智能钻井技术.ppt

1,智能钻井技术,2,主要内容,自动化钻井技术,智能钻井技术,智能钻柱,3,。,图1 自动化钻井及其与关键技术的关系图,自动化钻井关键技术,4,图2 自动化钻台,自动化钻井关键技术,5,图3 自动化司钻系统,自动化钻井关键技术,6,2.1钻机和装备的智能化、自动化：,自动给进（送钻）：从19世纪60年代就开始研究，1935年Westing house公司第一个自动送钻专利，20世纪40年代气动送钻控制，1955年有了第一个液压动力水龙头和水力卷扬机，有恒钻压模式、恒给进（钻速）模式、智能优化模式；刹车系统：离合（盘式/带式）片，比例控制电磁刹车等；井口铁钻工（Iron Roughneck）：“三吊一卡”机械化；井口二层台的井架（管架）机械手：起下立根（钻柱）拉入/推出扣/摘；循环系统固控系统：全自动监控密闭循环净化系统；,自动化钻井关键技术,7,井控防喷及应急系统：井口装置、防喷器组、电液井控（可控硅、音频声控）、节流管汇系统；顶驱系统：20世纪70年代Brown公司开发了电驱水龙头，现在以美Varco公司生产的TDS系列为最好，可以不开转盘而用顶驱钻进，例如荷兰市区作业等；信息与数据采集、处理、决策、贮存、传输、通讯、管理等功能的软硬件装备；海洋：半潜式/浮式钻井平台及其专用装备；钻具、管具、钻头等的相应进展。,自动化钻井关键技术,8,自动化石油钻机都是“机电仪计”一体的智能化、信息化、自动化钻机，具有完善的性能，集先进性、可靠性、适应性（恶劣环境与地质条件）和经济性于一体。主要产品有：德国Prostar-2000型自动化钻机（钻深7000m）是当代水平最高的，已商业化应用；美国NSCO及Apache、Pool等公司生产的A10-32型等自动化钻机（钻深6100m）；英国S&R公司生产的RD-D型自动化钻机（钻深6100m）；挪威、法国等也研制了中深井用自动化钻机；我国宝石厂生产的ZJ70、ZJ90钻机及广汉生产的钻机也都在向自动化钻机进展。,自动化钻井关键技术,9,1979年首次应用了MWD。被誉之为：MWD is the eye of drilling。是把钻后有线测量及传输井下参数的方法改变为随钻无线测量及传输的方法，随钻测量是一个重大进步。无线传输方法主要有泥浆脉冲法和电磁波法。但它们目前仍有很多缺点：传输参数数目少、传输速率低（10bps）、传输距离小（应用井深小）以及循环流体性能受限等。,2.2随钻测量与地质导向钻井技术,自动化钻井关键技术,10,从20世纪90年代中期起，相继研发应用了LWD、PWD、IWD、NRWD等，形成了随钻地质导向钻井和随钻工程服务技术，适应了复杂地质与环境条件下钻复杂结构井、特殊工艺井实时处理井下复杂情况和不确定性难题，以及实时控制三维井身轨迹入窗中靶等高难技术的要求。而SWD还能探测钻头前方地层参数，起到了“车前灯、探照灯”作用。,自动化钻井关键技术,11,基于螺杆钻具等井底动力钻具的滑动导向钻井工具与井壁的摩阻很大，可用井深受限，且方位控制不准，不能满足复杂结构井，特别是大位移井和多分支井的钻井要求；超深井等特殊工艺井要求打井斜小于12的垂直井而传统的“防斜打直”技术不能应付。从20世纪90年代初国际上就开始研究旋转导向钻井工具及其系统（RSS）。19901995德国首先研究和成功应用了世界上第一个自动垂直旋转钻井系统（VDS）,钻成了井深为9101m的KTB井。90年代中期，斯伦贝谢（Slb）等多家大公司先后研究成功了PD等系列RST/RSS。,2.3 旋转导向钻井与随钻测控制传贮技术,自动化钻井关键技术,12,它能在一趟钻井中完成造斜、增斜、稳斜、降斜及准确控制三维井身轨迹的作用，在北海Watch farm等油田钻成了井深12200多米的超大位移井。中海油1996年在XJ24-3-A18井用PD.创造了当时世界纪录8610m的大位移井。RSS被誉为“对地钻井导弹与制导技术”，“是人类继实现空间和水域制导技术之后的又一个重要里程碑”。