基于非饱和Biot-Stoll模型的海底沉积物介质声频散特性研究

利用含气非饱和Biot-Stoll模型研究了声波在海底表层沉积物介质中的传播,讨论了骨架耗散、含气饱和度对快纵波、慢纵波和横波速度和衰减的影响,并与Biot模型的结果进行了对比.研究结果表明:孔隙流体黏滞耗散与骨架耗散共同影响声波传播速度和衰减,低频情况下骨架耗散引起的衰减占主要地位,高频情况下骨架耗散引起的衰减较小;少量气体(<1%)的引入显著改变了快纵波速度,气体含量的变化对快纵波衰减影响很大,低频情况下气体对慢纵波速度的影响不大,而对横波速度的影响较大,气体含量的变化对慢纵波和横波衰减影响较小.利用超声波测量系统测量了一例杭州湾海底沉积物样品的纵波速度和衰减,当含气量趋近0%时,Biot-Stoll模型预测的纵波速度和实验测量结果较为一致.

井筒微芯片示踪器研制

为了快速检测钻井过程中的井筒压力和温度分布,从而对井涌、井漏和钻具磨损等各类井下故障进行判断和预测,进行了微芯片示踪器研究攻关。采用微型化采集技术、高效电源管理技术和高温高压封装技术,设计研制了小尺寸、低功耗井下数据采集系统——微芯片示踪器样机。该示踪器连续投放到循环的钻井液中,可以快速采集井筒中的压力和温度数据,获得井筒温度、压力分布剖面。微芯片示踪器原理样机直径只有20mm,地面测试表明,该样机可连续采集到养护釜中100℃以下的温度变化,以及20MPa以下的压力变化。这表明,利用微芯片示踪器可以采集到井筒中的压力和温度数据,建立井筒压力和温度分布剖面。

钻铤结构对随钻声波测井响应的影响

为了有效提取随钻声波测井时的地层声波信息,采用有限差分法和时间慢度相关分析法,研究了钻铤外径、钻铤内径、钻铤内部变径和钻铤外壁刻槽等因素对钻铤波传播的影响。模拟计算结果显示,钻铤外半径变大时,即钻铤外壁和井壁的间隙较小时,接收波形里没有地层横波;钻铤内半径变小时,钻铤波、地层横波和斯通利波幅度变化不大,但是当钻铤壁厚变薄时斯通利波幅度明显增大;钻铤内变径对钻铤波幅度的影响,主要取决于声源频率是否在钻铤固有阻带频率范围内;钻铤外壁刻槽后,钻铤波幅度变小,可以从接收波形里提取出地层纵波。研究结果表明,钻铤的内径和外径变化会对地层横波和斯通利波的接收产生影响,而钻铤的内壁和外壁形状(如刻槽)会对钻铤波的幅度产生影响,钻铤结构与随钻声波测井响应的变化关系可以为随钻声波测井仪隔声体设计和随钻声波测井资料解释提供理论依据。

井筒微芯片示踪器电源技术及现场试验

微芯片示踪器的工作性能受电源影响较大,有时在井下不能采集到完整的数据,为此,设计了以可充电锂电池为电源,采用无线充电技术给其充电的供电方案。通过充放电试验考察了无线充电过程中充电电压与送电电压、线圈对心距和充电时间的关系,以及高温环境对电池放电特性的影响。结果表明:送电电压和线圈对心距之间相互影响,送电电压较小和充电距离过大,充电电压均达不到充电要求,反之充电电压过大会导致电池被充爆;充电时间越长充电效果越好,但会增长现场作业时间,而充电时间过短又会导致电池充电不充分;锂电池高温下的放电速度比常温下快。现场入井试验结果表明,采用设计供电方案的微芯片示踪器能够采集到整个井筒的温度数据。这表明微芯片示踪器采用设计的供电方案可以解决示踪器工作性能受电源影响的问题。

