近钻头随钻测量系统天线参数试验优化研究

近钻头随钻测量系统能够有效避免传统随钻测量系统所面临的数据滞后问题,而天线的参数设计及优化是提高信号传输距离及稳定性的重要因素。本文对某近钻头随钻测量系统的天线参数展开优化研究,通过试验探讨了天线线圈直径、线圈匝数、负载及磁芯等参数与信号传输距离之间的规律。试验结果表明发射线圈匝数为100匝及线径为0.8 mm,接收线圈为180匝及线径为1 mm,且需引入二级功率放大电路并采用铁氧体磁芯或磁片时,信号传输距离及稳定性最优。相关研究成果可为近钻头随钻测量系统天线的优化设计提供理论依据和实践指导。

基于井下参数测量的钻柱运动特征及异常状态分析方法

随着石油勘探开发的不断深入,井下地质构造越来越复杂,井下钻柱/钻头等工作环境更加恶劣,对井下复杂工况做出准确及时的判断是钻井过程中面临的主要难题之一。传统的地面录井手段由于所测数据不是井底真实数据,并且数据传输存在时效性等问题,已难以满足超深井等复杂井安全钻井需求。为此,研制了井下工程参数测量仪,该仪器能够实现井下钻压、扭矩、振动、管内压力、环空压力、温度等工程参数的精确测量、采集与存储,具有采集频率高、存储容量大、安全系数高等特点,能够获取井下近钻头处真实的工程参数,为提速工具优化设计、井下复杂工况诊断、优快钻井方案的制定提供了技术支撑。现场试验测试数据的分析验证表明,该仪器测得的各数据同现场实际工况和井下状态相互吻合。

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。

基于电阻式应变片的近钻头工程参数测量技术研究

近钻头工程参数的随钻测量对安全、高效钻井具有重要意义。在分析近钻头处钻铤的受力与运动形式基础上,基于钻铤应力与应变的关系,建立了钻压、扭矩、弯矩等井下工程参数的测量模型与实验模型。通过传感器的优化布局,测量模型较好地解决了三个被测参数之间的耦合问题,实验模型给出了相对准确的测量结果和合理可行的井下工程参数测量解决方案。最后,分析讨论了测量装置的温度补偿、测量模型简化等问题,为近钻头工程参数随钻测量装置的研制奠定了基础。

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。

底部钻柱动态力学特性测量方法与实验研究

为研究随钻测井时底部钻柱近钻头处的动力学特性,设计了直梁应变片式测力传感器,研制了一种基于虚拟仪器平台的模拟钻柱动态力无线测量装置,阐述了其测量原理与系统结构,实现了模拟钻柱旋转过程中轴向力、径向力和扭矩的多线程检测及侧向力求解,并进行了不同钻压和井斜角条件下底部钻柱组合的动态力学特性实验,研究了侧向力的变化规律。实验结果表明,系统能够实现实验室内模拟钻柱的动态力实时测量,可为底部钻具组合的井斜控制机理研究提供实验基础。

DQNBMS-1型近钻头随钻测量系统的研制与应用

常规随钻测量系统(LWD)参数测点滞后钻头较远,测量信息滞后,导致油田薄差油层砂岩钻遇率低,储层未得到有效地开采。通过对近测量主测总成壳体结构和电路小型化、低功耗等设计,研制了三参数测点距钻头均小于1 m的DQNBMS-1型近钻头随钻测量系统。通过DQNBMS-1系统多参数近距离测量的实时数据,可以及时掌握井底的井斜、辨别地层变化、判断钻头与储层的相对位置和调整轨迹,提高砂岩钻遇率。现场应用证明,该系统测量数据准确、工作稳定可靠,施工井段获取了较高的砂岩钻遇率。通过与LWD应用效果对比,该系统更利于地层特性的判断和钻头在储层内的高精度控制,砂岩钻遇率提高了15%,可为薄差油层的开发提供有利的技术支持。

近钻头工程参数测量短接结构设计与误差分析

为了准确测量近钻头处的钻压扭矩等工程参数,利用材料力学的相关知识,定量分析了近钻头工程参数测量短接实际工况下的应力与应变特征,据此确定了测量短接传感部分的基本结构参数。使其既能保证钻井安全,又能提高测量信号的机械放大倍数,降低了微弱信号检测的难度。利用误差理论分析了影响测量短接误差的主要原因,并对应变片粘贴误差与测量短接内外压力影响进行了定量分析与计算,为应变片粘贴精度要求、测量短接内外压力影响的在线补偿等实际测量问题的解决提供依据。

