基于TDCSO优化CNN-Bi-LSTM网络的井底钻压预测方法

为了准确预测井底钻压,提高钻井效率、降低钻井成本,建立了融合双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)和卷积神经网络(CNN)的混合模型。采用三角函数驱动的粒子群优化(TDCSO)方法对模型进行超参数优化,以提高预测钻压的精度;采用美国犹他州FORGE 58-32井和FORGE 58-62井的2个公开数据集对建立的模型进行验证,并采用平均绝对误差、均方根误差、决定系数和均方误差等指标进行模型性能评估。研究结果表明,所提出TDCSO-CNN-Bi-LSTM模型平均绝对误差、均方误差和均方根误差等3个关键性能指标较好,其中决定系数大于0.980,明显优于现有的LSTM、GRU、CNN-LSTM、CNN-Bi-LSTM等方法。研究表明,所提出的TDCSO-CNN-Bi-LSTM模型在井底钻压预测方面具有出色的准确性,能够实现实时监测,并与自动钻进系统集成,实现对钻压的精准控制,不仅提高了钻井效率,还降低了钻井成本,对未来的钻井作业具有重要的实际应用价值。

近钻头钻压和扭矩的高精度温度补偿方法

获取近钻头工程参数对于钻井安全生产具有十分重要的意义。随着技术的发展,地面间接测量技术已无法满足实际钻井需求,通过井下直接测量的方式获取实时的钻压扭矩等参数是当前主要研究方向。为此,根据应变测量原理,提出了井下钻压扭矩参数测量的应变片粘贴方案和电桥测量方案。试验研究表明,机械结构自身的应变与外载之间存在非线性关系,并且在高温环境下非线性误差更加突出。为了提高测量数据的精度,通过简化温度、压力和电桥输出电压之间的关系,建立数学模型,利用耦合多项式变换矩阵对机械结构自身引起的变形误差进行软件补偿。试验结果表明,该方法使直接计算应变片受力的平均绝对误差从2.14033 kPa降低为0.27739 kPa,降低了约87%。该方法有效地减小了测量近钻头钻压和扭矩的误差。

随钻扩眼钻压分配规律的试验研究

随钻扩眼钻井技术可在全面钻进的同时实现裸眼井段的扩径,能有效减少起下钻次数、提高钻井效率。随钻扩眼过程中领眼钻头和扩眼器上钻压、扭矩的分配与地层岩石性质、钻井参数、钻具结构等多种因素有关,因此提出能反映实际随钻扩眼过程的理论或试验方案是钻压分配规律研究的关键。为了在室内试验环境下模拟实际随钻扩眼过程,设计并进行了全尺寸随钻扩眼破岩试验。设计加工了ø215.9 mm PDC领眼钻头和扩眼直径可调(242、260 mm)的试验用扩眼器,在钻头试验台架上进行了全尺寸破岩试验,研究了随钻扩眼过程中的钻压分配规律及其受岩石类型、钻压、转速及扩眼直径的影响。试验结果表明:钻压比和扭矩比随总钻压的增大而增大,随岩石强度的减小而增大,但基本不受钻速的影响;扩眼器刀翼切削区域攻击性越强,相应的钻压比越大。所得结论可为随钻扩眼作业的钻井参数和钻具组合优化提供依据。

轻便式气囊隔离随钻压水试验器的研制与应用

水利水电工程勘察中,经常要进行钻孔压水试验。为提高压水试验效率,研发了一种可配合绳索取心钻具使用的轻便式气囊隔离随钻压水试验器。试验过程中,在不全部提钻的情况下,从绳索取心钻杆内快速下入试验器,通过使用橡胶气囊及气水分流的手段进行钻孔压水试验。本文对其工作原理、结构组成和关键技术进行了详细介绍,并在云南某水电工程项目上进行了现场试验。结果表明,采用该试验器结构简单,可靠性高,制造成本低,试验过程中可显著降低劳动强度、提高生产效率,且可根据实际需要制作成Ø75 mm、Ø91 mm等多种规格,与绳索取心钻进做压水试验配套使用,从而解决绳索取心技术在水利水电行业的推广难题。

