智能钻井理论与技术及其发展.ppt

1,论智能钻井理论与技术及其发展,2,第一代和第二代智能钻井的基本理论、基本技术和发展趋势。论述了基于电子钻柱的第二代智能钻井技术的优点与功能，阐述它是研发的重点和发展方向。第二代智能钻井技术的优点。基于对接式电子钻柱的智能钻井技术的主要内容和技术难点。,摘要,3,序言,石油钻井存在大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，解决这些工程“黑箱”问题迫切需要信息技术、智能技术和当代高端科学技术。智能钻井理论与技术将迎难而进，快速发展。,4,远程遥控钻井作业,5,智能钻井理论1.契机,石油钻井、完井和采油正在进入信息化、智能化、自动化阶段，并呈现快速发展的趋势。我国随着海上油气资源的扩大开发，随着陆上复杂油气田和难采难动用储量开发的需求日增，复杂结构井（水平井、大位移井、多分支井)欠平衡钻井、气体钻井等正在不断发展。国内外日益发展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，越来越使得泥浆脉冲等无线随钻测量技术不能满足上述钻井新技术的要求。,6,智能钻井理论1.契机,近60年来国内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。近年，智能油井管的设计研制与生产应用已经和正在取得突破性进展。这项研究工作表明智能油井管（智能钻杆、智能油管、智能柔性连续管等）是实现智能钻井、完井、采油的必要条件和技术关键。,7,智能钻井理论发展2.瓶颈,2.1当钻井循环流体介质为气体或气液两相流体时，泥浆脉冲MWD就不能传输信息了；2.2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；2.3闭环钻井的随钻测控作业要求井下与地面双向传输。目前上传通道主要是应用泥浆脉冲MWD，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；,无线随钻传输存在的主要技术问题,8,智能钻井理论发展2.瓶颈,2.4泥浆脉冲MWD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。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。2.5电滋波无线传输法，由于电磁波在井壁地层中衰减严重，所以仍只限于在浅井中研究，尚未能实现工业应用。2.6应该看到无线传输法的上述问题是不能或很难解决的，它不能真正实现众多参数随钻实时测控传输的功能，更难以建立地面与井下双向闭环信息高速公路。由此，研发新一代有线传输技术的成为必然。,无线随钻传输存在的主要技术问题,9,智能钻井理论3.形成,3.1在数据传输方面的前期进展1940年左右开始研究电钻杆。例如：1940年Dickson,Dennison等研究解决了在导电介质（有研磨性、腐蚀性的高压钻井液）中接头丝扣连接导电性的问题；1942年D.C.Hare研究使用感应接头的方式进行钻柱上下数据通讯连接（获专利），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；,10,智能钻井理论3.形成,20世纪70年代，美Shell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；1987年MigHoward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100bps。,11,智能钻井理论3.形成,3.2在井下送电方面的前期进展20世纪40年代末/50年代初前苏联开始研制并应用井下（有杆、无杆）电钻。