随钻声波测井声系短节的研制与测试

为满足钻井过程中对地层压力实时监测和地质力学计算的需要,开展了随钻声波测量关键技术研究,研制了随钻声波测井声系短节。该短节内外径分别为57.2mm和171.0mm,采用＂一发两收＂的工作模式,发射声系安装一个单极子发射换能器,接收声系安装2个接收器,每个接收器由4个宽频接收换能器组成。发射声系和接收声系采取分离式设计,声波发射器和接收器之间的距离可以调整,接收器之间的距离固定为200mm。利用声波测量试验装置测试发现,发射声系的声波激发频率为12.92kHz,声场指向性图近似于一个椭圆,接收声系的8个接收换能器的谐振频率为30.84～33.53kHz,平均谐振频率为32.23kHz;利用该短节和随钻声波测量电路获得了试验套管井的声波全波列波形,计算得到套管的声速为5 100m/s。随钻声波测井声系短节的成功研制,为国内随钻声波测井仪器的开发提供了新的技术思路。

基于微芯片技术的全井筒压力温度采集器

针对全井筒工程参数测量的需要,设计基于微芯片示踪技术的全井筒压力温度采集器。示踪器由传感器、电子线路和封装外壳组成,系统功耗低(小于30mW),体积小(Φ16mm),重量轻(4g),测量压力达到60 MPa,测量温度达到100℃。在井筒压力温度采集过程中,示踪器被投入井筒内,浮在钻井液里并随钻井液运动,最后从井筒底部返回地面,在这一循环过程中,示踪器连续采集井筒中流体的压力和温度。作为一种可扩展的随钻测量平台,示踪器可以为钻井工程、井漏识别、压裂作业、井下高速数据传输等领域提供服务。

基于MSP430的微芯片示踪器电路系统

针对钻井工程需求,设计了一种基于MSP430G2553的微芯片示踪器电路系统,可以用于温度和压力的随钻测量。采用MSP430G2553作为总控制器,并利用控制器片上A/D转换器、Flash存储器和振荡器,实现数据采集、处理和存储;压阻式压力传感器EPB直径仅为3.2 mm,温度传感器LM75集成了传感器和模数转换器,温度数据读取方便。系统设计紧凑、性能稳定、体积小和功耗低,并具有较高的耐温性能。

一种微芯片示踪器录井方法研究

针对钻井工程参数实时测量和快速传输的需要,探索一种微芯片示踪器录井方法。对微型传感器技术、无线射频技术和无线充电技术进行了研究,采用微型化的设计思路,开发出集测量、采集、存储和传输一体化的微芯片示踪器。该仪器直径7.5 mm,由微型温度传感器和压力传感器、微尺寸采集控制电路和微型电池等部件组成,部件外面用环氧树脂材料包敷密封,测量温度可以达到100℃,测量压力可以达到70 MPa。通过对微芯片示踪器井深定位问题进行探讨,提出基于井筒参数和磁定位估算井深的方法。微芯片示踪器是一种随钻测量平台,兼具钻井、测井和录井等仪器的功能,在钻井工程、录井工程、压裂作业等领域有着广泛的应用前景。

基于IRIG-A码输出的超小型GPS时钟设计

IRIG码是一种通用的国际标准传输码,广泛应用于时统设备之间的时间通信。本时钟设计采用微控制器,依据GPS时钟信号对本地晶振进行频率测量,根据测量结果实时调整时间单元的匹配计数值和控制IRIG时间码的输出;同时微控制器内部建立一张实时的温度频率表,以供在GPS失步的情况下使用。该系统具有体积小、自适应处理能力强的特点。

随钻声波测井技术发展现状

文章介绍了随钻声波测井理论和仪器。经过二十多年的发展,已经形成了单极子、多极子和偏心声源测井技术,不仅能够实现快慢地层的纵横波速度测量,而且能够实现方位声波的测量。随钻声波数据处理的难点在于解决钻井噪声和仪器偏心对地层信号的影响,旋转叠加技术提供了一种消除噪声影响的途径。随钻声波测井仪研制需要解决的关键技术包括,声波换能器、隔声体和井下电路的设计,其中声波换能器和隔声体的设计至关重要。随钻声波测井技术代表了未来声波测井的发展趋势,具有广泛的应用前景。

