（油气井工程专业论文）基于智能钻柱的导向、优化、诊断闭环信息集成系统.pdf

s u b j e c t ：t h ei n t e g r a t i n g i n f o r m a t i o n s y s t e mo fc l o s e d l o o pb a s e do n i n t e l i p i p ef o rs t e e r i n g 、o p t i m i z i n ga n dd i a g n o s t i cw h i l ed r i l l i n g s p e c i a l t y ：o i l - g a sw e l le n g i n e e r i n g n a m e ： c h e n gh u a ( s i g n a t u ，。) ! 堕兰! 兰! i n s t r u c t 。r ：z h a n gs h a 。h u a i ( s i g n a t u r e ) 丝毖， g e o s t e e r i n ga n dr o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n gt e c h n o l o g yi s t h en o v e ld r i l l i n gt e c h n o l o g y b e i n gd e v e l o p e db ym a n y c o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d t h el o w s p e e do f m u d - p u l s em w d i s t h em a i no b s t a c l eo fn e x td e v e l o p m e n t s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o ph i g hs p e e d ，t w o w a y w i r e l i n ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，t oc o m b i n et h e c l o s e d l o o ps t e e r i n gt e c h n o l o g y w i t h o p t i m i z i n gd r i l l i n gt h e o r y i no r d e rt oe n h a n c et h ea d v a n t a g e o f r o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n g d i a g n o s t i cw h i l ed r i l l i n gt e c h n o l o g ym u s tb eu s e di nm o d e md r i l l i n g s o m e t i m e st h e r e a l i z a t i o no fs t e e r i n gg o a ld o e sn o ta g r e ew i mt h eo p t i m i z i n gm e t h o d e v e nc o n f l i c tw i t h e a c ho t h e r s oi ti sn e c e s s a r yt oc o m b i n et h e s et h r e eg o a l s t h i sd i s s e r t a t i o ni l l u s t r a t e st h e w o r k i n gp r i n c i p l e sa n df u n c t i o no f t h ei n t e g r a t i o no f “s t e e r i n g ，o p t i m i z i n ga n dd i a g n o s t i c w h i l ed r i l l i n g s y s t e m i n t e l i p i p ei st h ek e yo f s y s t e m a u t h o ra l s oc o n s i d e r st h ec a p a c i t yt h a t i n t e g r a t e t h i ss y s t e mw i t ht h e r o t a r ys t e e r a b l ed r i l l i n gt e c h n o l o g ya n dc l o s e d l o o pm o n i t o r i n g s y s t e mb e i n gd e v e l o p e db y d o m e s t i cr e s e a r c h e r s f i n a l l y , a u t h o rg i v e ss o m es u g g e s t i o n o nd e v e l o p i n gt h