多级变径随钻扩眼器研制及刀翼受力与钻压分配分析

深层小井眼采用随钻扩眼器进行扩眼作业时存在井眼缩径、固井质量差和卡钻频繁等问题。为解决该问题,基于随钻扩眼器基本结构和工作原理,采用新型变径结构,研制了一种多级变径随钻扩眼器;建立了随钻扩眼尺寸与主动活塞轴向位移之间的函数关系,并分析了扩眼器刀翼的受力情况;采用双因素计算方法分析了该扩眼器的钻压分配情况,得到了随钻扩眼器钻压分配比对扩眼尺寸、钻具锐度及地层抗压强度的影响规律。分析得知,随钻扩眼器的钻压分配比与钻遇地层抗压强度、扩眼尺寸呈正比,与扩眼器锐度呈反比,该扩眼器的理论井径扩大率为7%~20%。研究认为:对随钻扩眼器进行钻压分配分析,可以指导扩眼器的设计及领眼钻头的选型;研制的多级变径随钻扩眼器为提高扩眼效率提供了技术支撑。

基于遗传优化算法的井底钻压智能预测模型

准确的井底钻压是提高钻井效率的重要因素。近年来,越来越多研究表明,智能技术是准确预测目标值的有效途径,结合反向传播(Back Propagation,BP)神经网络和长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM),并将单一的BP与LSTM模型和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)相结合,建立了4种井底钻压智能预测模型(BP、LSTM、GA-BP与GA-LSTM模型)。通过实验论证,遗传算法在一定程度上起到了优化作用,表现出更高的预测精度、更好的鲁棒性与预测趋势、更快的预测时间。GA-LSTM与GA-BP比单一LSTM与BP模型的平均相对误差分别降低了40.13%和47.11%,并且预测时间分别缩短了12.6倍和9.3倍。其中综合考虑各方面性能可选取GA-LSTM作为井底钻压最优智能预测模型,应用于钻压实时监控或与常规的自动送钻系统结合从而实现对井底钻压的准确控制,提高钻井效率与钻头性能,降低钻井成本。

基于机器学习的水平孔绳索取心钻进钻压预测模型

小直径水平孔绳索取心钻探在隧道勘察等领域有着十分重要的应用,在进行长水平孔钻进时,由于钻柱的弱刚度特性及孔内强大摩阻的作用,钻压及扭矩损失严重,导致钻进效率低下,且极易发生卡钻等事故,因此及时掌握扭矩及孔底钻压状态从而调整钻进参数显得尤为必要。长水平孔钻进时,孔底钻压直接测量难度较大,机器学习算法的发展使得孔底钻压预测成为可能。因此,笔者首先基于相似原理构建了水平孔模拟钻进平台.

基于特征粒径理论的镶齿滚刀最优钻压分析

为解决反井钻机钻压与地层快速匹配问题,首先基于岩石破碎能量理论和岩碴Rosin-Rammler分布机理,通过理论分析证明盖克相似说下特征粒径与钻压呈高斯函数关系,邦德裂纹说和黎金格新表面说下特征粒径均与钻压呈二次函数的倒数关系,由此得到通过岩碴分析镶齿滚刀最优钻压的特征粒径理论。而后通过六排镐形镶齿滚刀的直线破岩试验,验证了特征粒径理论,证明盖克相似说和邦德裂纹说下特征粒径理论在分析六排镐形镶齿滚刀时具有较好的适用性,通过以上两种方法得到的特征粒径最大时的钻压,即为最小比能法得到的最优钻压。为了提高邦德裂纹说下特征粒径理论的拟合精度,也能使用高斯函数进行拟合。最后,将特征粒径理论应用于白鹤滩溜渣井工程,验证其在反井施工现场的适用性。

恒钻压钻井工具设计与试验研究

随着油田开发的不断深入,井身轨迹越来越复杂,定向托压问题日益严重,托压频繁释放导致钻头钻压剧烈波动,造成定向工具面不稳,定向钻进困难,降低了钻进速度,严重影响了钻井施工效率。为解决上述问题,文章设计了一种恒钻压钻井工具,该工具有“液力加压+液压阻尼+弹性储能”多重作用机构,保证在作用范围内,其上方钻具处于“悬浮状态”,托压释放时产生的瞬时冲击力不会传递到钻头上,减小钻头钻压波动,进而保证工具面稳定,持续定向钻进。X1井现场应用中,工具入井140 h,纯钻进96.5 h,工具、钻头等无明显损伤,托压至100 kN以上,井下钻压记录仪器(IDD)显示当地面钻压波动较大时,而近钻头钻压波动较小,工具面能够保持稳定,有效提高了钻井施工效率,展示了良好的使用性能及应用前景。

