（油气井工程专业论文）智能钻柱的理论基础与方案设计.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：t h e o r e t i c a lb a s i sa n ds c h e m ed e s i g no fi n t e l l i g e n td r i l ls t r i n g s p e e i a l i t y ： n a m e ： i n s t i u c t o r ： a b s t r a c t u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o m p l i c a t e dg e o l o g y , i ti so n eo fi m p o r t a n t t o p i c sa n d d e v e l o p m e n tt r e n d st od r i l lc o m p l e xa r c h i t e c t u r a lw e l ia n ds p e c i a lt e c h n o l o g yw e l la n dt o c o n s t r u c ti n t e l l i g e n tw e l lb yr o t a r ys t e e r i n gd r i l l i n gt o o l sa n dg e o s t e e r i n gt o o l si nt h e2 1 t h c e n t u r y t h ei n f o r m a t i o na n di n t e l l i g e n c et e c h n i q u eh a v eb e e ng r a d u a l l ya p p l i e di nt h ec o u r s e o fe x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o n m o d e md r i l l i n gt e c h n i q u ec a nn o to n l yt r a n s m i te n o u g h e l e c t r i c - p o w e rf o re l e c t r i c a l i yc o n t r o lt h ed o w n h o l ch a r d w a r ea n ds o f t w a r ef r o ms u r f a c et o d o w n h o l e ，b u ta l s or e a lt i m ec o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dd i s p o s i n gw h i l ed r i l l i n gf o ra d j u s t i n g a n dc o n t r o l l i n gd r i l l i n gt e c h n o l o g yi nt i m ei nt h ec o u r s eo fd r i l l i n g t h e o r e t i c a ls t u d ya n ds c h e m ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n td r i l ls t r i n gl i f ep r e s e n t e di nt h e p a p e r t h i sp a p e rp o i n t so u tt h ep r o b l e m so fw i r e l e s sm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ew h i l ed r i l l i n g i t h a sl o n gb e e nw h e r et h ek e yq u e s t i o nt h a tr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd r i l l i n g t e c h n i q u e n e wg e n e r a t i o nw i r e l i n et r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ec a nb o t ht r a n s m i te n o u g he l e c t r i c p o w e rf r o ms u r f a c et od o w n h o l ei no r d e rt oe l e c t r i c a l l yc o n t r o lt h ed o w n h o l ei n s t r u m e n t sa n d s e n s o r sa n ds 0 1 l eh a r d w a r e sa sw e l la se s t a b l i s hr e a lt i m eb i d i r e c t i o n a lc l o s e d l o o pd r i l l i n g w h i l eh a s1 0 。