探讨了大位移井井眼轨迹控制技术的机理,并对大位移井井眼轨迹的控制方案进行了优化。结果表明,西江24－3油田大位移井的井眼轨迹控制技术实际上是可调和不可调滑动导向钻具组合连续导向和旋转导向工具连续导向钻井技术的综合。旋转导向工具进行连续导向钻井具有随时可控性,轨迹控制质量高,但使用成本很高。在充分掌握滑动导向钻具组合导向力变化规律的基础上,在一定范围内,这种钻具组合仍然具有很好的应用效果。技术和经济方面的因素决定了小位移时采用滑动导向钻具组合连续导向钻井技术,而在较大位移时采用旋转导向工具的控制方法是最优的轨迹控制方案。     

柔性短节对RSBHA导向力特征的影响分析

旋转导向系统是实现井眼轨迹精确控制的核心工具,代表了当前井眼轨迹控制技术的最高水平.在带旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)中,都带有柔性短节,但至今未发现有关柔性短节对旋转导向工具控制效果影响的文献.文章在建立了带位移工作方式旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)的三维小挠度力学分析模型的基础上,加入柔性短节的连续条件,采用加权余量法对模型进行了求解.分析了柔性短节位置及长度对RSBHA侧向力的影响规律,并对RSBHA进行了实例计算分析.静力学结果表明,在不同的RSBHA工作模式下,柔性短节长度和位置对钻头侧向力的影响规律不同,柔性短节材料对钻头侧向力的影响较小,而稳定器间距具有较大影响,国外公司的RSBHA结构已经过优化.     

旋转导向钻具工具面角的新型表述

旋转导向钻井工具工作时,导向钻头根据实时的姿态控制指令对钻具的工具面角进行实时控制。文
章提出了一种对工具面角角度变化的新型表示方法,即在圆柱面坐标系下对角度的动态变化进行描述。该表示方
法可更加直观地显示工具面角角度的变化趋势,避免了在平面坐标系下角度的大幅跳跃,并可以循环显示工具面
角度的周期变化过程,最后在ｍａｔｌａｂ环境下对角度变化过程进行可视化处理。     

旋转导向钻井系统中振动加速度的消除方法

在钻井过程中,钻头切削岩层、钻柱与井壁的碰撞,必然造成钻井工具的振动,这些振动会在测斜加速度传感器的输出上得到反映,使其不能真实地反映井眼姿态的变化。为及时得到准确的井眼姿态,有必要研究振动条件下传感器的输出规律,进而消除振动的影响。从室内模拟振动实验的原始数据入手,通过Matlab对传感器输出信号进行功率谱密度估计,得出了振动频率与转速的大致关系,并设计了具有针对性的滤波器。通过对实验数据分析处理,振动干扰信号的能量得到大幅衰减,测斜传感器3个敏感轴的输出波动明显减小,提高了姿态测量的准确性,从而验证了该方法在旋转导向系统中是可行的。     

基于三轴磁通门传感器的随钻方位伽马测量系统设计

常规伽马仪器难以满足薄储集层地质导向钻井技术要求,因此设计方位伽马测量工具,以实时测量井周不同扇区内的伽马值。应用窗口采集伽马原理,记录不同方向的伽马测量结果,并将结果实时传输至地面。测量井眼重力工具面仪器为重力加速计,因震动和旋转严重影响其测量结果的准确性,为此基于磁通门传感器设计的随钻方位伽马测量系统,实现了方位伽马精确测量。现场试验表明,设计的方位伽马工具具有高精度、连续测量的优点,可提高目的层钻遇率,能更好地为油气勘探开发服务。     

旋转导向钻井工具外壳的优化设计

在导向钻井中,导向钻井工具处于核心地位。旋转导向钻井工具的核心是在旋转状态下能按控制指令使伸缩块改变作用在钻头上的合力或钻具偏心度,从而进行导向。它在钻井作业中始终保持旋转状态,克服了滑动导向作业中出现的摩阻过大、井眼清洗不完善两大问题。     

小井斜重力工具面动态测量方法研究

介绍了用重力加速度传感器测量重力工具面的原理,提出了一种提高精度和稳定性的小井斜重力工具面动态测量方法,搭建了基于石英加速度计的重力工具面动态测量系统,并针对现有自动垂直钻井系统在随钻状态下受到振动和冲击信号干扰测量精度下降和测量结果不稳定的问题,提出在常规硬件滤波的基础上,提高采样频率来反映信号原貌,加以多种数字信号处理方式以提高重力工具面动态测量精度。通过振动台的随机振动试验和井下实钻数据振动试验结果显示,测量精度和实时性均有提高。通过试验验证了该重力工具面测量方法和信号处理方式行之有效,可以为井下控制提供准确真实的实时执行导向依据。     