基于主成分分析法的气田老井侧钻压裂效果主控因素分析

苏里格气田作为典型的致密砂岩气藏,老井侧钻压裂效果受多种因素影响、不确定性较强。为提升老井侧钻压裂改造效果,以苏里格气田某区块20口气井为研究对象,基于气井静态分类结果,运用主成分分析法确定影响气田老井侧钻压裂效果的主控工艺因素,并提出侧钻压裂工艺优化方向及改进措施。结果认为:不同类型气井侧钻压裂效果主控工艺因素存在明显差异,Ⅰ类气井为压裂液量、水平段长度和等效分压段数,Ⅱ类气井为水平段长度和改造工艺,Ⅲ类气井为压裂液量和改造工艺;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类气井中均存在低产低效气井;Ⅱ类气井和Ⅲ类气井的最佳改造工艺为裸眼分段压裂、裸眼封隔器分段压裂。研究结论以期为同类气藏压裂方案优化及高效开发提供参考。

水平井井底钻压波动规律的实验研究

利用水平井钻柱动力学模拟实验装置,进行了水平井井底钻压波动的模拟实验。实验结果表明:水平井井底的钻压波动为一正弦波动,其波动频率与钻柱的自转频率相等,钻压对波动频率的影响不大。水平井井底的实际钻压始终与名义钻压近似相等;随着钻压和转速的增加,水平井井底钻压的波动会变得越稳定。水平井实际钻进时,建议转速大于52.08 r/min,钻压大于90 kN。

底部钻具组合的井底实际钻压分析

将弯曲井眼中的底部钻具组合作为空间梁处理 ,采用两个力学过程模拟指重表所示的指示钻压。利用“施加”与“放松”约束的方法求解钻柱与井壁间的接触摩擦非线性问题 ,并考虑了钻柱与井壁之间摩擦力的影响。在此基础上 ,建立了对弯曲井眼中的钻柱进行井底实际钻压分析的基本方程及相应的迭代求解格式。通过数值算例和工程算例得出结论 :(1 )由于钻柱与井壁之间存在摩擦 ,井底实际钻压比指示钻压小 ,在工作钻压较大时实际钻压比指示钻压小 1 5%～4 0 % ;(2 )井眼曲率对井底实际钻压的影响较小 ,而钻柱与井壁之间的摩擦系数对实际钻压影响较大 ,因此改善钻井液性能 ,降低摩擦系数十分重要 ;(3 )随着井深的增加 ,井底实际钻压与指示钻压的差值增大 ;若井眼曲率增大 ,实际钻压减小 ,指示钻压越大 ,其减小趋势越大 ;随着摩擦系数增大 ,实际钻压减小的趋势增大。

深水海底浅层喷射钻进过程中钻压与钻速关系

深水喷射法下表层导管过程中机械钻速与地层强度、钻头结构和水力参数等因素密切相关,钻压是影响机械钻速的主要因素之一。为了研究喷射法钻进施工过程中钻压与机械钻速之间的关系,开展了一系列喷射法下导管的模拟试验,来探索喷射过程中钻压与钻速的之间影响规律。通过对大量试验数据的处理和分析,建立了适合南海白云区域海底浅层的钻压与机械钻速之间关系模型。利用建立的钻速计算模型,在白云6-1-1井进行了现场应用。利用理论模型推荐出的最佳钻压和最大机械钻速数据与实测数据吻合良好。现场应用结果表明,文中研究成果能够为海洋深水喷射法下表层导管施工提供科学依据。

微小井眼水力加压器结构设计及钻压计算

微小井眼钻进过程中,连续管的直径小、刚度低,采用传统的钻铤施加钻压不能满足钻井需要,为此设计了一种用于88.9mm井眼的微小井眼水力加压器。综合考虑井下马达、水力加压器以下钻柱与井壁的摩擦力、水力加压器运动部件与缸体内壁的摩擦力等因素对井底钻压的影响,建立了水力加压器串联在井下马达上方时井底钻压计算模型,通过对模型的求解可以得到钻井液流量、喷嘴直径与钻压关系曲线,为水力加压器在微小井眼钻进中的应用提供了理论依据。

定向井钻压传导计算方法

在定向井、水平井钻井过程中,钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导,井底钻压往往低于预定施加钻压,严重影响了钻井效率。因此,科学地进行钻压传导分析,准确地计算井底实际钻压是保证定向井快速钻井的关键。考虑钻井液对钻柱轴向力的影响,并结合定向井钻柱结构特点,分别对上部钻柱和底部钻具组合进行受力分析,建立了上部钻柱和底部钻具组合轴向力的计算方法。该方法可根据井口大钩载荷计算井底实际钻压,对于分析定向井钻压传导,指导定向井钻井施工,提高钻井效率具有重要的实际意义。