到1997年用电钻具钻井3200口，进尺6,422,421,000米。基本上是用管内吊线与电插头的方法（图1），其缺点是可靠性差，往往钻进1,000m左右接头就因磨损而失效。70年代，美GE公司研究电钻杆，1977年获专利。但基本上未能商业化应用。80-90年代，法IFP公司研究唇密封的电钻杆（1985年获专利），试用于1000m浅井。1990年A.f.Veneru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。,12,图1-A有线随钻测控系统1钻头2旋转导向工具3钻杆4导线5转盘7导线8电接头10水龙头11水龙带,13,图1B管柱内孔悬挂导线法之一,14,智能钻井理论3.形成,3.3智能钻杆的形成与进展从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；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。,15,智能钻杆的主要难点有三：一要实现与保证正常普通钻杆的各种功能；二要在钻杆内埋导线（铜、光纤）；三要解决接头的导电传输与绝缘密封。智能钻杆中有关电的的问题l智能钻杆接头的“机电”结合l用三相交流电还是用直流电l功率、扭矩、电压等参数的选择l导线截面积及形状（圆、扁）l绝缘包装及其外径l动力电缆与信息通道的“二合一”l接头丝扣部位的导电及两接头间“对准位置”与“防错位”,16,电钻杆本体基本上有三种结构（图2）,钻杆内壁为异形，埋线、密封绝缘（图2A）；钻杆内壁安放一小管，在小管内装入导线并密封绝缘（图2B）；在钻杆本体内套装同心内管，在钻杆内壁与同心管的环形空间埋导线并浇注绝缘材料，称“三明治”式（图2C）；用51/2及57/8钻杆，倾向用57/8（可用于81/2至121/4钻头,17,18,GRANT的电钻杆接头有两种方案：在现有接头上钻孔再嵌入导电材料并密封绝缘；用特制高质量电子接头，双台肩式、金属面密封既有锥体面密封又有双台肩面密封；锥体为气密的弹性金属-金属密封，台肩为普通金属-金属密封，电子接头用环氧树脂等封装。,19,Figure3Elastomerface-sealconnectionpinend,20,Figure4Elastomerface-sealconnectionboxend,21,22,23,24,25,智能钻杆三相交流电（也试过直流电）的输送电能可以根据井下硬件的要求来选择。智能钻杆的数据传输速率可达1万bps（电导钻杆ElectricDrillpipe）、10万bps（导线式智能钻杆，wiredIntellipipe）和100万bps（光纤式智能钻杆，Intellipipewithfibreopticcables），最大已达200万bps。,26,GRANTPRIDECO公司除了自己研究之外，1999年与多家公司（Chevron、Phillips、Exxon、Arco、BP-Amoco、GlobalMarine）联合组成一个合作工业项目组（JIP，JointIndustuyProgram）研制智能钻杆和复合材料钻杆（关于复合材料钻杆，CompositeDillpipe,另文阐述）。进行了卓有成效的设计、制造、试验和评价工作，有重大突破（可参阅2003年2月SPE年会公开发表的论文等），这都值得我们借鉴。,27,4智能钻柱及可选择性使用的井下硬件,用图9、10、11、12说明。