自动垂直钻井中井斜动态测量理论与实验研究

井斜动态测量是指在钻井过程中对井眼的井斜角、工具面角等物理量的实时检测和信息的提取,比静态测量复杂,钻具的振动和转动均会导致相应的井斜测量信号严重失真,但其中的振动信号可用低通滤波器滤除,而钻具转动对加速度计所产生的离心力导致的测量信号的失真,则必须通过诸如转速补偿之类的修正才能去除.低通滤波器可选用一定阶数和转折频率的巴特沃斯滤波器,而加速度计输出的转速补偿则须预先对加速度计进行标定.利用专门的实验装置对井斜动态测量的方法及其具体实现进行了有效的验证.     

基于顶部驱动的滑动钻井导向控制技术

将北京石油机械厂顶驱的主轴旋转定位技术与MWP随钻测量仪相结合,设计并实现了基于顶部驱动钻井和井下动力钻具组合的顶驱滑动钻井导向控制系统。该系统由顶部驱动钻井装置、人机交互界面、井下动力钻具以及MWD随钻测量工具等4部分组成,将顶驱和井下动力钻具相结合,实现对旋转钻柱包括转速、转向、角度在内的完全控制,并可根据井下实时反馈的井眼轨迹信息,实现滑动钻井之前工具面的设置以及滑动钻进过程中工具面的实时监控和动态调整。内蒙SNO116-19H定向井项目的实际应用结果表明,该技术能够显著提升定向井钻进作业的整体时效和井眼质量,同时也为导向钻井的闭环控制和自动化控制奠定了基础。     

水平定向钻穿越施工中的对接技术

在长距离水平定向钻穿越导向孔施工中,由于钻柱与孔壁之间存在较大的摩阻,因此钻头的旋转要明显滞后于钻机动力头的旋转,由此造成井下工具面角难以控制,从而使控向精度受到了影响。为解决此问题,采用了对接技术。文章主要介绍了对接技术的原理及对接时井下钻具的组合方式,并以中俄原油管道黑龙江穿越工程主管道导向孔对接实例加以说明。     

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响,取得上千组试验数据。试验结果表明:随环空返速增加,小井眼环空压耗增加很快;在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降,但下降幅度很小,在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大;随偏心度增大,环空压耗降低;随环空间隙减小,压耗对钻柱旋转变得更为敏感;随钻井液幂律流性指数增加,环空压力损耗增大;随宾汉塑性粘度增加,环空压耗增加;随钻井液密度增加,环空压耗增大;钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。     

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。     

指向式旋转导向钻井系统角位置测量方法

指向式旋转导向工具在国内的研究起步晚,许多技术环节还处于攻关阶段。该系统钻头轴(或偏心轴)与钻铤的相对角位置测量是工具在导向过程中保持工具面相对大地稳定的关键和前提,其精确度和实时性至关重要。在研究指向式旋转导向系统工具结构和工具面测量原理的基础上,对利用旋转变压器的2种角位置测量方法——反正切法和鉴相法进行适用性对比分析,对2种算法进行了仿真,并优选鉴相法开展实验室平台验证。仿真及实验结果证明,在电动机模拟井下转动并受干扰的情况下,鉴相法比反正切法处理后的信号具有更强的稳定性,能够较好地实时跟踪并高精度还原工具偏心轴相对于外部钻铤的转动角度,为钻头轴工具面角的测量、导向控制以及整个工具的研制提供了基础。     

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。     

A numerical method for determining the stuck point in extended reach drilling

A stuck drill string results in a major non-productive cost in extended reach drilling engineering.The first step is to determine the depth at which the sticking has occurred.Methods of measurement have been proved useful for determining the stuck points,but these operations take considerable time.As a result of the limitation with the current operational practices,calculation methods are still preferred to estimate the stuck point depth.Current analytical methods do not consider friction and are only valid for vertical rather than extended reach wells.The numerical method is established to take full account of down hole friction,tool joint,upset end of drill pipe,combination drill strings and tubular materials so that it is valid to determine the stuck point in extended reach wells.The pull test,torsion test and combined test of rotation and pulling can be used to determine the stuck point.The results show that down hole friction,tool joint,upset end of drill pipe,tubular sizes and materials have significant effects on the pull length and/or the twist angle of the stuck drill string.