仿生学在井筒控制工程中的应用

仿生学在井筒控制工程中的应用中国石油勘探开发研究院采油采气装备所2011.08,提纲,仿生学概况石油工程仿生学的建立与研究石油工程仿生学的展望,2,仿生学概况,仿生学（bionics）由美国人斯蒂尔于1960年提出。同年召开的第一届仿生学讨论会是仿生学诞生的标志。仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。“智者千解，不如天之一解”。,3,仿生设计和应用在日常生活中随处可见，科学家和工程师们的众多发明创造都来自于大自然。,仿生学的应用,4,仿生学的应用,太阳能侦察机密歇根大学工程学院；模仿蝙蝠翅膀的飞行翼；长仅15厘米，透明头部装有太阳能电池板，1瓦特能量可搜集大量数据。,仿生操作助手德国费斯托工程公司；模仿大象鼻子的机器人手臂；每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行收缩和扩展。,5,粘性机器人美国斯坦福大学机械工程学院；模仿壁虎的足垫；小刚毛可与物体表面的分子结合，产生强大的粘附力，使其自由地在垂直光滑的物体表面攀爬。,仿生学的应用,夜视高清相机或隐形眼模仿壁虎的眼睛；一系列不同的中心区，使其在夜间仍能分辨色彩，灵敏度比人类眼睛高出350倍，可以聚焦不同距离。,6,不会漏气的轮胎Resilient技术公司和威斯康星州立大学麦迪逊分校；模仿蜂巢六角形结构；拥有极高的坚固度同时可让重量均匀分布以实现平滑行驶。,仿生学的应用,软硬兼备的塑料模仿海参的皮肤；一旦受到惊吓，身体柔软的海参皮肤会分泌一种特殊化学物质，能在几秒钟之内变得硬如铠甲。,7,背景：川东北须家河地区为坚硬和强研磨地层，钻头寿命短，钻速慢，是川东北开发面临的重大技术难题。仿生金刚石钻头：吉林大学任露泉院士以蜣螂为仿生对象，应用“非光滑表面”理论，成功研制世界首只仿生钻头，比牙轮钻头提高钻速20%,提高钻头寿命近4倍，仅一口井便可节约100万元以上，为深井钻探以及高研磨地层钻井提供有效工具。,仿生学在石油领域中的应用,8,海底石油管线仿生防护技术：仿生海草起到消波、降低潮流速度的作用，减少浪流对岸滩的冲蚀，促进海水所挟泥沙沉降，达到固沙促淤、保护海底石油管线的目的。,仿生学在石油领域中的应用,9,“血小板”管道修复技术：当人身体的血管破裂时，血液里的血小板就会自行在血管破裂处凝结堵住伤口。在管道流体中加入Platelets微粒，微粒随流体流至裂缝处时，流体的压力迫使微粒进入裂缝，微粒紧贴管壁从而达到阻止泄漏的目的。该技术已经得到一定的应用。,仿生学在石油领域中的应用,10,提纲,仿生学概况石油工程仿生学的建立与研究石油工程仿生学的展望,11,鉴于仿生学在科技进步和创新中发挥的重要作用，结合石油工业的技术需求，我们认为仿生学将会在采油工程的未来发展中发挥重要的作用，因此决定开展石油工程仿生学的研究，并将井筒控制工程作为主要研究领域。2009年9月，中国石油勘探开发研究院成立了仿生工程研究室，设立在采油采气装备所。仿生工程研究室目前有研究人员7人，其中博士3人，硕士4人，专业涉及油气井工程、机械、自动化、化学、材料等，平均年龄31岁。,石油工程仿生学的建立与展望,12,石油工程仿生学学科的建立,将对井筒控制和管理提供有效的技术支撑。