1 0 6 b p sh i g h s p e e dt r a n s m i t t i n ga b i l i t yt ot r a n s m i tm o r et h a n4 0p a r a m e t e r sa n d m u l t i p l e x i n gd a t af l o wo nt h e h i g h w a y ”i tp r e s e n t ss o m et h ei d e a so fd e s i g na n ds c h e m e s d e s i g no ft h ei n t e l l i g e n td r i l ls t r i n gm a dj o i n t t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g ，t h ep a p e r p r e s e n t sa p p l i c a t i o no fm e t a lt u b ed e f l a g r a t e dl a m i n a t i n gt e c h n o l o g ya n de l e c t r i c a lc o n n e c t o r i n t e g r a lw i t hd o u b l es h o u l d e rt o o lj o i n ti nt h ei n t e l l i g e n td r i l ls t r i n g s o m ee s s e n t i a le l e c t r i c a l p a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d i nt h e p a p e rt h ep a p e rr e v i e w st h ef u n c t i o n ，a d v a n t a g e sa n d a p p l i c a t i o no ft h ei n t e l l i g e n td r i l ls t r i n g i tp r o v i d e st e c h n o l o g ys u p p o r tf o rs t e e r i n gt r a j e c t o r y w h i l ed r i l l i n g ，r e a l t i m e o p t i m i z a t i o nm a dd y n a m i c a ld i a g n o s ea n dp r o m o t e se l e c t r o n i c d e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd o w n h o l e i te m p h a s i z e st h ei n t e l l i g e n td r i l l i n g s t r i n gi st h ek e yt e c h n i q u et os m a r td r i l l i n g ， k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n td r i l ls t r i n g ；m e a s u r e m e n t sw h i l ed r i l l i n g ；w i r e l i n et r a n s m i t ； c l o s e d l o o pd a t af l o w ；i n t e l l i g e n td r i l l i n g t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 学位论文创新眭声明 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它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一唰工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有f ：实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：石墓蕈!只期：上鲴至。互。压 学位论文使用授权的说明 本人完全了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 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公丌阅览、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，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：j 王越 导师签名 r 期：2 鲤匝。