现代测试技术在钻井工程中的应用

2008级测控新技术讲座,现代测试技术在钻井工程中的应用,主讲：葛亮,钻井定义、目的,定义利用机械设备，将地层钻成具有一定深度的圆柱形孔眼的工程。钻井目的确切地了解地下地质情况，正确判断储油构造，为油田开发方案提供第一手资料。钻井过程中，可以通过岩屑录井、取心、电测得到地层分层、岩性、岩石的物理化学性质、含油气情况。开采油气，提高油气采收率形成油气到地面通道。油田开采后期钻注水或注气井。,油气井类型,地质基准井（参考井）为了了解地层的沉积年代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理勘探提供各种参数所钻的井预探井主要上为探明油田面积，油水边界线，为油田计算可靠工业储量提供资料。详探井在已证实有工业开采价值的油田上，为确定油层参数，查明油田地质特性，为油田开发做好准备的井，这种井在油层部位要求全取心。,油气井类型,生产（或开发）井在已探明储量，有开采工业价值的油田构造上钻产油产气井注水（气）井为了提高采收率，达到稳产所钻的井。注水注气的主要目的是为了给地层提供生产油气所必须的能量。,钻井水平,世界上最深的直井12260米，原苏联在科拉半岛的井，德国正在施工一口设计14000的井。我国最长的水平井古平1井（大庆），井深3192米，最大井斜角87.97，垂深2110米，全井水平位移1264米，水平段长1002米,旋转钻井钻机,动力系统旋转系统提升系统循环系统井控系统,钻头(RockBit),oilzone,一开：第一次开钻二开：固表层套管后在开钻三开：。,复杂情况,井喷,油气上窜引起井喷示意图,2003年12月23日21时55分，重庆开县，中石油川东北气田罗家寨16号井发生井喷事故，剧毒硫化氢夺走了243条人命，4000多人中毒就医，10万人连夜疏散，直接经济损失达6432.31万元。,钻进情况效率低下,影响钻进效率的因素,地层岩性强度、硬度、研磨性、可钻性钻井液性能密度、固相含量、粘度、失水钻头类型及结构水力参数泵压、排量、喷嘴直径钻井机械参数钻压、转速,劳动力因素,自80年代开始至今，常规钻井技术已经较成熟了。,近些年，现代电子技术、传感技术、现代测试技术都得到了飞速发展，能不能将我们所学引入钻井技术,思考！,通过测得井下钻井工程参数信息，对参数进行综合分析，详细地了解钻头、钻杆、井下环境等的当前的工作状态，并及时对钻井工程参数做出调整，使整个钻井工作安全、高效完成。,钻压、扭矩能不能过大？,井喷、井漏、井涌,由于井底压力导致,怎么预防？,测量井底压力、流体流量,钻进效率低,岩石性质、钻头转速、钻头上的作用力、钻头类型、钻井液等相关,通过测量井下的钻头钻压、扭矩等参数，了解钻头在井下受力情况,怎么办？,要测量这些参数，怎么办？,传感器,井底压力、流量用什么传感器测量？,钻头钻压、扭矩等参数用什么传感器测量？,井下工况传感器选择面临的问题,高温高压强振动强干扰强腐蚀小空间无很好的供电条件安装固定困难,传感器问题解决了，新的问题出现？,传感器输出信号微弱，怎么办？,常规放大电路行不行？,不行，干扰大、信号弱,采用仪表放大电路,国内外研究状况,国内厂商主要有西安东辰德、上海神开、北京威尔泰克等，受井下特殊恶劣环境的影响，国内产品在稳定性上还不十分可靠，没有一家能真正推出成熟产品来垄断市场。国外的技术己经成熟，能够实时测量井下近钻头处的地质参数和工程参数，测量设备在世界上已商业化，但对我国进行了技术封锁。,随钻测试仪,随钻环空压力、温度测量仪（Pressure&TemperatureWhileDrilling，PWD）原理主要是靠压力传感器测量环空压力、利用温度传感器测量环空温度，可实时监测井下压力的变化，PTWD可以向工程师发出环空压力变化的危险报警，在不破坏地层的情况下，提供预防措施使井眼保持清洁。