根据采油工程的发展现状，经反复调研和论证，该学科设立了三个研究方向，并在每个研究方向中确立了一个课题：井筒工程仿生仿生膨胀锥井筒信息仿生井下仿生振动波通讯仿生材料应用仿生泡沫金属防砂井下工程仿生和信息仿生为实现井筒控制自动化和智能化提供了新的思路，能大大简化系统的决策控制过程，仿生材料表面处理技术和仿生材料应用可以改善井下工具的性能。,石油工程仿生学的建立与展望,13,生产需求：井下工具零部件在相对运动过程中由于摩擦阻力大，造成零部件磨损严重，降低使用寿命，加大作业风险。例如膨胀管作业中膨胀锥磨损会造成严重后果。穿山甲、鲨鱼以及荷叶都具有非光滑表面的减阻、耐磨、脱附的功能，仿生非光滑表面技术已在各领域得到了广泛的应用。以仿生膨胀锥技术为突破口，研究井下工具减阻降摩问题，以提高井下工具作业效率并延长寿命。,1.仿生膨胀锥研究,14,国外技术现状：国外主要以Eventure公司的膨胀管技术为代表，其膨胀管内表面进行干膜涂敷处理，起到降低摩擦阻力的作用。国内技术现状：采用液体润滑剂，易沾污，效果较差；膨胀锥普遍采用高强度钢，通过提高表面硬度来提高其寿命，而目前的材料技术水平，提升空间有限。技术发展趋势：向低阻、低成本、长寿命方向发展。,1.仿生膨胀锥研究,15,开展仿生表面减阻降摩技术研究：膨胀锥表面形貌处理凹坑、凹槽等；凸起、激光网格分布；固体自润滑材料。膨胀锥基材及结构优化提高基材表面硬度；优化胀锥结构。,1.仿生膨胀锥研究,16,下一步研究计划：研究凹坑的分布规律、大小、深径比以及凹坑形貌与自润滑材料的结合；膨胀锥表面网格划分、激光处理参数优化，提高胀锥表面硬度和耐磨性；研究膨胀锥基体材料、优化膨胀锥结构；建立数学模型，实现参数优化，指导试验研究。,1.仿生膨胀锥研究,17,生产需求：现有井下通讯控制技术如管线、投球、电缆、光缆、压力波等方法，存在成本高、设备复杂、适应性差等问题。国外技术现状：英国已实现振动波通信，并通过接力通讯方式实现井下到地面的信息传输。国内关于这方面的研究才刚刚开始。技术发展趋势：远距离、数字化、双向通信；信号拾取向嵌入式方向发展，便于与系统集成。,2.井下仿生振动波通讯,18,振动波传输方法原理：借鉴动物的震动传输方式（沙蝎、大象等）；井口放置振动信号发生器；套管作为传输介质；用卡瓦封隔器实现分层；用振动信号传感器接受信号。振动波通信技术特点：以油套管为信号传输载体，无需额外投入；成本低、传输速率高；为基础共性技术，将引起多段压裂技术、分层注水技术、分层采油技术、油藏监测技术的升级换代。,2.井下仿生振动波通讯,19,生产需求：现阶段疏松砂岩油藏分布范围广、储量大，防砂已成为工程技术瓶颈。机械防砂装置存在易砂堵砂埋、清理困难、寿命短、无法反洗等问题。,泡沫金属仿生材料特点：模仿骨松质三维孔隙结构；轻质高强；孔隙度易控制；容砂能力强；过流阻力小。,泡沫金属MicroXCT,泡沫金属容砂MicroXCT,3.仿生泡沫金属防砂,20,力学性能实验：压缩后会有一定的弹性变形；该材料具有一定的拉伸和压缩强度。加工性能实验：切割性能较好，可用线切割、金属切割等；有良好的金属延展性。,线切割后,3.