第21世纪之交国际上又提出了“PV”等钻垂直井工具（我国克拉2气田和四川黑池1井以日服务费高达1.5万美元租用“PV”,图4）。RSS还成功地应用于小尺寸油管（98.4114mm）的过油管侧钻和套管钻进。RSS本身并依靠RSS的相关技术取得了钻井技术的持续突破。,自动化钻井关键技术,13,自动化钻井关键技术,图4 Power V整体结构,Power V主要有2个组成部分，即上端的Control Unit(电子控制部分，简称CU)、下端的Bias Unit(机械部分，简称BU)。在两者中间还有1个辅助部分Extension Sub(加长短节，简称ES)，如图4所示。,14,为了自主创新，我国从20世纪90年代中期开始理论及室内实验研究RSS已10年。2002年承担863项目研发的RSS/MRST并成立了国内第一个SDI。MRSS是一套调制式全旋转闭环导向钻井系统，钻柱旋转时整个工具外筒与执行机构全都旋转，与井壁没有静止点，旋转的巴掌拍打井壁产生可控的导向力以控制轨迹，具随钻测控传贮等功能。,自动化钻井关键技术,15,MRSS包括三个子系统：智能型、机电仪自计一体化的旋转导向钻井工具（MRST），由上下涡轮发电机和电子仓组成的稳定平台、液控阀与液流分配系统及控制和执行导向力的巴掌等组成（图5），具有导向和不导向两种功能；地面与井下双向闭环通信子系统（图6）；上行通信由电磁波短程把MRST的实时信息上传至MWD，再由MWD传至地面监控中心；下行通信采用有规律的变排量方法下达指令；智能化地面监控显示及信息管理、决策子系统。几年来，经过理论研究及多项单元试验，现已设计研制成样机（图7）。在此基础上，还可进一步研发自主制导的旋转导向钻井系统。,自动化钻井关键技术,16,图5旋转导向钻井系统原理图,自动化钻井关键技术,17,图6旋转导向钻井技术信息传输流程图,自动化钻井关键技术,18,1-稳定平台上支撑联接；2-上轴承保护器；3-上涡轮发电机；4-电子仓；5-扭矩发生器（下涡轮发电机）；6-下轴承保护器及稳定平台下支撑联接；7-工作液泥浆过滤装置；8-工作液控制分配（上、下盘阀等）；9-柱塞、销轴及“巴掌”。图7旋转导向钻井工具三维CAD结构图,自动化钻井关键技术,19,图9 下盘阀结构图,图10 推靠“巴掌”结构图,图8 上盘阀结构图,自动化钻井关键技术,20,自动化钻井关键技术,图11加工完成的旋转导向钻井工具功能样机局部照片,21,可以肯定：随钻测井为主的地质导向钻井系统与旋转导向闭环钻井系统相结合；实时采集测量地质及井下工程参数，实时调控旋转导向钻井工具和井身轨迹，随钻闭环上传井底参数下传控制指令，井下与地面同步双重贮存显示分析处理决策钻井作业工况的随钻测控传贮整体技术；这是实现井下自动化钻井的必要技术之一，也是钻井技术的重大革命之一。这套技术已不仅仅将持续地成功地用于占油气工业总进尺1015的复杂结构井、海洋钻井和垂直钻井（套管钻井）等，还将有效地应用于煤层气、天然水合物等非常规油气资源的勘探开发。,自动化钻井关键技术,22,2.4电子/智能 钻柱技术,美国Grant公司研制的智能钻杆用铜导线输送电能，可以根据井下硬件用电量大小的要求来确定输电功率的大小。智能钻柱的数据传输速率可达104bps（电导钻杆Electric Drillpipe）、105bps（导线式智能钻杆，wired Intellipipe）和106bps（光纤式智能钻杆，Intellipipe with fibre optic cables），最大已达1.56106bps。智能油管用光纤为主。,自动化钻井关键技术,23,首先，为了增加钻杆内的泥浆有效过流面积，在钻杆本体内采用扁的铜导线，用特殊绝缘材料将扁的铜导线包覆成“三明治”，再将其置于钻杆内孔，采用金属管爆燃加衬技术将适量的炸药放进钻杆的内管中，同时为了保证内管各部分受到均匀的冲击力，在炸药外部用特殊介质传递爆炸力，使内管发生塑性变形、钻杆发生弹性变形，从而使内管及“三明治”层紧紧地贴于钻杆内壁。