随钻一体化测井仪平台开发

为了满足多深度探测评价钻井液侵入和识别地层岩性的需要,开发了具有电阻率、伽马等多参数测量功能的随钻一体化测井仪平台。基于相移电阻率、衰减电阻率、总量伽马和成像伽马等测量方法,采用六发两收的八线圈系设计方案,挂接了伽马探管、加速度计和磁通门等传感器,同时采用了由发射电路、接收电路和控制电路组成的模块化电路设计方案,并定义了总线通讯协议,建立起了各功能模块之间的信息传递。开发了测井仪平台的固件程序,不仅能够测量相移电阻率和衰减电阻率数据,还能够测量伽马数据和地层方位信息;开发了平台测试软件,能够对仪器进行标定测试及下井前的启动设置,实现仪器控制指令的下发,测量数据的上传,并对电阻率、伽马、井斜角和工具面等数据进行监测和图形化处理。研制的随钻一体化测井仪平台可以为大斜度井和水平井钻井提供丰富的、高质量的测井数据,为地层评价提供所需要的数据,从而为非常规油气储层开发提供技术支持。

高精度微距超声波测距系统

根据超声波测距原理和井径测量对测距的要求,在基本超声波测距原理基础上,设计实现了一种低盲区、低功耗、高精度、小尺寸的超声测距系统。通过采用增益可编程的反射波信号检测方法,进行多次的增益校正,使得首个反射波信号前沿被比较器扑捉到。通过计量发射波时刻到首个反射波信号前沿的时间可以计算出高精度的距离值。实验结果表明,采用1 MHz谐振频率的超声波换能器,发射功率100 mW,距离测量精度为±1 mm,测量盲区为25 mm.

随钻声波测井声系短节模拟样机试验研究

针对随钻声波测井中换能器技术及装配的难题,研制了随钻声波测井声系短节模拟样机,基于随钻单极声波测井理论,以指向性、接收响应、单极测量功能等3个指标评价了声系短节及各组成部分的性能及特性。结果表明:发射声系以单极发射向外辐射的声场具有一定的周向均匀性,其指向性接近于一个圆,可组成单极声波发射器;接收器的接收灵敏度均值在-208.0dB附近,偏差在2.0dB以内,接收响应一致性良好,可组合相加接收单极声波信号;以单极测量功能进行的模型井整机联调试验获得了套管井波列,提取的套管波传播速度为5 245.6m/s,相对误差小于3.0%。这表明随钻声波测井声系短节具有单极发射、单极接收的测量功能,可用于模拟随钻单极声波测井,为随钻声波测井仪的研制提供试验数据。

井筒微芯片示踪器的深度定位研究

针对微芯片示踪器只有时间信息而没有井深信息,不容易评价不同井深的温度和压力状况的问题,开展了微芯片示踪器深度定位方法研究。分析了时间分配法和速度定位法的特点,根据井筒物理参数、钻井液参数和微芯片示踪器参数,计算钻井液在环空内的上返速度,以及微芯片示踪器在钻井液内的下沉速度,从而获得微芯片示踪器在不同井段内的上返速度或者上返时间。提出了速度解算法的微芯片示踪器深度定位方法,把微芯片示踪器下沉速度的计算归为一元多次方程的求解,最大程度地降低了由于输入参数不准而导致的计算偏差。开展了1口浅井和1口深井的微芯片示踪器入井试验,微芯片示踪器均测量到了井筒的温度数据,通过深度定位方法得到了这2口井不同深度点对应的温度。由于对钻井液性能参数估算不准,利用速度定位法计算的微芯片示踪器在浅井的运动速度偏低,而在深井的运动速度偏高,获得的微芯片示踪器的井深信息不准。研究结果表明,利用时间分配法和速度解算法等深度定位方法能够获得微芯片示踪器的井深信息,从而能够用微芯片示踪器准确评价不同井深的温度和压力状况,对于智能钻井技术具有重要意义。

含岩屑砂岩储层“甜点”测井评价技术难点与对策

含岩屑砂岩矿物成分复杂多样,多种矿物成分改变了测井曲线信号响应规律,使得流体识别困难。为此,作为宏微尺度的桥梁,从两方面对此类砂岩的测井评价技术进行了研究:一是流体定性判别研究,建立岩石薄片刻度测井曲线方法,研究“甜点”的测井响应特征,形成“甜点”测井敏感信号的提取与放大技术;二是储层定量评价研究,探索多矿物储层的孔隙度混合骨架值的确定,建立基于电阻率的变m值饱和度计算方法,以期实现复杂矿物储层饱和度的精确计算和含岩屑砂岩储层的精确评价。将上述研究结果应用于大牛地气田上古生界地层,结果表明,计算的孔隙度、饱和度与岩心实验分析结果一致,解释结果经试油验证准确可靠,为此类储层的系统测井评价提供了分析依据。