ed o w n h o l ev i s u a l r e a l i t y t e c h n o l o g yb a s e d o nr e a lt i m ed a t a k e y w o r d s ： s t e e r a b ed r i l l i n g ，o p t i m i z i n g d r i l l i n g ，c l o s e d - l o o pd r i l l i n g ， d i a g n o s t i c w h i l ed r i l l i n g t h e s i s ： a p p l i c a t i o ns t u d y t h es u b j e c ti s s u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ( n o 5 0 2 3 4 0 3 0 ) ，n a t i o n a l “8 6 3 ”h i g h t e c h p r o j e c t ( 2 0 0 1 2 0 0 3a a 6 0 2 0 1 3 ) 学位论文创新性声明 了6 0 5 6 1 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安石油大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的i = 叵i 志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：丝望日期：竺! ! ! ：王1 学位论文使用授权的说明 本人完全r 解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以 任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发 表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，属名单位仍然 为西安石油大学。 论文作者签名：塑 导师签名：槛 日期：竺1 日期：丝趣2 第一章绪论 第一章绪论 钻井作业作为石油开采、矿藏勘探开发、地球物理研究以及工程建设等 众多领域的必要手段，在国民经济中发挥着重大的作用。实现钻井自动化、 智能化是石油钻井工作者梦寐以求的目标，是钻井信息化取得质的提高的关 键。虽然现有的旋转导向钻具有了创新性的变革，但是用真正人工智能的定 义来衡量，还有相当大的差距。需要在实现智能化、全自动钻井方面进一步 努力，发展智能闭环钻井集成系统。 1 1 本文研究的目的和意义 2 0 世纪8 0 年代以来，国内大部分油田相继进入开发后期，新探区大部 分处于偏远的地区，将面临更复杂的地质条件和更恶劣的自然环境( 如海洋、 滩海、沙漠等地区) ，难度和成本逐年增加。钻定向井已成为油气勘探开发 和提高单井产量的重要手段之一，引起国内外研究人员的普遍重视。 油区含水不断增高和产油量逐步下降的严峻形势下，不论新老油田都面 临提高采收率的问题。水平井、定向井技术成为油田增产、稳产的有效方法， 应用越来越多。另一方面，国内发现新油藏的潜力有限，为保证我国石油工 业的可持续发展，贫矿开发和剩余油开采己经成为中国石油战略的重要部分。 今后复杂地质条件下的难动用储量开发会越来越多，难度也将更大，同样需 要提高导向钻井技术手段。同时，我国西部( 如塔里木盆地、准噶尔盆地、 四川i 等地区) 深层钻探工作难度今后将逐年加大，深井、超深井比例也将进 一步增加。由于地质情况复杂，钻井作业的深度和井轨的复杂性大大超过以 前，作业任务将更艰巨。需要发展大斜度定向井、大位移井、水平井、丛式 井等各种新的钻井技术，导向钻井在其中作用越来越大。 1 2 国内外现状及发展趋势 目前导向钻井井轨控制，有两种方式：开环调控和闭环调控。开环模式 主要依靠改变b h a 结构、调整钻压、转速参数等手段，实现定向井设计轨 州安t i 油人学硕+ 学位论文 迹。传统开环钻具( 如弯接头等) ，调控的依据是钻井者的经验和造斜效果预 测模型，即每钻进一段之后，起钻测斜，再依靠改变b h a 或钻压、转速等 钻井参数作相应调整，凭经验来多次调整。显然，开环方式，往往仅能采用 邻井或相似地层资料，无法准确判别钻井目标层的深度位置，使钻井目标、 深度与靶位等难以准确预先设计，且无法实时调控，效率低、效果差。例如， 目前国内定向井作业者为了能在发生突发事故前来得及进行调整，存在减小 钻压、放慢钻速，保险求稳。有的情况下，最终甚至每小时仅能钻进1 米。 但这种牺牲钻井效率方式，不见得真正减小了作业风险。实际上，作业时间 的延长，不但增加了作业负担，带来了粘、卡钻的风险。在斜度较大的并段， 事故发生的几率增大。 优化钻进一直是各国钻探工作者追求的目标。近年我国的导向钻井技术 得到很大进步，已逐渐从滑动导向发展到旋转导向，由开环逐渐实现闭环钻 井。在提高导向钻井能力的同时，需要实现导向钻井与优化钻进的结合，达 到最低的钻井成本、最好的经济效益。同时，必须与动态诊断相配合，满足 在各种复杂的地质条件下( 如高温高压、高陡构造、难钻地层及不稳定岩层等) 油气田开发的需要。