,28,29,图10LayoutofDWDmeasurementsub随钻诊断测量短节示意图,30,图11ComparisonofsurfaceanddownholeWOBmeasurements地面钻压和井底钻压的对比,31,图12ComparisonofsurfaceanddownholeTOBmeasurements钻头的地面测量扭矩和井底测量扭矩的对比,32,5智能钻井主要功能与优点,由地面向井下供给电能，不必再向井下使用电池或涡轮发电机等；可以改进井下工具（如：LWD、旋转导向钻井工具等）的结构提高它们的性能，还可以缩短它们的长度，有利于实现“近钻头安置”;,33,能应用于各种钻井流体中并在地面与井下之间实现双向、双工闭环信息的超高传输速率（104bps以上），彻底解决了现用技术存在的信息传输滞后的问题，也解决了气体钻井和含气钻井液的随钻测量随钻传输的问题;,34,能随钻实时由井下向地面传输地质类、井身轨道类、钻井工程参数类和井下动态诊断类共计4050个（以后还可能更多）实时参数，从而极大地发挥了随钻测井、地质导向、随钻优化和随钻诊断等方面目前已经研发成功的先进技术与装备的作用，而不必因传输能力受限而限用它们，也不必采用分时传输和压缩数据等应变方法。这也解决了随钻上传与下传信息互不干扰的难题;,35,随钻把钻井、测井、录井等作业实时集成起来，并予以智能化同步处理。智能钻井的随钻测井简化了作业程序，提高了自动化程度，提高了时效，实时优化智能分析，钻井综合成本降低5%-20%。可取代常规电缆测井作业;,36,随钻实时诊断、识别、决策、控制井下动态复杂情况，随钻在井场及钻台直接与管理指挥层交流。实现地层可视化、井眼及钻柱系统可视化、井内流体及其流动状况可视化、井身轨迹可视化、可随钻监控井下隐患的动态变化分析排除复杂情况，降低风险，确保钻井安全，减少乃至消除钻井事故。（例如：在高压气层，特别是高含硫气层钻进时可以随钻实时监视井下有无气侵及气侵程度是否达到井底井喷、井口井涌溢流等临界状况，从而给作业者实时进行科学决策和控制提供依据，并能把事故及时消灭在萌芽状态；再例如对井下的漏喷塌卡斜和井身轨迹的偏差状况都能随钻监视实时处理等等）;,37,在智能钻柱中分布安置传感器实测不同工况下钻柱受力状况，为钻柱力学和钻具磨损等研究以及钻具寿命和钻柱设计方面提供重要依据;智能钻柱是研究油井管最新技术、新课题的重要手段。例如：试验研究套管钻井、膨胀管技术、多分支井专用工具等，可随钻进行其力学行为与工况的跟踪实测与分析，为研发工作提供科学依据;这套技术与膨胀管柔性连续管等项目的研发有关。,38,实时诊断判断井下复杂情况，可安全钻进；实时钻台显示及可视化；实时智能决策、实时智能控制；（管串）钻柱受力实测，为钻柱力学和钻柱设计提供依据；（管串）钻柱磨损、损坏、寿命的研究；,39,研究油井管新科研项目的重要手段与方法：如试验研究套管钻井，可随钻进行其力学行为与状况的跟踪实测、研究如试验研究膨胀套管，可随钻进行其力学行为与状况的跟踪实测、研究如试验研究柔性连续管，可随钻进行其力学行为与状况的跟踪实测、研究,40,智能钻井概念已有较长历史。80年代应用MWD技术以来，形成了基于泥浆脉冲的随钻测量技术，。第一代智能钻井集成了现代等先进技术到石油钻井主流技术中来。,讯,自,计,仪,电,机,智能钻井的发展,第一代智能钻井技术,经过近30年的积累已发展形成了第一代智能钻井技术，这是当前在用的钻井先进和主流技术之一，可能还将继续发展应用几十年。第一代智能钻井技术已经用非常有限的数据传输技术和井下电池、涡轮发电机供电的条件，取得了某些异乎寻常的成就。,41,第一代智能钻井技术,但是MWD本身的若干弱点却成为制约智能钻井技术的致命“瓶颈”。这些问题主要是：信息上传传输速率只有10bps左右，信息延迟到达地面时间较长，MWD信息下传技术很不成熟而且形不成闭环，泥浆脉冲传输的信息量极其有限，目前最多只能同时传输7、8个信息，泥浆脉冲信息在气体（和含气泥浆）钻井时失效，不能用于气体欠平衡钻井（UBD），限制了UBD的发展与应用。这些技术问题和瓶颈弱点以及快速发展起来的LWD，PWD，GST，RST等技术因MWD的限制，必须寻求新一代井下有线传输技术。