玉脬 同期：何乒f 厂 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 随着世界石油工业的不断发展，国内油气田勘探开发的不断深入，勘探开发的目标 更进一步面向复杂地区、面向滩海、面向深层和低压低渗储层发展；深井、超深井、高 压高产气井、稠油热采井、定向井等复杂结构井迅速发展；欠平衡钻( 完) 井、气体钻 井等特殊工艺井也相继出现并且其数量和比例正在不断增加以及难采难动用储量开发的 需求日增，石油钻井、完井和采油进入信息化、智能化、自动化阶段，并呈现出快速发 展的势头，要求对钻井过程能随钻实时采集、传输、处理、反馈并应用地质、工程和井 眼的各种信息，以便能及时调整施工工艺，确保施工作业的快速、安全。国内外日益发 展智能钻( 完) 井技术以及与之密切相关的闭环钻井技术、现代旋转导向钻井技术，以 随钻测井和随钻地震技术为依据的先进地质导向钻井技术以及钻井动态参数的井下诊断 和控制等等，越来越使得钻井液脉冲等无线随钻测量技术远远不能满足上述钻井新技术 的要求，并成为制约钻井新技术发展与应用的瓶颈。研究与开发新一代有线传输技术成 为当务之急。 在宏观上，我国石油工业已熔入国际经济一体化之中，成为世界经济的一部分，使 得中国石油钻井市场成为世界各国经济强体的必争之地，并且我国石油工业在实施“走 出去”战略思想的指导下，目前已积极投身到激烈的国际竞争之中，开拓国外石油勘探 与开发及相关工程的施工、技术咨询服务等市场，开创了联合化、国际化新局面，这些 严峻的形势对我国石油钻采技术，特别是油井信息通讯技术提出了新的挑战，突破油井 管大容量、高速信息通讯技术，在技术上跻身世界先进行列或处于国际领先地位，才能 全面提升我国钻采技术竞争力，提高海外市场占有率。 目前国内外较多地用钻井液( 泥浆) 作为信道进行信号传输。上传通道主要是应用 钻井液脉冲m w d ，现有的钻井液脉冲m w d 的信息传输能力非常有限，国内水平为3 5 b p s ( 位，秒) ，国外最高水平为1 2 b p s ，而发展目标也只是3 0 4 0 b p s ：钻井液脉冲m w d 的数据传输时间滞后，当传输较少参数时，在浅井中滞后数秒，在深井中滞后可达1 分 多钟甚至更慢。而下传的钻井液脉冲通道技术国外还不很成熟，国内也尚未解决。 新一代有线传输技术为进一步实现随钻实时闭环测控目标而研发的，是很有前景的 一项创新工程。目前导向钻井轨迹控制，有两种方式：开环调控和闭环调控。开环模式 主要依靠改变井底钻具组合( b h a ) 的结构、调整钻压、转速等手段，实现定向井设计 轨迹。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。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 西安zi 油大学硕士学位论文 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。随着随钻测量技术的不 断发展，井下随钻测量参数越来越多，然而钻井液脉冲m w d 等无线随钻传输方式不能实 现实时传输数据，并且只能单工通讯，下行指令传输困难，这成为制约导向钻井技术进 一步提高的瓶颈。近6 0 年来，国外一直研究既能由地面向井下输送电能，又能在井下使 用电控钻井硬件( 含井下工具、仪表和传感器等) ，并能建立有线随钻实时双向闭环钻井 测控信息“高速公路”i l “。 因此，研究既能由地面向并下输送电能使用并下电控钻采软硬件，又能建立起有线 实时双向闭环信息的高速率传输数据通道，是实现智能钻井、闭环遥测遥控、科学管理， 提高我国油气井技术水平，增强我国油气井作业技术的竞争力，提高国际市场占有率等 方面的关键技术。 1 2 钻井信息传输系统的发展概况【3 】 早在本世纪3 0 年代，人们就开始了随钻测量技术的理论和试验研究。1 9 3 9 年，一 种使用电缆的电测井系统试验成功，但未能进行商业化的应用。直到1 9 6 3 年，j j a r p s 发明了钻井液脉冲的传输方法，才使随钻测量技术取得了突破性的进展。1 9 6 4 年，由 t e l e d r i f t 设计制造的第一个机械式钻井液脉冲系统试验成功，当时主要用于传输定向信 息。1 9 7 0 年发明了用于井下马达、导向钻具定向测量的电缆系统。1 9 7 7 年，用泥浆压力 脉冲传输信息的随钻测量系统日趋成熟，已基本具备了商业价值。1 9 7 8 年，t e l e c o 公司 首次将批量生产的钻井液脉冲随钻测量系统投入现场试用。1 9 8 0 年初，s c h l u m b e r g e r 生 产了一套比较实用的随钻测量系统，并在现场使用获得成功。与此同时，各种井下传感 器的研制也先后有所突破。本世纪8 0 年代初期，钻井液脉冲传输方式的无线随钻测量技 术终于在世界范围内开始了推广应用。可见，从井下到地面的信息传输问题自开始研究 到能够初步应用历时了半个多世纪。 本世纪7 0 年代初期，我国也曾独立研究过无线随钻测量技术。当时采用的是通过大 地传输电磁波方式，使用了在国内刚闯世不久的集成电路技术，并在江汉油田进行过多 次现场试验，信号的传输深度达到了1 2 0 0 m 。但是，后来研究工作因故停止。 然而，随钻测量( m w d ) 技术主要是用来监测井下工况，要实现对井眼轨道的闭环控 制，还必须将地面的控制信号发送到井下。