今后发展趋势是集成闭环导向钻井、优化钻进和实时动 态诊断技术，更好地发挥闭环导向钻井安全、快速、优质的优势。因此，随 着人们对提高油气勘探开发的综合经济效益的重视，需要进一步提高钻井优 化手段。更好地均衡各个影响因素，实现导向一优化一动态诊断集成。 本文研究的闭环导向控制技术是钻大斜度井和水平井的关键技术之一。 随着随钴测量技术的发展，井下随钻测量参数越来越多，然而泥浆脉冲m w d 等方式不能实现实时传输数据，并且只能单工通讯，下行指令传输困难，这 成为制约整个系统控制水平进一步提高的瓶颈。实时将近钻头的传感器所有 的数据，通过更可靠的传输方式，以更高速度传输，成为导向钻井的关键。 旋转导向闭环钻井系统的开发和应用，解决了定向井井眼轨道控制中的难题， 代表了钻井技术向机械化、自动化、智能化发展的趋势。通过闭环导向钻井 控制，能更好地实现复杂的三维井眼轨迹设计。大幅度提高机械钻速，减少 起下钻和更换钻具的次数，实现优质、快速钻进。随着随钻测量技术的进步 曲安4 i 油人学硕十学位论文 推广，闭环钻井技术得到进一步发展，导向精度和闭环控制能力大大增强。 基于智能钻柱的集成系统，将大幅度提高信息质量和利用效率，特别是能更 充分地利用通讯、网络、计算、信息、智能技术成果，真正实现信息井f 一 地面一远程的实时大闭环。 发展信息化、智能化、自动化的钻井控制技术，是提高我国钻井工业核 心竞争力的关键。目前，国内井场缺少对随钻测量信息资源的应用集成，信 息流不闭合，特别是井下一地面实时闭环通讯得不到保障。国内已经开展了 旋转导向钻井工具的研制，需要开发相应的配套技术，发挥其闭环钻井的优 势。复杂地质条件下导向与优化集成，需要传输尽可能多的参数和尽可能高 的采样频率，更及时地了解特殊钻井事故原因，显示井眼情况。例如，新型 近钻头测量工具( 超近钻头传感器仅位于离钻头几英寸距离) 能够更早了解 到未侵入地层更接近真实的情况，对钻进过程中决策非常有用。目前泥浆脉 冲只能七传关键参数和报警信号，无法直接利用这宝贵的近钻头信息。智能 钻柱技术的新进展，实现了地面与井下间双向实时通讯。实时将井下测量数 据与地面信息结合，能为决策提供信息支持，因此越来越得到钻井技术人员 重视。用基于智能钻柱的闭环信息系统，在钻井过程中随时向地面发送动态、 实时信息。高达1 0 ，0 0 01 0 0 ，0 0 0 b p s 的随钻测量数据的传输速率，能满足 导向钻井所需要的几何导向、地质导向、地层评价等众多参数的实时传输。 为闭环钻井集成系统奠定了基础，也为导向一优化一动态诊断集成技术的应 用提供了保障。 1 3 本文的主要工作内容和创新点 本论文题目来自西安石油大学导向钻井研究所承担的国家自然科学基金 重点项目“复杂条件下钻井技术基础研究”( n 0 5 0 2 3 4 0 3 0 ) ，国家8 6 3 计划项 目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”( 2 0 0 1 a a 6 0 2 0 1 3 及 2 0 0 3 a a 6 0 2 0l3 、。 通过多年的立项攻关，国内闭环导向钻井控制、钻井优化理论等方面的 研究已取得了重大突破，特别是在旋转导向钻具开发、地面与井下双向信息 曲安ti 油人学硕十学位论文 通讯系统方面取得许多的新成果。通过参加课题组的科研活动并承担部分任 务，作者加深了对导向钻井、优化钻进的认识，将硕士阶段自己的部分研究 成果加以整理，总结成文。此论文研究过程中，所做的工作主要有： ( 1 ) 系统地检索了近1 0 年与论文题目相关的旋转导向、优化钻进、动 态诊断、导向钻井、智能钻柱、柔管钻井等内容相关的外文文献3 0 0 余篇， 并重点对其中4 0 余篇进行了精读和翻译。明确了本文所研究的闭环导向钻 井的发展方向，优化钻进的任务、目的和意义。 ( 2 ) 本文对近2 0 年来国内外有线钻柱传输技术发展历程进行了总结。比 较了目前随钻测量的传输方法，说明无线传输方式无法满足闭环集成钻井的 需要，论证了采用有线钻柱传输方式的必要性。还介绍了国外最先进的有线 钻柱传输系统最新进展、现场应用效果及未来的发展趋势。说明既能传送电 力，又能传输数据的智能钻柱，是有线钻柱传输技术的发展方向。 f 3 ) 对基于智能钻柱的导向一优化一动态诊断集成系统进行了研究，并 着重指出了导向一优化一动态诊断集成的关键是实时信息闭环的实现。研究 基于智能钻柱的多目标优化模型的方法。还对钻井参数优化的建模方法，做 了新的探索，提出了基于神经网络的建模方案。作了相应的软件编程，用 v i s u a l c + + ( 包括m a t l a b ) 编程，并举例说明了实现神经网络建模的步骤。 ( 4 1 简要介绍了虚拟现实技术的构成和特点，预测了虚拟现实技术在钻 井领域仿真、可视化等方面的应用前景，提出了导向一优化一动态诊断集成 系统与虚拟现实相结合，建立井下虚拟现实环境的思路。 本文所涉及到的新思路、新技术主要有三点： ( 1 ) 开发基于智能钻柱的闭环信息集成系统。 ( 2 ) 建立基于智能钻柱的导向一优化一动态诊断集成系统。 ( 3 ) 将虚拟现实技术与s o d 集成系统结合，建立井下虚拟环境。 4 第二皇茎! 