仿生泡沫金属防砂,21,折弯试验后的试样,典型力学性能曲线,22,耐腐蚀实验：在pH1.0、pH2.0、pH11.0的强酸碱溶液中浸泡15天后，经图像分析法表征，泡沫金属材料受到轻微腐蚀，孔径略有扩大，但变化程度低于3%。在pH4.0的溶液中浸泡15天后，泡沫金属材料的孔径无明显变化。在模拟海水以及盐雾箱中浸蚀7天后，无锈蚀变色现象。,3.仿生泡沫金属防砂,pH1.0溶液中浸泡15天,参比试样,工具由普通油管和接箍加工后，外套泡沫金属防砂管，并增加外壳、初级滤砂套、滑套开关、反冲砂通道等装置，组合而成可反洗泡沫金属防砂工艺管柱。,3.仿生泡沫金属防砂,23,泡沫金属MicroXCT,泡沫金属容砂MicroXCT,3.仿生泡沫金属防砂,泡沫金属防砂管柱结构：以钻孔基管为支撑，复合以导流层、防砂层、泡沫金属容砂层、表层防砂层、冲孔保护网为保护罩，制造出新型复合双层泡沫金属防砂筛管。,24,4种筛管短节对比实验1号短节星孔筛管：挡砂精度（0.08mm）略高于另外3种（0.1mm）2号短节带保护罩泡沫金属防砂管3号短节无保护罩泡沫金属防砂管4号短节优质复合筛管（中海油提供）：4层烧结筛网组成，挡砂精度与2、3号相近。,4种防砂管短节,3.仿生泡沫金属防砂,25,流量关系对比曲线图,加80目砂压力试验对比曲线,流入阻力明显小于其他类型防砂管柱，在同等流量下(10L/s)，比优质筛管流入阻力低16.6%；大粒径砂粒(大于防砂管通过粒径)不影响泡沫金属防砂管流通能力；小粒径砂粒(小于防砂管通过粒径)进入筛管内部后，流入阻力有所增大，但无粉砂流出；而优质筛管有粉砂流出，说明泡沫金属防砂筛管防粉砂能力优于优质筛管。,3.仿生泡沫金属防砂,26,提纲,仿生学概况石油工程仿生学的建立与研究石油工程仿生学的展望,27,研究方向：仿生电源研究背景：涡轮发电在采油上面临动力来源、环境适应性、寿命等问题；大容量高能电池短期难以获得技术突破；寻求结构简单、适应性强、寿命长的新型电源技术。研究内容：根据聚偏氟乙烯（PVDF）的压电效应；利用井下流体流动使聚偏氟乙烯振动，形成仿鳗鱼的鳗状波动，产生电流为电池充电；具有结构简单、适应性强、寿命长等优点。,1井下工程仿生,28,研究方向：仿植物表皮敏感器件研究背景：实现井下油水比例探测和控水是油田面临的难题。研究内容：研制新型对油水比例敏感的聚合物，并基于该材料制成井下油水比例敏感开关，可以实现油水比例探测和自动控水。具有结构简单，不需电源，并可根据环境变化进行自动调节。,2井下信息仿生,29,研究方向1：仿荷叶超疏水表面管道研究背景：减小管道内油气介质和管道内壁的摩擦阻力；降低能源的损耗；提高油气输送效率。研究内容：非粘性超疏水表面材料；自清洁、减阻降摩；在石油管道、深井开采中有很好的应用前景。,3仿生材料应用,30,研究方向2：仿生压裂支撑剂研究背景：提高压裂砂的耐压能力对成功完成压裂作业具有重要的作用。研究内容：水黾腿部特殊的微纳米结构具有超疏水特性和超强的负载能力。将树脂砂的表面制成类似水黾腿部特殊的微观结构：将能产生极大的表面负载能力，降低树脂的包裹厚度，增强在压裂过程中耐压能力。,3仿生材料应用,31,32,3仿生材料应用,研究方向3：仿生纳米机器人,研究背景：现有的测井和物探技术尚无法满足了解油藏井间基质、裂缝和流体性质以及油气生产相关变化等需求。,研究内容：化学分子系统与机械系统的结合体；油