随钻扩眼工具井底钻压分配的实验研究

为了考察随钻扩眼工具钻进过程中产生的特殊结构井眼对井底钻压分配的影响,按照相似原理建立了随钻扩眼工具底部钻柱动力学特性模拟实验装置,对领眼井底与阶梯井底的钻压分配规律进行了研究。模拟实验结果表明,随钻扩眼形成的阶梯式井底岩石要比领眼井底岩石更容易破碎,实际钻压分配比小于按照几何结构定义的钻压分配比。该结果与理论模型的研究得到的结论一致。

PDC钻头的“低转速—高钻压”钻井参数模式及应用

分析PDC钻头的特性及其机械钻速与钻压和转速间的关系 ,认为钻压和转速有最佳参数组合 ;选择的使用参数 ,既要有利于保护钻头又要提高机械钻速 ,且在其推荐参数范围内。在钻头清洗和冷却充分的情况下 ,PDC钻头的工作参数范围应该是一个连续区间 ,并且 ,随着转速的增大 ,允许施加的最大钻压变小。PDC钻头的钻井参数模式除“高转速 -低钻压”模式外 ,还有“低转速 -高钻压”和“中转速 -中钻压”模式。“低转速 -高钻压”模式主要适用于钻进中硬到硬地层。在毛坝 1井中 ,成功应用了PDC钻头的“低转速 -高钻压”钻井参数模式 。

钻压推加器及其应用

在大位移井钻井中,因摩阻太大导致不能有效地给钻头施加足够钻压和扭矩,安装钻压推加器可以有效地解决这一问题,从而使钻井过程继续进行并获得进尺。介绍了钻压推加器的结构及工作原理,通过对钻压推加器钻压推加力的计算、分类以及在国外的应用实例和效果等方面较详细的介绍,表明钻压推加力的大小受到推加器结构参数和多个钻井参数的影响,标准型、轻型和串级型3种推加器的推加力能够满足大多数钻井施工的钻压要求,合理地应用钻压推加器钻具组合可改善钻井性能,提高机械钻速,降低钻井费用。

定向随钻扩孔钻压分配及优化

深井大斜度井扩孔难题一直没得到较好解决,传统的方法是采用液力扩眼工具进行钻后扩孔。然而,钻后扩孔实践表明,随着井斜增加,钻后扩孔难度增大,钻后扩孔在定向井中一般在32°以内。为此,引进了53/4 in×51/2 in×43/4 in CSDR5211S-B2定向随钻扩孔钻头。扩孔钻头钻压分配关系对工具面稳定和机械钻速具有重要影响。介绍了定向随钻扩孔钻头特性,分析了钻压分配关系,并对钻压分配进行优化。优化后的钻压应用于塔河油田TH10410CH2井定向随钻扩孔试验。应用结果表明,根据扩孔钻头偏心部分所要求钻压,计算出定向随钻扩孔钻头施工最大钻压不超过40 kN;在20～40 kN钻压工况下,定向随钻扩孔钻进过程中无憋跳现象、工具面平稳、井眼轨迹平滑、机械钻速高,说明该井优化的钻压合理。

静态推靠式旋转导向钻井系统的钻压传递效率

国内研制的静态推靠式旋转导向钻井系统正全面开展现场试验及初步应用,该系统正常钻进时导向翼肋施加到井壁上的静态推靠力会产生较大的摩擦力,有可能影响钻压传递效率和钻井速度。为此,基于该系统的结构及工作原理,考虑井壁无台阶和有台阶两种情况,分别建立了钻压传递效率分析模型,模拟分析了钻压传递效率随名义钻压、井壁摩擦系数,以及导向翼肋推靠力和前倒角的变化规律。研究结果表明:(1)该旋转导向系统对名义钻压有最小值要求,适当提高名义钻压有助于提高钻压传递效率;(2)无论井壁是否有台阶,如果导向翼肋推靠力之和越大、井壁摩擦系数越大,那么钻压传递效率就越低,当井壁有台阶时钻压传递效率明显低于井壁无台阶时的对应值;(3)井壁有台阶时导向翼肋前倒角对钻压传递效率影响明显,前倒角越大则钻压传递效率越低(甚至自锁)。结论认为,该研究成果有助于指导钻井现场合理选择和调控钻压。