翅能钻牡的f 环钻弛 第二章基于智能钻柱的闭环钻井 自动化、智能化、集成化，是导向钻井的发展方向2 1 。国内外研究人 员一直在努力研制全闭环的旋转导向钻井技术。近年导向钻井的理论和实 践取得了一系列突破，开发了多种旋转导向钻井工具，大大提高了导向能 力和效率。需要实现全闭环钻井，进步提高旋转导向钻爿二工具的性能。 2 1 采用新型闭环钻井模式的必要性 2 1 1 随钻测量无线传输方式的不足之处 随钻测量数据越来越得到钻井技术人员重视，目前实时随钻信息的无 线传输技术，主要是电磁波、声波、泥浆脉冲三种方式1 3 1 4 1 ： a 声波：在井下苛刻工况中，信号受钻柱震动、泥浆流动等噪声的影响 大，短距离传输效果较好。但长距离传输可靠性差的难题，至今没有被很 好地解决。并且使用受诸多现场条件的限制，工程上难以推广。 b 电磁波：目前最大数据传输速率l o o b p s ，传输深度在2 0 0 0 米以内， 且在某些地层中电磁波衰减严重、应用效果差。 c 泥浆脉冲：是当前最普遍使用的随钻传输数据方法，缺点是传输速 度低，受钻井液影响大，目前最大约为8 1 2 b p s 。 综上所述，无线传输方式潜力有限，并且无法实现实时双向通讯，下 传指令和向上随钻测量数据传输不能同时进行，对实时闭环监控不利。即 使未来有所改进，也无法解决信息实时性差的弱点。只能选择几何导向所 需的重要的参数信号传送，制约了地质导向、动态诊断的应用。 2 1 2 采用有线钻柱传输的必要性 导向钻井集成系统将井下实时信息和地面测量信息融合，能更好地了 解产生钻井事故的原因，及时处理。闭环导向钻井的优化控制，需要集成 几何导向、地质导向、动态诊断等技术，主要有以下几个方面阻0 1 ： ( 1 1 常规几何导向、地层评价：最必要的几何导向方面的参数，主要有 些窒! ! 油厶! ! 堕堂! ! 坠皇 井斜角、方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率、井径以及靶位的 几何参数共约8 1 0 个独立参数。由表2 一l 可以看出，在目前泥浆脉冲 m w d 传输速率6 b p s 的条件下，传输滞后时间长，所列参数的传输时间分 别长达5 4 s 、1 0 8 s 至8 6 6 s 。目前国外最先进的泥浆脉冲m w d 所能达到 地最大传输速率，也仅为1 2 b p s 。传输时问也分别需要2 7 s 、7 2 s 至2 1 7 s 。 表2 - - 1 常用随钻测量m w d 测量参数及数据更新时间【3 j 更新时间( s ) 所h j 传感器伉数测量参数 3b i t s6b i t s1 2b i t s 8 位l 具面角 1 0 85 42 7 1 2 位井斜角 8 6 64 3 32 1 7 1 2 位方位角8 6 6 4 3 32 1 7 1 2 位相位著电阻率 2 8 81 4 47 2 1 2 位衰减电阻率 2 8 81 447 2 1 2 位自然伽马2 8 8 1 4 47 2 1 2 位井底钻压 4 3 42 1 71 0 8 1 2 位井底钻头扭矩 4 3 42 1 7l o 8 6 位振动 8 6 64 3 32 1 7 ( 2 1 地质导向：主要测量自然伽玛( y ) ，方位伽玛( a g r ) 、电阻率( p ) 的补偿电阻率( c d r ) 、近钻头电阻率( r a b ) 及方位电阻率( a r ) 、密 度中子( 补偿中子密度c d n 及方位密度中子a d n ) 、声波( i s o n i c ) 等 参数。随着微电子技术的发展，井下测量元件的精度越来越高。特别是有 些地质导向参数使用1 6 位或3 2 位的高精度传感器，每秒采样频率可达到 1 0 0 0 h z 以上，若全部实时传输到地面，传输速率要在1 0 0 k b p s 以上。可见， 泥浆脉冲m w d 无法满足未来地质导向进一步发展的实时传输要求1 5 j 。 f 3 ) 动态诊断：国外正在开发的最先进的动态诊断( d i a g n o s t i cw h i l e d r i l l i n g ，以下简称d w d ) 工具。由表2 2 可看出，d w d 采用1 6 位高精 度传感器，以较高的采样频率( 最高达到2 0 8 3 4 h z ) 进行钻井安全参数、 6 曲安l 油人学硕十学位论文 井眼工况及动态诊断集成的随钻测量。仅井底钻压、井底扭矩、弯矩，每 秒需要实时传送测量数据总量就达到5 0 0 0 1 6 b i t s ；角速度、磁力计、钻柱 内部和环空压力测量数据总量每秒也达到3 3 3 3 3 4 b i t s 。若所有数据全部实 时传输，总的传输速率将接近2 0 0 k b p s 引。 表2 2 动态诊断数据量估算1 4 】 测鼙参数每秒测量次数每秒测得数据蛙b i t s ( 二轴) 加速度 1 0 4 171 6 6 6 7 2 ( 高频) 轴向振动 2 0 8 343 3 3 3 3 4 井底钻压 1 0 4 1 71 6 6 6 72 井底= f 矩 1 0 4 1 71 6 6 6 7 2 井底弯矩 1 0 4 1 71 6 6 6 7 2 井底转速 5 2 0 88 3 3 3 6 钻头角速度 5 2 0 88 3 3 3 6 钴柱内部压力 5 2 0 88 3 3 3 6 环空乐力 5 2 0 88 3 3 3 6 估柱内部温度 6 51 0 4 0 环空温度 6 5 1 0 4 0 随着随钻测量技术的进步，使作业者能以更高的采样频率，更高精度， 测得越来越多参数。