近钻头工程参数随钻测量短接的研制

近钻头工程参数包括钻压、扭矩、温度以及环空压力等,这些参数的随钻准确测量对安全、高效钻井具有重要意义。为此,设计制作了井下近钻头工程参数随钻测量短接。详细分析了测量短接的传感部分、电路与电池的安装方式、电路保护等机械结构设计内容,分析了测量与转换电路、单片机系统设计等电子线路设计内容,然后介绍了为保证测量精度而设计的地面刻度系统及其工作原理。并说明了为适应井下工作条件而采取低功耗设计、微弱信号检测等技术措施,为近钻头工程参数随钻测量短接的工程应用奠定了基础。

近钻头随钻伽马成像快速正弦曲线拟合方法

针对现有随钻测井数据传输速率较低的问题和井下实时获取伽马成像图的需求,模拟分析了近钻头伽马成像测井仪器穿过倾斜界面进入高放射性泥岩层的扇区成像特征,提出了基于扇区伽马成像图的快速正弦曲线拟合方法。设计了近钻头伽马成像测井中的快速正弦曲线拟合固件算法,将最小二乘估计算法和三参数正弦拟合相结合,提取得到正弦曲线的幅度、频率、相位和直流分量等4个参数,为拟合反演形成多扇区伽马成像图提供数据。利用快速正弦曲线拟合方法,测试了用标准岩样构造分层倾斜地层模拟井眼采集的伽马数据,实现了多扇区伽马成像测量值的拟合,且拟合误差较小。研究结果表明,拟合反演得到的8扇区伽马成像图的正弦曲线特征明显,能够准确反映倾斜地层界面信息,验证了快速正弦曲线拟合方法的可行性和正确性。

一种新型钻压扭矩随钻测量传感器的特性分析

近钻头工程参数包括钻压、扭矩、温度和环空压力等,这些参数的随钻准确测量对安全、高效钻井具有重要意义。在分析比较现有各种近钻头工程参数测量技术的基础上,利用有限元分析软件ANSYS详细分析了一种新型近钻头钻压扭矩随钻测量传感器不同角度的应力应变关系、钻铤内压影响、钻压与扭矩之间的耦合关系等基本的测量特性,为应变片粘贴、内压修正算法开发等提供了理论依据,也为近钻头工程参数随钻测量短接的研制奠定了基础。

近钻头钻具声波传播特性分析

为了利用声波将近钻头处的信息传输至远钻头端,运用有限元方法分析了常见近钻头钻具(普通钻铤、螺旋钻铤、整体直棱稳定器、整体螺旋稳定器和螺杆钻具)的声波传播特性。分析结果表明,由于轴向上的截面形式和大小基本保持一致,普通钻铤和螺旋钻铤不仅具有较好的时域特性,没有严重的波形反复震荡现象发生,而且具有较宽的通频带;稳定器段的出现使得轴向上声波阻抗不连续,其他3种钻具不仅在其时域波形中出现波形的反复震荡,其通频带宽度也大幅变窄。因此,普通钻铤和螺旋钻铤更适合于作为近钻头声波信号传输的通道,当必须使用其他3种钻具时,则必须采用辅助的信号处理措施。

近钻头随钻伽马成像系统研制及应用

为解决常规地质导向系统测量盲区大、地层响应滞后等问题,采用方位伽马成像测井和无线电磁波通讯一体化设计,研制近钻头随钻伽马成像系统。该系统集成近钻头伽马成像探测短节、井下无线电磁波短传子系统和地面实时成像导向软件等,具有测量零长短、方位成像精度高、无线电磁波传输距离远等特点。现场应用结果表明:在保证测量、施工工艺等稳定性前提下,近钻头随钻伽马成像系统可以实时获取钻头附近的地层方位伽马成像图,实现跨螺杆动力钻具无线电磁波通讯。该结果可为定向井、水平井勘探开发提供技术支持。

近钻头随钻测量系统及其小型化设计关键技术分析

近钻头随钻测量技术是石油钻井领域最具有发展前景的高新技术之一,它以近钻头地质参数与工程参数的随钻测量、传输、信息解释、决策控制为主要技术特征,能有效提高油气层钻遇率、降低钻井成本。本文介绍了近钻头测量系统国内外的发展与应用现状,阐述了系统的工作原理、结构组成与特点,为满足小口径钻进对近钻头测量技术的需求,提出了小型化设计亟待攻克的关键技术难题,包括电磁波无线通信抗干扰技术、小直径涡轮发电技术、井下MEMS传感器技术等,为今后小直径近钻头测量系统研发提供技术基础。