尽管信号从地面发送到井下与m w d 技术在 原理上有一定的相似性，但是其实现方案、信号发生器的设计、信号传输特性、井下与 地面的传感器以及信号的检测技术等都存在不同之处。在现有m w d 技术基础上增加信 号下传功能，从而实现地面与井下的实时双向通信并非易事。目前，尚未见到有关地面 信号下传系统的设计研究及其应用的成功范例。从井下向地面的数据传输问题可利用 m w d 来实现，而从地面向井下的数据传输问题尚未得到解决。值得注意的是，信号传 输的可靠性、经济性、工艺上的易操作性以及传输速度等问题一直制约着随钻测量技术 的发展。随钻测量技术已实现了对井眼几何参数( 井斜角、方位角) 、定向参数( 工具面 第一章绪论 角) 、井下工况参数( 井底钻压、钻头扭矩、马达转速、井底温度等) 、地层测试及评价 参数( 自然伽马、地层电阻率、地层倾角、孔隙度、密度、中子测并等) 等进行测试。 但是测量参数的增加主要取决于传感器的研制，并涉及如何提高传输速度问题，而对其 它方面的影响不大。尽管在井下能采集到多类数据，却不能随钻实时传送到地面，而地 面的决策指令也难以实时传输到井下软硬件中。所以，数据的最佳传输方式及提高双向 传输速度这两个问题始终是随钻测量技术的研究核心，井下与地面之间的数据双向传输 问题仍将是一项急需解决的关键技术。 1 3 钻井信息的传输方式 目前已应用的井下与地面信息传输方式主要有4 种：钻并液脉冲、电磁波、声波和 导线传输。 1 3 1 钻井液脉冲传输方式 使用钻井液脉冲的概念至少可追溯到1 9 2 9 年，并于5 0 年代和6 0 年代初期用于测井 中。在钻井领域中，t e l e c o 和g e a r h a r t o w e r l 公司率先研制出了标准的泥浆脉冲系统。 m o b i l 研制出了使用旋转阀连续产生1 0 3 0 0 h z 的脉冲信号进行数据传输。 在钻井液脉冲系统中，压力波在钻井液中的传播速度约为1 2 0 0 m s 。由于脉冲的扩 散、调速的限制和钻井液系统其它特性的局限性，使得数据的传输速度比较慢。 钻井液脉冲系统的优点是不需要绝缘电缆和特殊钻杆，而是用钻井液作为传输介质； 其缺点是当钻井循环流体介质为气体或气液两相流体时，钻井液脉冲m w d 就不能传输 信息；现用的钻井液脉冲m w d 的信息传输能力非常有限，国内水平为3 5 b p s ，国外 最高水平为1 2 b p s ，而发展目标也只是3 0 4 0 b p s ：分布在整个钻柱用来测试井下参数的 传感器都必须接近钻井液脉冲工具；当钻井液循环停止后，数据信息就无法进行传输， 从而钻井人员无法获知井下的情况。 1 3 2 电磁波传输方式【3 l 电磁波法可追溯到本世纪4 0 年代初期，但最早是应用于煤矿安全和军事方面。有两 种以电磁波方式传输信号的方法：以地层为传输介质和以钻柱为传输导体。在数据传输系 统中，主要考虑的是在接收端有效信号的数量。在电磁波传输系统中，接收到的信号电 平主要取决于两个因素：频率和电导率。 电磁波传输数据的速度较快，而且不需要特殊的钻杆。由于高频信号在地层中散失 较快，所以只能传输低频信号。然而，这些低频信号的频率接近于大地的频率，因此背 景噪声将导致对信号的探测和恢复都是很困难的。电磁信号沿钻柱的严重衰减也使其应 用受到了限制。安装中继装置会增加成本，而且其可靠性也较差。它只能传输信号，不 能向井下传送电能，无法满足现代钻井新技术的要求。所以仍只限于在浅井中应用。 1 3 3 声波传输方式 这种传输方式是利用声波或地震波经过钻杆或地层来传输信号。这种传输方式的实 现方法简单、投资少，但信号弱、不易接收。而且由于钻柱接头处直径的变化和丝扣装 醋安石油大学硕士学位论文 配的影响，信号会因反射和折射而衰减。 s p e r y s u n 公司研制了一种声波遥测装置，用以补充采用导线进行定向测量的服 务；s p e r r yr e s e a r c h 使用了一种带地热泵的声波装置；b a s i cs c i e n c e s 研究出一种声波遥 测法，把生产井中的压力参数传送到地面；m o t o r o l a 研制了操作井下设备的声波遥控装 置，它使编码后的声信号沿生产套管进行传输。 声波传输方式的优点是结构简单、成本较低，其缺点是在钻井时声波受环境噪声的 干扰、信号弱、中继装置的可靠性差、成本较高。 1 3 4 绝缘导线传输方式 导线传输方式是指在钻杆及接头内嵌入导线( 一般为铜导线) 组成智能钻柱，它能 满足现代钻井的技术需求。根据接头的结构及传输原理不同可分为：( 1 ) 感应式接头智 能钻柱，它不能向井下传输电力，但它能以1 0 4 1 0 6 b p s 的超高速率双向传输多类参数； ( 2 ) 导线式接头智能钻柱，它既能由地面向井下输送所需的电力以电控井下仪表传感器 和专用硬件，同时又能以1 0 4 1 0 p s 的超高速率双向传输多类参数。智能钻柱能真正 实现众多参数随钻实时传输测控的功能，建立地面与井下实时双向随钻闭环信息通道。 由上述研究与综述可知：电磁波和声波与钻井液脉冲相比，传输速度较快，但信号衰 减严重，而且受噪声的干扰较大，因此给信号的接收和检测带来困难。另外，为了提高 数据的传输距离，需要安装中继装置，但其成本较高、可靠性差。