特别是不断出现一些新的测井技术，如井眼成像技术， 井下图像等数据的传输量，将远远超出现有的传输方式的最大能力。加上 未来发展需要随钻的地质、油藏、岩性参数，闭环信息通讯任务会越来越 重。实时提取更多地层信息，需要更大数据传输速率。因此，追切需要一 种高速率、双向通讯方式，发展基于高速率的有线钻柱传输的闭环信息集 成系统，是闭环导向钻井进一步发展的关键。 由表2 3 可以看出，常规泥浆脉冲、湿接头等无法满足实时传送，只 能传输故障诊断信号( 包括轴向振动、径向振动、跳、粘、卡钻等) 和部 分动态诊断参数( 包括振动、井底钻压、井底扭矩、井底弯矩、井底转速、 阿安li 油人学硕+ 学位论文 钻头角速度、环空压力等) 。只有智能钻柱有线传输才能提供这样大的传送 速率，能在集成几何导向、地质导向的基础上，进行动态诊断邮。 表2 3 动态诊断数据传输方式的比较【i i j 2 | 传输速率p o p s 更新时间5传输的信息优缺点传输方式 2 个故障诊断信号地面所得剑的不是原始 4 1 0 8 静艺浆脉冲 及均值数据，且滞后严重 8 个故障诊断信号需要特殊的井f 数据处声波或湿 0 6 及1 0 个洲餐参数理手段，实时性著接头 全部诊断信号和随井r 数据处理蛙小，能满 1 0 0 0 o 0 5智能钻柱 钻测耸的原始数据足实时闭环控制的通讯 2 2 有线钻柱传输技术简介 2 2 1 有线钻柱传输技术发展历程 由表2 4 可看出，近六十年来，各国大量的研究人员多年来一直致力 于钻柱有线传输技术的开发。从中可以将该项技术归纳为3 个阶段1 4 p j ： f 1 ) 方法探索阶段( 1 9 5 0 年以前) ：此类研究最早可追溯到1 9 4 0 年， 当时采用的是钻杆内吊挂电缆的方式向井下传输电力，以满足电动钻井的 需要。此后随着随钻测量技术的发展，又研制了在钻杆内开槽埋置导线等 方式，以传输随钻测量数据。但因为当时加工工艺、绝缘材料等条件所限， 造价高，寿命短，没有得以推广。 ( 2 1 改进和现场实验阶段( 1 9 5 0 年至1 9 7 0 年) ：前苏联有线钻柱传输 技术经过不断改进，研究了钻杆内埋置导线和接头绝缘密封的多种方式，克 服了由于井下震动和钻井液腐蚀等原因破坏绝缘层，造成的导线老化、短 路的难题，使用寿命和可靠性得到很大提高。 ( 3 ) 技术进一步改进和商业化( 1 9 7 0 年至今) ：更多国家开始此项技 术的研究，并在近年取得了突破。特别是g r a n tp r e d i c o 公司和多家公司合 作开发的智能钻柱，能象普通钻柱一样使用，不影响接单根等常规作业的 正常进行。实现了实时闭环通讯，能将几何导向、地质导向、动态诊断等 阳安i 油人学硕+ 学位论文 数据，全部实时送到地而。 表2 4有线钻柱传输发展历程及主要成果f 5 1 0 】 1 1 寸问埘究者 主要成果 1 9 4 0 年d ic k s o n 解决了在导电的高压钻井液介质中接头可靠性的难题，提高了寿命 1 9 4 2 年州感应接头进行相邻钻杆问数据传输 ：获专利，并预测了t l 4l h 容 dch a r e 器、放人器帮助传送信号f 1 1 勺方法，缺点是k = 距离传送的电力耗损高 1 9 4 2 年 r ic 1 0 u d 发明一系列感应接头井申请了专利，但没有解决巨人的涡流损火 1 9 6 3 年 a hl o r d 故进h a r e 的专利，降低感鹰接头传输所需要的电能，但装卸较凼脏 1 9 7 0 正前苏联开发了有线传输系统s t e ，实现了儿何导向参数的实时数据传输 开发了由加导线、钻铤和湿接头( 方钻杆处有一个特制的i u 缆球阀) 】9 7 0 年s h e 】1 公司 绸成的对接式有线传输，目前已发展成为商业化麻州的成熟技术 1 9 7 2 年前苏联进行了嵌入导线钻梓的现场实验，传输了超过1 5 0 小时的随钻数据 1 9 7 6 年 前苏联 枉电钻侧钻的同时，传输儿何导向、温度、压力等随钻测茸数据 1 9 8 6 年 r t e a d o r中请钻柱接头构形的专利，降低了电渗漏，传输速率提高很人 1 9 8 7 年m i gh o w a r d中请利州线圈和霍尔效应传感器传输的专利，速率高达1 0 0 b i t s s 2 0 f h = 宝d 发明的感应接头，能眭距离、低耗电地传输高势信号。信号传送不 ( ；r a n tp r e d i c o 9 0 年代需要额外电源。能传过3 0 根钻杆域在套管裸眼中传3 3 3 m 。每3 3 3 m 公司 中期 间隔有一个信号放人短h 进行加强，传输速率达到1 0 0 0k b p s g r a n tp r e d i c o合作开发了智能钻柱并成功进行了现场试验。数据传输速率最高可 2 0 0 2 年 雨i n e v o t e k 公司 达到1 0 0 0 k b p s ，电力与数据同时传输的速率也可达到1 0 0 k b p s 2 2 2 有线钻柱传输技术的原理及工作方式 国外多家公司( 如g e 、s h e l l 、s a n d i al a b 等) 近年来一直从事有线钻 柱传输技术的相关研究。