,42,传统数据传输传输速率10bps上传参数8个下传指令3个钻井液体含气量3%不能用气体欠平衡钻井,瓶颈,变排量脉冲下传指令,地面录井、测井,GST:LWD、PWDDDSRST随钻井下测控技术井下用电：电池或井下涡轮发电,随钻测量参数上传,现代数据传输上传速率2Mbps上传参数数十个且不受外部环境干扰,43,第二代智能钻井技术,针对上述瓶颈问题，近年先后研究了多种有线传输技术及其测控工具。目前比较成熟和开始试用的是智能电子钻柱。智能钻井应配备先进的电驱钻机和装备。智能钻井系统包括：具备遥传数据和向井下送电双重功能的智能钻柱系统，地面电源与电子监控装备和井下电控工具三大部分。,44,第二代智能钻井技术,在钻柱中嵌装植入多芯铜导线，建立起从地面向井下连续输送强电电力并同时建立起多参数双向双工闭环信息系统。,45,第二代智能钻井技术,传输速率高达11042106bps，不受钻井流体类型和性能的影响与限制，还可与局域网/因特网连接，形成井下与地面及远程控制的立体网络系统。,46,第二代智能钻井技术,创造性地实现了基于电子钻柱的第二代智能钻井技术。它在更大范围内更加全面地把石油钻井随钻实时信息的采集、传输、处理、应用提高到崭新水平。,47,第二代智能钻井技术,它还能把快速发展起来的LWD、PWD、SWD、NRWD、GST、RST、DDS等井下随钻测控工具和可与之配套的智能钻头、井下安全工具（井下防喷阀、震击器、减震降阻器等）、井下动态诊断（漏喷塌卡斜）工具、井下工程参数（p、n、t）测控工具，钻柱分布式测力短节等系列化选择性电控仪表工具，有效地集成使用,48,第二代智能钻井技术,实现随钻测控和随钻计算、贮存、随钻传输，特别是随钻建模功能，把实时数据纳入其油藏与工程模型中，有效解决技术难题和促成超越极限。,49,底水,油底,油层,夹层,油层,油顶,气顶,盖层,标志层,岩心录井岩屑录井泥浆录井综合录井钻进录井,地质预告,实钻深度,实外剖面,钻头指标,(进尺-时间)/钻速,钻柱(分布式)传感器测力(拉压弯扭震)DDS短节,钻进液参数Q、P泵、P环、ECD(实时钻井液当量密度),钻头工作参数(井底钻压、井底转速、井底扭矩、弯矩、纵横加速度),旋转导向工具(井斜角、方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率),PWD(P井底孔隙压力、气体含量、气体成份、P破裂)、Tc,LWD(、N-D、方位)、井径、NRWR,防喷阀,减震器,震动器,推进器,反循环泵,近钻头测斜,SWD,指令,电力,实时信息,随钻测量信号,实钻三维井眼轨迹,实时井下压力剖面,随钻气测,井底扭矩,井底钻压,钻速/钻时,邻井、地区、井史,数据库,知识库,专家系统,管理服务系统,随钻实时确定实际地质剖面,实时决策待钻井段轨迹三维井轨可视化(旋转平移),随钻动态诊断井下复杂情况,钻进过程优化参数,调控ECD随钻井控,随钻确定套管鞋位置,其它,塌,斜,漏,卡,卡,塌,硬,喷,漏,喷,孔,ECD,密度窗口,VC,进尺,智能钻井原理与功能示意图,随钻测井,50,井下测量系统,电阻率、近钻头电阻率、自然伽马、方位密度、补尝中子密度、中子间隙度、声波,井斜角、方位角、工具面角、井斜变化率、方位变化率、方位变化率等,井底钻压、井底转速、井底扭矩、井底温度、井底压力、钻杆内压等,地质参数,轨迹参数,钻进参数,评价参数,钻柱弯矩、钻柱振动、钻柱扭振、钻头磨损、井径、机械转速等,井下数据监测,A/D转换换算标定校正,井下数据信号处理,格式变换低频滤波付立叶变换计算转换集成平均值量化分级,地面测量,综合录井泥浆录井,随钻动态建模,随钻实时确定地质条件,导向控制决策分析及可视化控制,EPROM存储器（井下存储）,钻井过程优化决策和智能决策,随钻动态诊断与预报钻井复杂情况,BHA、导向工具、钻头力学行为分析,智能钻柱,决策控制指令,井下执行系统,智能钻头导向工具电动钻具,信号下传,数据库知识库专家系统,智能钻柱,信号上传,智能SOD总体结构设计,ThearchitecturediagramofSODsystem,51,第二代智能钻井技术的电子钻柱,对接式电子钻柱由钻杆本体和对接式电接头组成，在钻杆本体与电接头中植入多芯的铜导线，多芯电导线在钻柱中连续贯通，它既可以从地面向井下传送强电电力又可建立双向双工闭环信息通道。