钻井液脉冲法传输速 度较慢，钻井液脉冲m w d 的数据传输时闻滞后。当传输较少参数时，在浅井中滞后数 秒，在深井中滞后可达lm i n 多甚至更慢。如果需传输稍多几个参数时，就不得不采用 分时传输的办法，这就滞后得更严重。闭环钻井的随钻测控作业要求井下与地面双向传 输信息。目前上传通道主要是应用泥浆脉冲m w d ，而下传的泥浆脉冲通道技术国外也 还不很成熟，国内则尚未解决。因此，地面与井下的信号传输方式选择绝缘导线传输方 式，它可以建立起有线实时双向闭环信息的高速率传输数据通道，满足现代钻井新技术 的要求。 1 4 智能错柱的国内外发展及现状 井下与地面间的信息传输总的发展趋势是从无线到有线。可以单独传输信息，也可 以同时通过两条回路分别传输电力与信息，甚至通过一条回路既传输信息又向并下送电， 形成电力线与信息线的“二合一”。信息传输从单向到双向，从较少参数到众多参数且传 输速度不断提高。 1 4 1 数据传输技术【4 】 ( 1 ) 1 9 4 0 年d i c k s o n ，d e n n i s o n 等研究解决了在导电介质中接头丝扣连接导电性问 题。1 9 4 2 年d c h a r e 研究使用感应接头的方式进行钻柱上下数据通讯连接，研究使用 电容器、整流、放大原理从一个单根传送信号到另一单根：这套系统的缺点在于传输系 统所需的强大信号在钻杆中会有磁性损失；直到最近还有人在研究感应接头的传输方式， 但始终未能商业化应用。 第一章绪论 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代，s h e l l 公司研制湿接头对接式的有线随钻传输。这一技术不 断发展，并一直沿用至今。 ( 3 ) 1 9 8 7 年m i gh o w a r d 利用霍尔效应传感器连接钻柱接头传输数据，其传输速率 高达1 0 0 b p s 。虽然这个系统在接头处成功桥接，但是在接头处的信号无方向性，并且它 需要复杂的电路和霍尔传感器等。 ( 4 ) 在9 0 年代后期，b a k e rh u g h e s 、s c h l u m b e r g e r 和r o x a r 等几家公司都进行了测 量和控制井下相结合和元件一体化集成的智能完井创新开发。 ( 5 ) 贝克石油工具公司0 3 a k e r o i l t o o l s ) 于1 9 9 5 年开始研制无需修理干预的流量控 制技术。1 9 9 9 年该公司研制的第一台液压智能井系统i n - f o r c e 投入商业应用。2 0 0 0 年下 半年全电子智能井系统i n c h a r g e 投入商业应用【5 】。 1 4 2 向井下送电技术 ( 1 ) 2 0 世纪4 0 年代末或5 0 年代初前苏联开始研制并应用井下( 有杆、无杆) 电 钻。到1 9 9 7 年用电钻具钻井3 2 0 0 口，进尺6 ，4 2 2 ，4 2 1 ，0 0 0 米。基本上是用管内吊线与电 插头的方法，其缺点是可靠性差，往往钻进1 0 0 0 m 左右接头就因磨损而失效 4 1 。 ( 2 ) 在上世纪7 0 年代中期，美国g e n e r a le l e c t r i c 研制了一种电钻杆并获专利，但 由于各种原因，它并未成为一种商业应用方法。苏俄和g e 公司所采用的都是在钻柱中 间悬挂一根电缆线，同时由稳定和密封部件制成的电接头，并用丝扣相互连接的工具接 头。它的优点是可以使用三相动力电缆，然而它需要较大外径的电接头。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 9 0 年代，法i f p 公司研究唇密封的电钻杆，并获专利，试用于1 0 0 0 米浅井。 ( 4 ) 1 9 9 0 年a f v e n e r u 用连续导线从地面传送电力到井下，可使供电能力几乎不 受限制，并获得专利。 1 4 3 智能钻柱近年发展 由于在数据传输和向井下送电方面的前期工作不能满足智能钻井技术的要求，国外 从2 0 世纪9 0 年代开始研究新型智能油井管，包括智能钻杆及其接头、智能油管等。近年 国外有多家大公司的研究已处于工业化试用和商业化应用初期。 ( 1 ) 美国g r a n tp r i d e c o 公司进行了大量研究，1 9 9 9 年又与多家公司( c h e v r o n 、 p h i l l i p s 、e x x o n 、a r c o 、b p a m o c o 、g l o b a lm a r i n e 等) 联合组成一个合作工业项目组己 研制成功57 8 ”的智能钻杆等产品，产品的主要难点是接头，有一种方法用感应接头， 这种智能钻柱系统采用磁场感应的方法只能向井下传输信号，无法送电。另一种技术是 接触式接头，采用机械连接的方法，既可以向井下传输信号又可以送电来满足现代钻井 技术。 ( 2 ) a b b 公司智能井的具体系统是一个综合的油藏可视系统，在油藏中安装了一个 具有永久性的地震传感器，具有先进的井下监测和油藏控制系统，该系统采用传感器结合 井下流量控制阀和控制系统组成，目前正在试验中吼 西安石油大学硕士学1 1 c 7 _ 论文 ( 3 ) 加拿大卡尔加里h u s k y 能源公司梅文荣博士说，目前在加拿大、美国等新投 产的中高产量的油井几乎都建设为智能油井，即在井下装多传感器并在油管外卡装光纤。 