按传输的原理，分为对接式和感应接头两种： f 1 1 感应接头( 见图2 1 ) ：钻柱两端各有一个感应线圈，用感应原理 依次向相邻接头线圈传输数据，两接头对接后，前一个接头中线圈交流电 信号产生交变磁场，使后者产生感应电流。发送端向接受端供应信号传送 所需的电能，只需要线圈在很短的距离间传送电磁波。为进一步降低通讯 o 曲安t i 油人学硕十学位论文 电能损耗，接头两端的线圈均固定在汇聚材料制成的v 型槽中，所消耗的 电力远远小于电磁短程通讯4 ，5 1 。应用最为成功的是g r a n tp r e d i c ox t 系列 产品，能以1 m b p s 的速率传输数据5 1 。 圈2 - 1 感应接头原理圈( g r a n tp r e d i c o 公司产品原理俐) l 嵌入钻柱导线i2 感应线圈；3 癌应接头闻短程通讯 ( 2 ) 对接式接头：如图2 2 所示，电接触环对接三个金属电导头，允 许接头有。一定错位，丝扣上紧后就自动完成了测量、控制的通讯联接。当压 力密封发生失效情况时，依靠备用旁通通路，沿着电接触环通讯。 图2 2 智能钻柱截面图( 根据n e v o t e k 公司i n t e l i p i p e 9 结构) 1 钻柱本体；2 绝缘层；3 铜导线：4 内层金属管；s 液流通道 f 3 ) 两种类型的比较和分析：感应接头类型接头和导线密封难度较小， 缺点是只能传输数据；对接式接头在传输随钻测量数据的同时供电，能解 决数据传输滞后和井下供电的难题，是有线钻柱传输技术未来的发展方向。 综上所述，智能钻柱能满足几何导向、地质导向等集成的闭环导向钻 井实时传输的要求，可靠性好。并且，目前的涡轮发电机、电池组，供电 能力有限，在井下高温、高振动环境下，一旦工作失常，控制单元就会失 安t i 油人学硕十学位论文 灵，造成事故。智能钻柱还可解决井下供电问题。 2 2 3 有线钻柱传输的关键技术 由g r a n tp r i d e c o 公司与多家公司合作开发的智能钻柱，现场试验取得 了良好的效果，主要包括以下几项关键技术1 5 , 6 1 ： a 接头处导线连接：感应接头采用无需专门定向的非接触式耦合器，在 钻柱两端接头上紧后自动完成通讯连接；对接式接头关键是接头处的密封 保护，目前成熟的有弹性体面密封( 如图2 3 所示) 和金属面密封( 图2 - - 4 ) 两种。前者采用在丝扣和预留的空间中充填绝缘涂料的方法，确保高 压环境下密封和电导头绝缘的可靠性；后者采用双台肩工具接头，把电导 头与工具接头集成的方式，依靠管体中间平的铜条进行信号传输。有一个 备用旁通通路，当压力密封发生失效情况时，仍能够沿着电子接触环通讯。 图2 - - 3 弹性体面密封的智能钻杆接头图( 参见n e v o t e k 公司i n t e l i p i p e0 8 结构) 图2 4 金属面密封的智能钻杆接头图( 参见n e v o t e k 公司i n t e l i p i p e 闭绮 句) b 导线的绝缘和密封：夹在钻柱与金属内层中间铜导线和绝缘层采用 曲安_ i 汕人学硕 学俺论文 “三明治”式的多层合成结构( 见图2 - - 5 ) ，钻杆本体强度削弱少、加工 难度小，有助于更有效地对导线密封保护，满足绝缘和密封的要求。 图2 - 5 钻柱本体结构剖面圈( 参见n e v o t e k 公司i n t e t i p i p e 9 结构) c 嵌入导线的形式：采用普通电线的外形绝缘方式，不能适应井下侵 蚀性钻井液冲蚀【6 】。采用三相交流电的扁长形导线，有助于导线的固定， 能更有效地进行绝缘保护和密封。 总之，智能钻柱具有的高速率数据传输，能满足复杂地质条件下导向 与优化集成信息传输，同时还可以供电。智能钻柱为未来发展更先进测控 手段( 例如电控的导向工具) ，实现全闭环、自动化、智能化的闭环导向钻 井，提供了保障。 2 3 基于智能钻柱的闭环导向钻井的先进性 2 3 1 实现旋转导向钻井的实时闭环监控 旋转导向钻具的最大优势，在于能实时闭环调控。基于地面的遥控和 井下的小闭环自主控制，都必须实现实时双向、双工通讯，但目前只能单 工通讯下传指令和向上数据传输不能同时进行。目前只有依靠泥浆脉 冲m w d ，把近钻头测量信息及旋转导向工具的测量单元信息传绘地面监 2 曲安4 i 油人学硕+ 学忙论文 控系统。这加重了m w d 传输负担，使本来就极为缓慢的传输过程延迟时 间加长了。同时，下传指令发送采用泥浆脉冲形式，必须停钻较长的时间。 例如目前使用较多的p o w e r d r i v e 系列的旋转导向工具，采用该变泵排量形 成的压力波，f 传编码指令信号( 大多采用三高三低或四高四低等编码方 式) 。4 0 0 0 米井每次下传指令需要关闭转盘停止钻进，停钻时间2 0 3 5 分 钟。指令调整周期耗时长，造成的滞后，不但加大了超调的可能性，对井 轨控制精度的提高极为不利。而且在大斜度井段停钻时间过长，加大了粘、 卡钻的事故风险。并且泥浆脉冲造价和租用费用昂贵，国外公司对泥浆脉 冲m w d 通讯单元编码、解码方式等核心技术保密，从长远看，必须开发 有自主知识产权的下传双工通讯方式，不受制于人。