,三种结构,52,感应式电子钻柱由钻杆本体和感应线圈电接头组成，它不能传送电力，只能传输信号，且由于感应线圈的发射与接收信号易衰减，不仅要加用放大器而且这种电子钻柱的可用长度（钻井深度）受限。,三种结构,53,连续软管（CT）在连续软管（CT）中植入铜（或光纤）导线，因为连续管（CT）钻井技术本身还不够成熟等原因，这种方案也不宜作为主选方案。,三种结构,54,第二代智能钻井技术的电子钻柱,第二代智能钻井技术将更全面地更高水平地实现智能化、信息化、自动化钻井。在这项技术方面，我国与世界少数几个发达国家的大石油公司及石油装备管具制造公司几乎同时起步，我国能在近年取得突破并实现工程化应用，再不断完善提升，将发展成为第二代智能钻井系列化配套技术。预计第二代智能钻井技术将发展成为今后的钻井主流技术。,55,未来智能钻井技术的其他研究方向,随着世界新技术革命的深化，必将不断推动石油钻井和石油科技的更大进步。,国内已有人研究并提出了基于连续管和井下智能机器人的智能钻井集成化新技术。,56,未来智能钻井技术的其他研究方向,它将集成使用电子连续管及其配套装备、高智能机器人、井下闭环电子智能控制和信息系统，微机械电子技术及其软硬件，如纳米级新型电路和纳米电子器件、纳米光纤电缆、超微电机、神经计算机、智能通信网络系统等新技术。预计这一步研究计划从起步到钻井工程应用，可能需要更长的时间，它或许可能成为未来第三代智能钻井技术。,57,研究思路,笔者认为当前智能钻井的研究路线宜在不断提升发展第一代智能钻井技术的同时，重点研发第二代智能钻井技术，以第二代智能钻井技术为重点和主体，一方面不断吸收第一代智能钻井技术的成果，另一方面随时融入第三代智能钻井技术的单项成熟技术。,58,智能钻井的基本理论与基本技术,智能钻井的基本理论是通过建立井下与地面之间的井下有供电保证的宽带闭环高速信息公路以双向双工闭环系统来解决钻井工程的“黑箱”难题，随钻监控钻井对象（地层、储层）和井下实时工况，实现准确、透明、可视、可控作业。,智能钻井的基本理论,59,智能钻井基本理论-运用黑箱理论与方法随钻实时采集、处理、决策、执行和控制闭环连续反馈、随钻智能化解决诸多不确定性难题。,岩性、储层、井轨、工况不确定性，非数值化,黑箱,信息输入,信息输出,连续反馈,井下采集,井下执行,分析处理决策与指令,连续反馈,下传ID,下传,上传,ID,ID,第一代智能钻井存在瓶颈:无线MWD跟不上快速发展的随钻测控技术传输参数少、传输速率低、下传MWD不完善、钻井液性能受限。,60,智能钻井的基本理论与基本技术,在地面用传统和现代方法建立模糊地质模型（或地质设计）和工程模型（或工程设计）的基础上，充分依据并科学利用随钻测量采集到的井下地质与工程众多实时参数（而且是有目的地设置的参数）与信息，几乎是零时差快速有效地传输到井下CPU和地面信息处理中心的计算机进行处理，形成更符合井下实况的实时智能随钻模型与实时决策技术参数。,智能钻井的原理,61,智能钻井的基本理论与基本技术,再随钻快速下达各种控制井底测控执行工具的实时指令，使井下测控执行工具准确动作，再反馈信息进行第二轮测量采集，这样连续实现“测量采集处理决策控制执行再测量采集再处理决策再控制执行”如此连续进行，最终达到智能钻井的目标。