可实时监测调控油井生产及井下装置，实现智能采油。 ( 4 ) 2 1 世纪初，壳牌石油公司的7 0 口智能井仅一年多就为公司创造了约2 0 0 万美 元的额外净产值。2 0 0 5 年，壳牌公司亚太区负责人金亮博士说，在智能井中运用油管外 卡装光纤技术己普遍应用。壳牌公司目前已经拥有智能钻井和建设智能油井及智能油田 的全新技术。 ( 5 ) s c h l u m b e r g e r 公司认为电潜泵是仅次于有杆泵的采油方式。在老油田或者边远 地区，对电潜泵系统进行实时监控可以为原油生产带来许多无形或有形的价值。s i g n a l h i l l 公司运用为井下电潜泵输送电能的动力电缆传输井下信息，实现对电潜泵的实时监 控1 7 】。其中，电潜泵的电机功率可达1 0 1 0 0 k w ，井下采集的信息包括：压力、温度、 振动及电潜泵的各项参数等。采用“二合一”技术不仅最大限度的提高电潜泵的运行寿 命，而且对于油井动态的最优化非常有价值。 ( 6 ) 2 0 0 5 年4 月，s p e 主席g i o v a n n ip a c c a l o n i 在“能源领域的技术创新”的报告指 出，在美国等地区智能油田、智能钻井、完井、采油及智能管理等技术近年发展很快。 智能油井管及智能完井已相继商业应用，智能油田是石油工业的发展方向，是比较前沿 的技术领域，非常具有发展前途。 ( 7 ) 目前，国外对智能钻杆和智能油管的一些技术难点已有一定的设计和加工制造 的方法。为了自主创新，国内已经开始研究先进与可靠的设计方案。 1 5 智能钻柱的优点与发展前景 随着油气勘探开发的发展，超深井、定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井 等特殊工艺井相继出现并得到了迅速的发展，这些特殊工艺井的共同特点是在复杂地质 条件下与常规油气井相比，其油气开采率高、难动用开采能力强，但对钻井作业的施工 要求高、难度大，要求对钻井过程能随钻实时地采集、传输、处理、反馈并应用地质、 工程和井眼的各种信息。闭环钻井、全自动化钻井需要将这些大量的信息形成闭环信息 流，需要既能由地面向井下输送足够多的电力以电控井下仪表传感器和专用硬件，同时 又能建立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。 1 5 1 智能钻柱的优点 智能钻柱有助于全面、科学地解决复杂条件下钻复杂结构井的系列复杂性问题。应 用导向钻井来控制井身轨迹，其技术进一步发展的趋势是同时采用几何导向、地质导向 和旋转导向钻井技术。 几何导向方面需随钻的参数主要有井斜角( a ) 、方位角( 由) 、工具面角( 0 ) ) 、井斜 变化率( a c t ) 、方位变化率( 鲥) 、近钻头姿态仪测量的近钻头姿态参数、井径以及几个 靶位的几何参数等，最多时达6 8 个独立参数。 地质导向方面常用三联或四联的随钻测井仪( l w d ) 或随钻地层评价仪( f e w d ) 。 第一章绪论 近年，国外又应用了随钴核磁测井仪。主要测量参数有自然伽玛( y ) 、方位伽玛( y ) ， 电阻率( r ) 、补偿双电阻率( c d r ) 、近钻头电阻率( r a b ) 及方位电阻率( a r ) ，补 偿中子密度( c d n ) 及方位密度中予( a d n ) ，自然电位( a ) 、声波( s ) 等：还有随 钻地震( s w d ) 、随钻压力( p w d ) 以及有关地层压力、破裂压力、坍塌压力和地应力 等的参数测量。可同时使用的往往有6 1 0 个独立参数【8 。 在应用旋转导向钻井技术时，导向工具内装有三轴加速度计、陀螺仪、温度传感器、 振动测试元件等。控制井身轨迹常用偏差矢量法和智能控制法，需要随钻测量计算偏差 矢量和实时掌握全角变化率并实时掌握与诊断旋转导向工具乃至b h a 在井下的工况和 力学行为状况。这就需要再多增加几个独立的随钴澳0 量参数。 实现优化钻井和随钻诊断的主要信息参数有：井底钻压( w b ) 、用x y 轴向磁力仪 测量的井底转速( n ) 、井底扭矩、泥浆排量、钻柱内压力和环空压力、用三轴加速度计 等测量纵振、扭振等的振动参数、b h a 和导向工具的弯矩等、钻井液性能参数( 密度、 循环当量密度e c d 及主要流变参数) 、井温( t ) 等；若使用智能钻头还多几个被测参数。 可见，为实现随钻动态诊断和实时优化钻井之用，大约需要1 2 1 8 个参数。 井下测试仪器通常使用1 0 0 0 h z 的测量频率。为提高测量精度，宜分别选择使用8 1 6 位的传感器。这样，粗略估算最大应用信息传输速率的范围为( 2 5 6 6 7 2 ) 1 0 5 b p s 。 即使按该范围的较低值的3 0 左右考虑，实际应用的信息传输速率至少也要( 8 2 0 ) 1 0 4 b p s 。 目前无论是随钻测量m w d 还是用于地质导向的随钻测井l w d ，其信息的实时传输 均采用钻井液脉冲的方式，而钻并液脉冲的传输速率一般为3 5 b p s ，最大也只能达到 1 2 b p s ，显然这样的传输速率是远远不能满足现代智能钻井所要求的传输速率。