PWD主要用于实时井涌监测、ECD监控、井眼净化状况监控、钻井液性能调整等。,我校团队随钻压力测量仪（PTWD）研究进展,井下微流量钻井是在地面微流量基础上提出的一种改进型微流量钻井技术，它继承了地面微流量钻井技术的控制思路及各项优势，同时又对地面微流量控制技术的控制对象和控制原则进行了一定的修改和补充，使得其在对溢流/漏失的监测能力和保证钻井的安全可靠性方面得到了很大的提升。,我校团队井下微流量测量装置研究进展,1、双系统设计理论,硬件冗余技术：通过元器件的重复时间冗余技术：通过消耗时间资源信息冗余技术：通过增加信息的多余度软件冗余技术:通过附加软设备,系统采用的容错技术：综合应用四种冗余技术,采用的特殊技术,常用容错技术,3、井下仪器高可靠性设计方法,设计方法：井下仪器方案设计元器件的选择和筛选井下仪器热设计降额设计井下仪器抗震设计环境防护设计,采用的特殊技术,系统测试,实验室测试,高温测试,钻井现场测试,在室温条件下，对组装好的测试仪进行整体的调试,在高温试验箱中进行的，温度范围控制在125左右,在振动台上进行的，检测测试仪在模拟振动环境下的正常工作能力,在钻井现场使用测试仪，验证是否完成工程化任务,震动测试,仪器测得了数据，但是在井底下，地面怎么得到数据？,需要从井底传输到地面,（1）钻井液压力脉冲法钻井液压力脉冲法提出最早，也是目前发展最成熟、应用最广泛的传输方法。主要用于随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)中。它是运用钻杆内的钻井液作为传输介质进行信息传输的。压力波在钻井液中的传输速度约为1200m/s，再加上调制方式的限制以及传输过程中压力波的损耗，要得到有效的解调，传输速率一般只有35bps，最快也只有3040bps。该方法不但速度慢延迟时间长，而且是单向通信，也无法用于欠平衡钻井。,井下与地面的数据通信方法,（2）声波法这种传输方式是根据声波能够沿钻柱传输的原理进行设计的。钻杆内安装有声波脉冲发生器，测量数据对其产生的声波脉冲序列进行调制，被调制的声波脉冲波沿井筒上传，并在地面对其进行解调，从而获得测量数据。声波在钻柱中的传输速度约为500m/s，再加上调制方式的限制以及传输过程中声波的损耗，要得到有效的解调，传输速率一般只有2030bps。（3）电磁波法2005年，俄罗斯推出的电磁波随钻测量系统(EM-MWD)在胜利油田进行了现场试验，效果亦不尽如人意。其基本工作原理就是通过在井底下发送低频电磁波沿井筒传输到地面实现信息的传输。其使用有两大限制，一是载波频率只能是低频，一般为30Hz以下，数据传输速率很难提高；二是传输深度受地层电阻率影响较大，要求地层有较高的电阻率，因此，很难推广使用。,从20世纪80年代末（90年代初）钻井技术上提出了需要解决既能随钻实时双向高速传输测控数据的需求，同时又能随钻往井下送电的要求。于是开始研究智能钻杆。其主要理由：一、无线脉冲传输能力太低，而智能钻杆能成千上万倍地提高传输能力；现用的泥浆脉冲MWD的信息传输能力非常有限（国内水平为35bps，国外最高水平为12bps）而发展目标也只能是3040bps二、井下需电能，而用电池和/或井下涡轮发电机等方法其供电能力有限、费用贵，特别是加长了MWD、LWD、旋转导向钻井工具（PowerDrive、Antotrak、GeoPilot）等硬件的长度，难以满足近钻头测量的轴向距离。,智能钻杆的主要难点：,一、要实现与保证正常普通钻杆的各种功能；二、要在钻杆内埋