,智能钻井的原理,62,智能钻井的基本理论与基本技术,电力在井口配有强电电源和带有导电滑环结构的顶驱装置或电龙头等，通过智能钻柱向井下传输电力，电力线损耗小、发热少、对信号干扰小并满足井下测控工具用电要求。,智能钻井的基本技术,63,智能钻井的基本理论与基本技术,电信传输信号线是有供电保证的宽带闭环信息通道，信号传输速率高，损耗与干扰小信号稳定。,智能钻井的基本技术,64,智能钻井的基本理论与基本技术,传感测控单元在智能钻柱下部组装的随钻测井工具和各类电控智能工具中安装有各种高端电传感器，（如地层电阻率、岩性特征测量探头伽玛、中子-密度探头N-D，声波探头S、核磁共振探头NR、地层孔隙压力传感器P、井斜角、方位角和导向工具的工具面角，钻头井底钻压Pb、井底转数n、井底扭矩Tb、钻柱不同截面处的测力传感器等等,视钻井需求可多达30-40个传感器。,智能钻井的基本技术,65,智能钻井的基本技术,这些测控工具不再用井下电池和涡轮发电机，从而缩短了工具长度，更能实现近钻头测量的效率。传感器所测量的信息通过数据有线传输法的信号线，用串行总线等方式实时传输到地面。在地面通过网络协议软件及顶驱服务器把信号分开或集成并传输到信息中心进行处理、解释、应用。,66,智能钻井的基本技术,这样，通过随钻采集并经过处理后准确得到真实的地层剖面完整资料。主要包括：地层岩性和深度、储层特性及标志层、气顶、油层、夹层、油底、底水水层等岩性及其深度、地层流体深度和流体压力、流体性质、实钻三维井身轨迹、钻柱及其各组配件与钻头的实时工况、井下钻井动态工况等。,67,智能钻井的基本技术,这些实时信息被高速传输到地面后并与地震、SWD、测井、工程录井等方法及数据库中的信息进行必要的综合分析与整合集成，运用软件对这些不同时空采集并具有不同特征（时变的与非时变的、实时的与非实时的、模糊的或确定的、相互支持或彼此冲突的等等）信息的相关关系及其融合性加以研究，解释处理得出待钻井段优化的技术参数及决策措施。,68,智能钻井的基本技术,从而发出相应的下传指令再通过智能钻柱信号线控制井下各种有关智能电控工具的执行机构，使井下每个智能执行机构及时准确地动作，甚至可在井下相关执行机构之间传送收发信号以协调与控制它们之间的动作，从而减免风险，安全可靠、准确快速、高效优质地完成智能钻井的任务，并兼收环保、节能、降低成本等综合效益。,69,智能钻井的基本理论与基本技术,智能钻柱是智能钻井的必要手段与关键技术;智能动态模型及相应软件是技术关键;高端传感器的功能与质量是关键技术;钻井是主流技术，要实现多方技术与之集成。,技术关键,70,基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术,正在研发的对接式电接头电子钻柱，是在钻杆本体植入多芯铜导线，并在铜导线周围敷以绝缘材料构成在钻杆内壁的环形的复合层内的电子通道。电接头是双锥体双台肩结构，由电接头的第一锥体承受力学载荷，第二锥体内植入由绝缘材料和密封材料屏蔽和包裹的多芯铜导线。公母接头对扣后，强弱电路均导通。,对接式电接头电子钻柱,71,对接式电接头电子钻柱,研究目标自主研发国内首创对接式智能钻柱（电子钻柱）形成基于电子钻柱的智能钻井先导性试验建立研发基地（第一步）；建立完整的智能钻井理论与配套工程应用技术实现工程化、产业化（第二步）并可持续发展实现商业化（第三步）。,72,对接式电接头电子钻柱,主要研究专题专题1.智能钻柱与智能钻井的原理、理论、用途、功能、优点、市场、需求、产业化前景论证（预测）建立地面向井下供电并双向通信的电通道并与Internet等形成立体网络，并用机电仪一体化专用软硬件实现信息化、智能化、自动化的智能钻井系统。专题2.双芯“二合一”方案选择、可行性论证与结构设计导线与信号线“二合一”的双芯扁导线电子钻柱，对使用三相交流电或直流电的选择