论智能钻井理论与技术与其发展

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1、论智能钻井理论与技术及其发展论智能钻井理论与技术及其发展Study on the theory and technology of the intelligent drilling and its development 1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。向。第二代智能钻井技术的优点。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基于对接

2、式电子钻柱的智能钻井技术的主要内容和技术难点。技术难点。摘摘要要2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。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。3 远程遥控钻井作业4智能钻井理论智能钻井理论 1.契机契机 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

3、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。5智能钻井理论智能钻井理论1.契机契机 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

4、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。6智能钻井理论发展智能钻井理论发展 2.瓶颈瓶颈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 7智能钻井理论发展智能钻井理论发展 2.瓶颈瓶颈2.4 泥浆脉冲

5、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 8智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成3.1 在数据传输方面的

6、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；9智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成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Mig Howard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。10智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成3

7、.2 在井下送电方面的前期进展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。11图 1-A

8、 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 12图1B 管柱内孔悬挂导线法之一下电线接头联接螺栓导线上电接头线钻杆密封垫圈 钻杆轴承支撑架轴承导线13智能钻井理论智能钻井理论 3.形成形成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

9、、LWD、旋转导向钻井工具（Power Drive、Antotrak、GeoPilot）等硬件的长度，难以满足近钻头测量的轴向距离。14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 智能钻杆接头的“机电”结合 用三相交流电还是用直流电 功率、扭矩、电压等参数的选择 导线截面积及形状（圆、扁） 绝缘包装及其外径 动力电缆与信息通道的“二合一” 接头丝扣部位的导电及两接头间“对准位置”与 “防错位”15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2 A）；钻杆内壁安放

10、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5 7/8（可 用于8 1/2 至 12 1/4 钻头16图 217GRANT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。18Figure 3 Elastomer face-seal connection pin e

11、nd 19Figure 4 Elastomer face-seal connection box end 2021222324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Electric Drillpipe）、10万bps（导线式智能钻杆，wired Intellipipe）和100万bps（光纤式智能钻杆，Intellipipe with fibre optic cables），最大已达200万bps。25GRANT PRIDECO公司除了自己研究之外，1999年与多家公司（Chevron、Phillips、Exxo

12、n、Arco、BP-Amoco、Global Marine）联合组成一个合作工业项目组（JIP，Joint Industuy Program）研制智能钻杆和复合材料钻杆（关于复合材料钻杆，Composite Dillpipe,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。264智能钻柱及可选择性使用的井下硬件 用图9、10、11、12说明。 27数字信号处理仪 智能地面监控软硬件 网络、可视化电源分布式传感器（1）点测力传感器（1）分布式传感器（2）点测力传感器（2）分布式传感器（3）电子振动器/防牵引器

13、电子振动器（弱震）电子振动器（弱震）电子牵引/推进器电控DWD测量短接 电马达（电钻钻具）智能钻头电控LWD电控SWDPWD电控三维球体旋转导向工具（超级可控三维导向工具）图 9 智能钻柱及可选择性硬件的信息（数据）流示意图反循环井下泵 井下钻速器 近钻头传感器28图 10 Layout of DWD measurement sub 随钻诊断测量短节示意图 29图11 Comparison of surface and downhole WOB measurements地面钻压和井底钻压的对比 30图12 Comparison of surface and downhole TOB measu

14、rements 钻头的地面测量扭矩和井底测量扭矩的对比 315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” ;32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 ;33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

15、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 ;34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; 35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） ;36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