由于泥浆 脉冲信息传输能力非常有限以及传输时间的滞后性，并不能很好的反映井底参数和井眼 参数的真实程度，井下信息不能及时被掌握，在钻水平井、多分支井和复杂结构井时， 导向技术和井眼优化之间矛盾尤为明显。在钻进过程中发生的喷、漏、塌、卡、钻柱纵 振、横扭等情况都不能使决策者做出准确的判断以及相应的调整，无法达到最优化钻井。 短程电磁波法和声波法等无线随钻信息传输技术均不成熟，也未能在工程上实际应用。 智能钻柱主要应用在复杂地质条件下，用于陆海复杂结构并、特殊工艺并、深井、 超深井等。这种具有高速双向通讯连接的智能钻柱系统可以把井下测量系统测出的地质 参数、轨迹参数、钻进参数及评价参数等四大类参数实时有效地传递到地面的信息处理、 监控系统中，进行随钻诊断和决策，再通过智能钻柱下传决策控制指令，从而达到最安 全、最有效、最准确和最优化的钻井。同时，还可以为现代钻井所需的各种井下传感器 和并下工具提供电能。从而使： ( t ) 应用井下牵引器或推进器来控制钻压以优化钻进过程并保持钻头转速独立于排 量，降低钻井成本。 ( 2 ) 由于既可通过反循环减低等效循环密度( e c d ) ，又可从分布安放在全井长度 阳安石油大学硕士学位论文 范围的传感器来掌握全井各段压力情况，实时传输压力、温度等参数进行井涌监测。从 而减轻井眼失稳问题，提高钴井的安全性。 ( 3 ) 实时采集到的震动数据可以优化钻头寿命。 ( 4 ) 沿钻柱布置牵引工具和微震器等来减少钻柱与井壁间的摩阻力并消除粘卡问 题。 ( 5 ) 由于应用地质导向和实时数据反馈等技术，使井身轨道的准确性与精确度大大 提高，从而最有效的穿越油藏并提高油井质量与产能。 ( 6 ) 利用井下震源和井内接收器对随钻地震等新技术再改进。 1 5 2 智能钻柱的发展前景 智能钻柱传输系统对于国内、甚至国外来说是一种新型的井下工具系统。智能钻柱 可以将地面与地下两个领域的工作更加紧密和实时的结合起来。 ( 1 ) 在智能钻柱上应用电力线载波技术是发展方向，进一步改进“三明治”层结构， 采用铜线传输信息时速率可达1 0 4 1 0 6 b p s 。 ( 2 ) 不通过智能钻柱向井下送电时，智能钻柱中可采用光纤、感应接头及信号放大 器等，传输速率可达1 0 4 l 0 7 b p s 。 ( 3 ) 新的绝缘材料的研制将会提高智能钻柱的安全性。 ( 4 ) 优化智能钻柱的结构，尤其是接头部分，便于智能钻柱的加工与拆装，提高智 能钻柱传输性能的可靠性。 智能钻柱传输系统提高钻井效率。实现井下钻井网络化使钻井速度更快、生产时间 更长、非生产时间最短，从而达到加快整个钻进过程的效果，降低了钻井的总成本。实 时振动数据的采集可以使钻头寿命最优化；地层m w d l w d 数据可以确定准确的套管 下放深度，节省时间；实时压力温度数据传输可以对即将发生的井涌进行检测，从而提高钻 井过程的安全性。智能钻柱系统还可以在欠平衡钻井过程中进行可靠的高速数据传输。 智能钻柱系统提高产能。高速实时双向数据传输可以保证井眼轨迹准确地进入油气 层，提高水平井产能，减少紧挨产层的水层的出水量。与先进的可检测钻头前方地层数据的 m w d l w d 技术相结合，智能钻柱技术可以使钴芳工程师在钻达目的层之前调整钻井液 性能，减轻对地层的伤害。 智能勘探开发将从根本上改变以往的油田管理以及勘探开发模式。首先，运用信息 化，对油田和油井集成化管理。在油田勘探开发的各个阶段都有相应的数据、模型和措 施，借助这些数据资料的解释分析可以为油藏的成功开采降低不确定因素和风险，综合 得出油藏的模拟模型“可视化油藏”，尽量真实地反映油藏、油井的特征；其次，任 何地区在勘探开发中遇到的任何一个具体问题，可运用计算机科学和网络通信技术，跨 越地域屏障，突破时空界限，把远在不同地方的专家聚集在网上进行远程网上决策；再 次，采用智能化技术将地面和地下两方面有机的结合，实现油藏、油井的动态监测，不 断优化作业方案，从而实现高额利润。2 1 世纪初，壳牌石油公司的7 0 口智能井仅一年 第一章绪论 多就为公司创造了约2 0 0 万美元的额外净产值。壳牌公司认为智能油田可以实现的近期 目标是队油田开发方案设计时间降低7 5 ；现有油田和新油田的产量可以提高1 0 ；新油田的采收率至少可以提高5 。通过对油田的智能化管理，将极大地促进油 田和油井的作业效率。 1 6 论文研究工作的内容 目前，国外对智能钻柱的研究已初步商业化应用，当然还要继续完善和发展；国内 对智能钻柱的研究才刚刚开始。故本论文将通过对国外智能钻柱的结构、原理、理论进 行仔细研究后，提出符合国内制造水平、加工工艺的智能钻柱结构设计方案及对其方案 进行必要的理论基础研究。 本论文的主要工作： ( 1 ) 笔者系统地调研了与论文题目相关的无线随钻测量技术、遥测钻柱、导向钻井、 优化钻进、动态诊断等内容的外文文献1 0 0 余篇，并重点对其中近l o 年的3 0 余篇进行 了精读和翻译。明确了本文所研究的智能钻柱的必要性和重要性。通过对目前现场钻井 信息的传输方式进行分析，指出钻井液脉冲等无线随钻测量技术无法满足现代钻井技术 的需要。并分析了智能钻柱的优点。 ( 2 ) 本文对近2 0 年来国内外有线传输技术发展历程进行了总结。通过对目前所应 用的几种随钻测量的传输方法研究分析，说明无线传输方式无法满足现代科学钻井的需 要，论证了采用智能钻柱传输方式的必要性。