煤矿井下近钻头随钻测量技术研究现状和发展趋势

近钻头随钻测量集成了近钻头多参数测量、跨螺杆钻具供电和通信、涡轮连续发电和高速泥浆脉冲无线传输等多项关键核心技术,可以获取钻头附近多种类型参数,是煤矿井下智能钻探技术的关键组成之一。在充分借鉴地面石油与天然气钻探领域近钻头随钻测量开发经验和发展路径的基础上,分析了现有技术应用于煤矿井下的局限性,依托煤矿井下现阶段随钻测量技术,提出了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究思路,探讨了煤矿井下近钻头随钻测量技术的研究现状,重点解决结构小型化、仪器单元化、防爆模块化、测量协同化和控制整体化的研发技术难题。在煤矿智能化建设大背景下,提出未来需要从近钻头多参数一体化测量、近钻头参数动态监测、近钻头旋转导向钻进和近钻头自适应钻进等方面入手,大力推动煤矿井下近钻头随钻测量与5G通信、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的融合发展。

底部钻柱近钻头动态力测量及声传输方法

为研究随钻测井时底部钻柱近钻头动力学特性,设计直梁应变片式测力传感器,研制一种基于虚拟仪器平台的模拟钻柱动态力无线测量装置,用于模拟钻柱旋转过程中轴向力、侧向力和转矩的多线程检测。在此基础上,比较井下数据传输方法,以纵波为传输载体,设计模拟钻柱声传输装置,对动态力数据进行脉冲时延和OOK(On-offkeying)调制,沿管轴方向对有限长模拟钻柱施加纵向激励,进行模拟钻柱信道动态力测试信号的声传输试验。结果表明,系统在实验室内实现动态力数据经时延脉冲OOK信号调制后沿模拟钻柱信道的低频声波传输,为近钻头传感器测量数据的低频声传输系统的应用提供理论与试验依据。

近钻头变径稳定器导向钻具造斜特性研究

为提高现有导向钻具组合井眼轨迹控制能力,针对近钻头变径稳定器导向钻具造斜特性开展了研究。根据纵横弯曲梁法和三弯矩方程,考虑钻具结构弯角和变刚度管柱的影响,建立了带近钻头可变径稳定器的导向钻具组合力学特性分析模型,采用单因素法,对各种条件下近钻头可变径稳定器外径对钻具造斜能力的影响进行分析。分析结果表明,近钻头可变径稳定器外径对钻具造斜能力影响显著,在所研究的参数范围内,钻具长度和井径扩大率对复合钻进造斜率的影响较为明显,上稳定器和钻压的影响次之,螺杆钻具结构弯角对复合钻进造斜率的影响最小。最后根据研究结果并结合现场实际工况,设计并研制出了井下遥控式近钻头可变径稳定器导向钻具。

近钻头伽马响应特征及实验分析

近钻头随钻伽马成像系统成为油气开发的重要技术装备,常规随钻测量安装位置距离钻头较远,系统获取的随钻数据存在较大延迟,并且无法及时判断穿行地层的上下界面和地层倾角,这影响了井身轨迹控制,从而降低了随钻决策和调整的及时性,这些问题一直是石油钻井领域研究的热点和焦点。讨论了近钻头伽马成像系统,分析了多种因素对伽马响应速度快慢的影响。鉴于近钻头伽马成像系统的地层测量单元和钻头距离较近,为了获得近钻头伽马传输速度高,响应快。通过研制样机和现场实验,结果表明该系统能及时和准确地获得对地层的了解,实现钻井轨迹与地质轨迹一致性较高,井身轨迹较好,这为复杂油气井的开发和利用提供了可能。

基于螺杆钻具的近钻头井斜测量误差及修正

为了研制具有自主产权的基于现有螺杆钻具的随钻近钻头测量装置,结合井下工况,对近钻头井斜测量过程及仪器本身存在的误差进行了分析,阐述了利用声波或电磁波传输近钻头信号的优势,并提出了近钻头井斜精确测量的误差修正思路。分析结果认为,当前的近钻头井斜测量仪器还存在一些未考虑到的问题,如动力钻具的振动影响测斜精度,动力钻具弯角的存在导致近钻头仪器与井眼不同轴产生误差等。利用声波传输近钻头信息及远程传输井下信息是实现测量的静态及传输信号过程静态的有效方法,建议加快该技术的研究进度,争取早日应用于现场。

绥中36-1油田调整井开窗侧钻高造斜率钻具研制及应用

绥中36-1油田地层疏松、造斜困难,常规螺杆钻具弯点距较大,钻头偏移量大,钻具组合通过套管和窗口较困难,难以完成高造斜率套管开窗侧钻作业。通过低弯点距设计、本体扶正器采用三瓣不等宽扶正带设计且低边瓣采用加宽处理,以及中低转速、高输出扭矩、等壁厚定子设计,研制了高造斜率螺杆钻具,基于电磁波的近钻头测斜信号跨传原理研制了近钻头测斜工具。所研制的高造斜率螺杆钻具和近钻头测斜工具在JJSY-4试验井取得良好测试效果,并在绥中36-1油田调整井AXX井取得成功应用,可对解决老油田低效井的开发难题提供参考。