基于有限差分法和伪谱法的井孔声场数值模拟

为模拟径向分层的井孔声场,对有限差分法和伪谱法混合算法的原理和特点进行研究,用混合算法重写质点速度和应力的一阶偏微分方程组。通过实例计算,验证该方法的可靠性,在对具有分层界面的地质模型进行声场模拟时具有相当的计算精度。用混合算法对轴对称井孔声场进行了模拟,讨论井径变化和井外地层岩性变化对井孔声场的影响,计算结果可为声波测井仪器研制和数据分析提供理论指导。

随钻单极子声波测井模式优化及远探测

针对非均匀性地层地质力学评价和地质导向钻井的需要,研究了随钻单极子声波的方位特性和反射声场特征,并研制了随钻声波测量装置。建立了不同方向速度模型井和反射声场模型,数值模拟了两个模型的单极子声波传播特征,使用单极子声源发射和偏极子接收器接收的测量模式,分别获得了波速周向变化图和反射波的方位特征。模拟结果表明,纵波对地层方位特性更容易提取和观测,反射波具有一定方位性。在水池里开展了随钻单极子声波远探测实验,利用反射波能够准确测量到1.00 m、3.00 m、5.00 m和7.00 m的反射界面距离,实验证明,在合适尺度范围内进行声波远探测是可行的。研究结果表明,随钻单极子声波测井技术在测量模式上进行适当的改进,对测井数据进行适当的处理,则这项技术既可以用于近井壁地层的非均匀性分析,又可以用于远井壁地层的界面探测,从而在随钻测井评价和钻井高效施工等方面发挥更大的作用。

用于随钻声波测井的圆弧片状压电振子

提出了应用于随钻声波测井的圆弧片状压电振子,并以自制的4个压电振子进行了性能评价实验研究。压电振子是由径向极化且内外表面镀有银层的圆弧形压电陶瓷片构成,采用内外包覆环氧树脂进行封装。对压电振子的性能评价测试结果的分析表明,一定频带内压电振子存在多种振动模态,其中以径向振动为主的耦合振动模式能够满足随钻声波测井工作频率和大功率发射的要求。压电振子辐射的声束主要以一定的角宽向某一方位方向传播,具有方位指向特性。组成复合换能器的4个压电振子的性能特性一致性良好,可应用于随钻声波测井实现单极子、偶极子和四极子辐射器。

便携式岩屑声波录井系统研制与测试

为了在钻井过程中实时测量所钻地层的声波速度,在研究岩屑声波录井方法的基础上,研制了高精度的便携式岩屑声波录井系统。设计岩屑声波录井系统时,采用了具有脉冲发生器和示波器功能的一体化电路,并研制了能够快速读取、存储波形数据的软件示波器;采用了超声波透射法,通过超声波探头发射1 MHz频率的超声波,测量声波穿过岩屑样品的纵波速度和横波速度。对该系统进行了实验室比对和实钻井偶极子声波测井比对测试,结果表明,声波速度测量精度大于98.0%、岩屑声波和电缆声波数据一致性大于80.0%。利用该系统不仅可以随钻监测地层异常压力,还可以实时评价岩石的脆性、可压性、可钻性和井壁稳定性。

旋转导向推靠控制系统研发及实验

为了研制推靠式旋转导向工具,研发了一套推靠控制系统。该系统由单总线电路、非接触单元、测量单元、液压单元和主控电路五部分组成,能通过单总线接收电能并与井下中控双向通信,基于电磁感应原理实现旋转部分与非旋转部分之间的非接触电能传输与信号传输,按照地面系统下传的指令利用力矢量分解原理计算三个翼肋油缸液压力大小,使用压力传感器测量翼肋油缸中的实际液压力并对液压力进行闭环控制。对研制的推靠控制系统进行了初步实验,验证了该系统的电能信号传输功能、推靠控制功能、耐高温及抗振性能等。研制的推靠控制系统达到设计目的,满足进一步实验的需求。