提出智能钻柱传输系统运用电力线载波技 术，形成电力线与信号线的“二合一”。根据智能钻柱井下工作的特殊环境，分析了传输 交流电或直流电的优缺点，同时对导线的电压降及温度进行了详细计算。说明既能双向 高速率传输信息，又能向井下传送电力的智能钻柱，是新一代有线钻柱传输技术的发展 方向。 ( 3 ) 本文提出智能钻杆及其接头的几种方案设计，并对其方案进行选择对比。智能 钻柱可以用三相交流电，也可以用直流电。根据传输不同性质的电流，智能钻柱的结构 不同。本文采用传输直流电，为此，在钻杆与接头中只需嵌装2 根铜质导线。采用电力 线载波新技术把电力线与信号线“二合一”，即信息与电力通过同一回路传输。运用“二 合一”技术使智能钻柱结构上更简单，加工更方便并降低成本。由于智能钻柱工作的环 境特殊性，对智能钻柱的本体与接头进行结构设计，并对导线材料和绝缘材料的选取进 行了分析研究。 ( 4 ) 简要介绍了智能钻柱系统的其他配套硬件及研究智能钻柱所需要进行的单元 试验。 1 7 论文的创新之处 智能钻柱传输系统对于国内、甚至国外来说是一种新型的井下工具系统。它具有双 功能，既具有普通钻杆的功能又可以双向高速率传输信号和向井下送电。国外已开发出 遥测钻杆，并通过测试。遥测钻杆的核心技术是将分散部件联系起来的无源传输连接， 西安石油人学硕士学位论文 该连接主要是一根穿行于每根钻杆和组件之间的高速数据电缆。电缆内嵌在钻杆和工具 接头内被有效保护起来，而不会对钻并液流和井眼中心钻具组合中工具的配置造成影响。 遥测钻杆采用耦合感应将数据传送给邻近的钻杆。耦台器设计包括位于每个连接两端的 电子线圈。当两个连接结合到一起的时候，通过一段连接中线圈的交流电将产生一个可变 电磁场，将电流感应到另一个线圈上，由此将信号传给第二个接头，依次传递。但是遥测钴 杆无法向井下传送井下硬件所需的电能。 本文所涉及到的新思路、新技术主要有： ( 1 ) 应用智能钻柱传输系统将地面与井下通过闭环信息系统结合起来，并能实时高 速率的双向传输数据，在空间上形成地面与并下的网络环境。 ( 2 ) 应用智能钻柱传输系统向井下传输足够用的电力，满足井下硬件及多个传感器 的用电需求。 ( 3 ) 国外以i n t e u i s e r v 公司为代表的几家大公司研制的遥测钻杆可以实时高速率的 双向传输数据，但无法向井下传送井下硬件所需的电能。提出应用智能钻柱传输系统既 能由地面向井下输送电能，又能实时双向闭环高速率的传输钻井测控信息的设计方案。 ( 4 ) 提出智能钻柱本体结构的几种设计方案：无接头钻杆实体膨胀管技术金 属管爆燃加衬技术。其中着重对方案三进行分析研究。通过挤塑机将扁的铜导线用环氧 树脂等特殊绝缘材料包覆，绝缘材料应具有一定的厚度和形状，形成“三明治”层，将 “三明治”层置于内管上，再将其穿入钻杆内，采用金属管爆燃加衬技术，使内管发生 塑性变形，钻杆发生弹性变形。从而使内管及“三明治”层紧紧地贴于钻杆内壁，达到 复合状态。同时，采用内层套管边缘外翻技术，防止接头端部的绝缘层受到钻井液及其 他腐蚀气体或液体的破坏。 ( 5 ) 智能钻柱接头部分的结构设计及连接方式，采用双锥体双台肩接头。在钻杆公 接头和相应的母接头上各自安装导电环，导电环与导线焊在一起，在接头部分用环氧树 脂等绝缘材料封装。当公接头和相应的母接头旋合在一起时，整个电路相通，从而达到 既能由地面向井下输送电能，又能建立有线随钻实时双向闭环钻井测控信息通道。 1 0 第二章智能钻柱的传输特性 第二章智能钻柱的传输特性 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 技术简称为p l c 技术，是以电力线作为信道 进行载波通信的一种有线通信方式i l 。电力线载波通信与其他通信方式相比，能充分利用 现有的电力线资源，即利用配电网低压线路传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号 的一种通信方式。电力线耦合装置伴随着电力线载波通信的应用和发展已有几十年的历 史，载波通道阻抗基本稳定，其设计和应用技术已经成熟和完善。低压电力线载波通信 是近几年发展起来的利用低压电力线作为传输媒介的通信方式，由于较高的经济性、实 时性，已经越来越被人们所关注。在地面上，我们已经实现了电力线载波技术。在智能 钻柱上实现电力线载波通信技术是一项创新技术。由于智能钻柱工作环境的特殊性，在 井下钻柱要不停的旋转，随着井深的不断增加，井下温度也不断升高，这对智能钻柱内 的导线和绝缘层性能要求很高。本论文将电力线载波通信技术应用于智能钻柱系统中， 从而既向井下输送电力，又建立起井下与地面之间实时、双向、高速传输信息的高速公 路，为科学钻井，优化钻井奠定基础。 2 1 智能钻柱传输电流性质的分析与选择 由于勘探开发的目标更进一步面向复杂地质地区，在钻前往往有许多问题不准确和 不确定。特别是地层分层深度位置、地层厚度及油气水层顶、底界面深度位置不准确， 甚至有时对某一地层是否存在或缺失，是否会钻遇断层等也不能确定。随着井下电控硬 件的不断发展，井下硬件的用电需求量进一步加大。目前现场所用的涡轮发电机或井下 电池所提供的电量远远不能满足井下硬件的需求。应用智能钻柱向井下传输电能很好的 解决这一难题。如果用智能钻柱单纯向井下传输电力