基于智能钻柱的闭环 信息系统，实现了实时闭环调控，是闭环钻井发展方向。 2 3 2 实现地面一井下大闭环信息集成 智能钻井系统集成智能钻柱、地面监控、井下随钻测量和控制为一体， 如图2 6 所示，实时测量、控制、通讯、诊断于一体。随着技术发展，将 改变传统作业模式，综合各测量、控制单元传感器所能测到的信息，在最 短时间、最低成本，安全完成复杂结构井钻井作业。 地面监控系统 i 决策支持系统 操作优化 幽隧 翠 慧纂集曩i l 蓥要装i 异常预警 控制筚元 r 图2 6 与旋转导向结合的导向钻井优化闭环系统 1 3 筻 以安_ l 油人学硕十学位论文 另外，集成各种随钻测量数据，能实时评价地层的可钻性，为进步 丰富数据库中地层、岩性等各类信息，修正地质、油藏模型起到重要作用。 发展基于智能钻柱的导向一优化动态诊断集成系统，是解决这些新的难 题的关键。因此，需要将优化钻进与闭环导向控制技术结合。利用钻柱内 嵌入金属线、光纤等介质，进行双向通讯，有如下优点： ( 1 ) 高速率双向实时通讯：高达1 0 ，o o o 1 0 0 ，0 0 0 b p s 的传输速率， h “匕，, - 网4 4 - 足所需要的几何导向、地质导向、地层评价等众多参数随钻测量数据 的实时传输。在高速率上传测量信息的同时，向下发送控制指令。 ( 2 ) 抗干扰能力强：不象电磁波、声波传输等技术易受地层电阻率、 噪声等的影响，数据传输速率和质量与钻井液特性和排量无关。 ( 3 ) 编码简单：能直接以电信号传送，避免了传统泥浆脉冲传输时复 杂的编码、解码，减轻了相应的数据处理和存储的负担。 2 3 3 实现基于智能钻柱的导向一优化一动态诊断的集成 在保证导向目标实现的同时，实现导向一优化动态诊断的集成，将 大大提高复杂地质条件下导向钻井的能力，进一步提高智能化水平。一方 面，需要发展调控能力更强的导向工具，更安全、成本更低的钻复杂结构 井；另方面，需要提高随钻信息利用效率，采取新的闭环优化模式，对 优化决策进行支持。基于智能钻柱的导向一优化一动态诊断集成系统，是 解决这些不确定性、复杂性问题的关键，能完成如下任务【2 6 j ： ( 1 ) 几何导向：控制井眼始终在所要求的轨道( 预置的或井下实时修正 后的井眼轨迹为参考量) 钻进，需要连续不断地向地面传送井身井斜角、 方位角、工具面角测量数据。将实测的轨迹参数与控制参考量作比较，根 据各靶的实时测量信息，动态修正井眼轨迹。确定多个靶点或靶区的入靶 点和入靶方向( 入靶井斜角和入靶方位角) ，沿最优的井眼轨迹钻进i l 川。 ( 2 ) 地质导向：检测油层内部岩性、物性及含油性的变化，随钻识别待 钻地层的岩石类型( 砂岩、泥岩、灰岩等) ，流体性质( 油、气或水还是千 层) 、孔隙度、孔隙压力、井眼高边( 低边) 、地层倾斜角度。将钻头控制 在油层内穿行，尽量使钻井轨迹与油层顶面平行，防止钻穿油层顶和底面、 4 曲安l 油人学硕一f ：学位论文 进入盖层或油层底部泥岩层。 ( 3 ) 动态诊断：导向钻井井眼效果和安全评价：动态诊断，已成为钻 井过程控制中的关键因素之。各类传感器能检测钻头和整个钻具b h a 状况，与地面测得信息结合，预测产生故障的几率2 】。及时发现事故先兆 和异常情况，在故障产生之前，及时采取调整钻井参数或停钻等避免措施。 实时利用井下信息进行安全评价，能提早发现井壁失稳、井喷、井涌等事 故的先兆，并及时采取措施，减小损失1 坨l 。 总之，导向钻井过程中，必须利用几何导向、地质导向、动态诊断， 通过对井下工况的各类参数的综合分析，帮助预测可能出现的风险，消除 井轨失稳、失控等事故隐患。提高效率、保障安全。但现有手段，无法做 到在线的井下随钻测量信息的实时获取，必须发展智能钻柱传输技术。 2 4 本章小结 本章首先比较了随钻测量数据传输的几种方式，并介绍了智能钻柱的 新进展，强调了发展智能钻柱技术的必要性。结合导向钻井的实际，对基 于智能钻柱的闭环钻井原理，进行了研究。指出基于智能钻柱的闭环信息 集成，是导向钻井系统的核心。必须在此基础上，实现闭环实时调控，最 终实现导向一优化一动态诊断智能集成钻井。 第二章基丁- 智能钴l ! _ 的s o d 集成系统 第三章基于智能钻柱的s o d 集成系统 复杂地质条件下钻井作业越来越多，复杂结构井的导向钻井难度也越 来越大，迫切需要发展更高水平的闭环钻井技术。为适应新形势下定向井 技术的推广，必须在地面实时取得随钻测量的全部钻进信息，实现导向钻 井、优化钻进、动态诊断相结合的最优控制。被称为智能钻柱( i n t e l i p i p e ) 的有线钻柱传输技术最近取得突破，为导向一优化一动态诊断集成的智能 钻井奠定了基础。 3 1 导向一优化一动态诊断的多功能集成必要性、可行性 3 1 1 导向一优化一动态诊断集成的必要性 基于智能钻柱的大量的实时信息，使对信息不透明的复杂井下环境的 钻进过程的认识，由定性上升到定量。导向一优化一动态诊断集成技术， 将进一步从钻井参数的定量信息中发掘信息的实时价值。基于智能钻柱的 s o d 集成系统，是闭环导向钻井技术进一步发展的一个重要环节。 导向钻井是一项高风险、高投入、资金密集、技术密集的系统工程。 保障井下安全的同时，提高钻井效率，是钻井技术人员面临的首要任务。 同时，导向钻井还必须满足自身的定向作业的要求。导向一优化一动态诊 断这三个目标的实现，需要诸多环节的优化和协调。然而，目前只针对单 一目标的优化措施，顾此失彼，满足不了闭环钻井的多方面的要求。这种 连续计算、连续调节的过程，必须综合导向一优化一动态诊断，实现多功能 集成的闭环导向钻井。因此，必须发展s o d 的集成技术，完成以下任务： a 动态诊断：采用常规的井下诊断技术往往很难及时发现复杂情况下 各类事故，如钻具振动破坏、井壁垮塌或缩径、井漏、井涌( 甚至井喷) 和 阻卡等。井眼失稳等复杂情况，如果不得到及时处理，不仅会造成巨大的 直接经济损失，而且将严重影响勘探开发的进度。动态诊断能彻底解决这 一难题，能利用智能钻柱实时传输的随钻测量数据，结合各种智能技术， 将大幅度减少或避免事故1 1 2 l 。例如，能更清晰地反映地面测量手段无法发 拍安i 油人学硕士：学位论文 现的井卜- 振动和磨损情况。 b 闭环导向：导向钻井最终目的是实现设计三维井轨，与油气钻井相 关的各个环节都应该围绕着这个中心内容。实质上，导向力涉及下部钻具 组合、钻压、扭矩、机械推力众多因素，还与井自身特征井眼、斜度、扶 正器数目、位置、b h a 改变影响。必须根据闭环实钻信息，进行分析。基 于智能钻柱的s o d 集成系统，实现了实时闭环钻井监控，促进了智能闭 环钻井技术的进一步发展。 c 优化钻进：发挥智能钻柱的信息闭环的优势，实现井卜- 测量信息实 时检测一调整一优化闭环模式。沿预置轨道导向钻进的同时，实时分析随 钻地质、随钻地震、随钻录井与随钻工程信息，优选钻头和钻井参数以提 高钻进速度，以减少钻进间断及提高钻井质量和效率，并有效地保护储层。 以e 三项技术结合紧密，需要多学科专业人员协同工作，必须集成三 者为一体，综合考虑。s o d 集成系统提供了对参数的综合分析的有效方法。 导向配置、钻井参数的调整，优化措施的制定，应综合各方面指标，综合 考虑地质、钻井、测井、完井及采油等多方面的要求进行。例如实时动态 诊断，能通过轴向振动、井底钻压、井底扭矩等井下工况测量，更准确地 识别断钻、烧钻、钻杆裂纹、钻杆脱扣、岩石破碎、岩石变软、变硬、涌 漏水等特殊工况。因此，s o d 集成系统能更全面地结合地面钻井参数信息， 综合考虑钻进参数和导向、优化、动态诊断的联系。 3 1 2 导向一优化一动态诊断结合的可行性 根据导向钻井随钻测量的数据，指导实践，实时优化调整钻压、转速、 水力参数等参数。例如，通过判断钻头对地层的适应性，只有这种适应性 达到最佳，才能达到最优化钻进的目的。主要表现为作业时间的节省，采用 旋转导向定向作业时间和辅助钻井时间节省相应设备、人力、材料。还包 括间接收益，例如钻井风险降低、轨迹更接近预定轨迹、并眼质量提高、 投资回收周期变短、资产利用率提高。钻进过程中才能获得地层、工况等 动态信息，影响因素多、确定取值范围困难。过程复杂、涉及变量多，很 难精确描述，包括以下几个方面i l i 旧】： 7 两安i i 油人学硕十学位论文 a 地质：地层埋深、地层可钻性系数、孔隙压力梯度、地层倾角、水 力转换系数等。 b 泥浆水力：有泥浆密度、固相含量、泥浆性能、泥浆排量，泵压等。 c 机械措施：钻压、转速、牙齿磨损量等众多因素。 d 钻头结构：钻头尺寸、钻头类型、钻头型号、喷嘴组合等 总之，智能钻柱开辟了信息双向通讯的畅通无阻的通道，适应了复杂 条件下钻井对地质导向、地层评价不断增长的需要，为未来智能井发展奠 定了基础。智能化钻井系统的最终发展目标是“自主钻井导弹”，控制系统 好比是大脑，对信息分析、整理、决策，而测量各类传感器是收集各类信 息的感觉器官，有线传输系统相当于联接各个控制、执行、测量、决策系 统的神经，承担着收集信息、发送决策指令的重要任务 2 , 1 3 】。 3 1 3 导向一优化一动态诊断集成的关键技术 作业的环境中，地质复杂，且由于可能有断层存在、地层出现重叠，众 多不确定性，加大了作业难度和事故风险。钻进过程中才能获得地层、工 况等动态信息，但钻进后地层改变、实时价值瞬间即逝，不能实时指导实 际操作。例如利用智能钻柱的集成系统，依靠集成的几何导向、地质导向 参数测量，计算导向钻进过程实时的空间轨迹和进行修正，推算井眼空间 轨迹。需要发展以下技术 1 2 , 1 3 1 ： ( 1 ) 智能决策支持系统：在制订钻进措施时，应针对不同的地层采用 不同的措施，尽量强化对地层的作用比较敏感的措施，避免井眼出现喷、 漏、卡、塌等事故，以提高机械钻速。安全、优质的基础上，快速、低耗 地钻达目的层。 ( 2 ) 信息集成处理技术：有线钻柱传输随钻测量数据速率高达2 0 0 ， 0 0 0 b p s ，真正满足了实时闭环监控要求。但又带来了大量实时数据的信息 处理的问题。借助于s o d 集成系统的信息处理，利用信息为决策支持提 供帮助，才能提高信息的利用效率。更灵敏、高效地捕捉实际应用需要的 信息，而及时、有效地向司钻提供帮助。 ( 3 ) 实时建模方法：智能钻柱大量实时信息，数据需要实时信息处理力 阳宜_ i 汕人学硕t “学位沦文 法，为实时建立优化模型使用。在钻进过程中精确探测钻头前方和周罔的 地质环境，作出正确的分析和决策，并根据地层及油