接头部位的导线埋置技术要使钻杆接头既能正常上卸扣，又能在上好扣之后接通导线。它能以104 106bps的传输速率实时双向传输40个左右的分类参数，同时通过智能钻柱还可以向井下输送电力。,自动化钻井关键技术,24,智能钻柱系统在井下采用分布式传感器短节，将微处理器分别安装在传感器内部，然后通过耦合元件将微处理器信号耦合到电力线上，从而传输到地面传感器。该系统采用传输直流电，如井下硬件需用交流电，可在井下硬件上增设逆变器DC/AC。为随钻导向、实时优化和动态诊断提供技术支持，促进了井下软硬件电子化的发展，从而使现代钻井技术智能化。应用智能钻柱是一项系统工程，我国钻井技术宜在智能化、信息化的道路上加快实现这一重大技术革命。,自动化钻井关键技术,25,图12 电子钻柱,自动化钻井关键技术,26,图13 电子钻柱接头,自动化钻井关键技术,27,图14 感应式电子钻柱,自动化钻井关键技术,28,2.5最优化钻井与智能SOD集成技术,这套工作可以概括为“模型测值指令”的实时闭环钻进系统和软件系统。图15给出了智能SOD总体结构设计方案。,图15 智能SOD总体结构设计,自动化钻井关键技术,29,图15中，从井下采集的数据有地质参数、井身轨迹几何参数、井下钻进参数及评价参数四大类约4050个参数。在井下经过数据监测和数字信号处理等初步处理后，使用1000Hz的传输频率经过智能钻柱上传到地面信息监控处理和可视化系统。再把地面CPU处理后的信息送入SOD（钻井导向优化诊断）集成系统以作出决策。,自动化钻井关键技术,30,SOD系统的主要优点是：（1）把不确定和复杂的地质因素随钻实时地确定下来使地质情况透明化；（2）把井身剖面和井身轨迹的不确定性和复杂性随钻实时地确定下来并下达指令使导向按需要随钻精确控制并对井身轨迹可视化显示；（3）把钻头、BHA、旋转导向钻井工具等的力学行为及井下不确定性工况在处理后以数字化显示出来，供决策者下达指令和控制之用；（4）随钻实时地调整导向与优化之间的矛盾，优化钻井过程，能实时预报并诊断井下跳钻、憋钻、粘滑、涡动、纵横振动等复杂情况，随钻量化确定所诊断现象的严重级别程度；,自动化钻井关键技术,31,（5）SOD系统能兼顾“导向优化诊断”多方面需求，单独或统一下达指令实现智能化处理；随钻测井可代替电缆测井因而使钻井过程简化并提高钻井效率；（6）SOD具有钻前设计和随钻实时地进行钻井工程再设计和随钻生成电子报表及网络化生产管理的功能；（7）运用智能钻柱和SOD系统的综合效果能降低钻井成本约20。SOD系统是新一代的钻井工程智能决策支持系统。图15表明基于智能钻柱可使钻井信息的采集、处理、决策及反馈形成闭环和井下网络；同时还表示了SOD与存储器、动静态数据库、知识库、专家系统以及综合录井仪等地面仪表相互关连的关系等等。,自动化钻井关键技术,32,信息技术和网络技术以及通信技术是自动化钻井的重要组成部分。令人高兴的是：2004.11.19 Slb与M/D Totco合作自剑桥Slb研究中心（SCR）在网上发送变泵排量的遥传指令径8000Km远程遥控着横跨大西洋的德州Cameron试验中心的钻机成功地执行命令，第一次实现了远程自动化钻井作业（图16），这是重大的创新。,2.6信息、网络与远程自动化钻井,自动化钻井关键技术,33,图16 横跨大西洋的远程遥控钻井作业,自动化钻井关键技术,34,智能钻柱,必要性：智能钻柱的原理、功能、优点 原理：研发电子钻柱以建立地面向井下供电并同时在地面与井下之间双向通信的油井网络系统，该网络再与Internet/Internet相联形成油井与作业者、决策指挥者等学科及部门的立体网络系统，并配有机电仪一体化的专用硬件与相应软件，实现信息化、智能化、自动化的智能钻井系统，即智能钻井。,35,智能钻井应选用电驱动钻机并配以先进的辅助设备；智能钻井系统本身主要包括三大子系统：地面电气及地面监控子系统；电子钻柱系统；井下专用电子硬件（工具）及其软件子系统。,智能钻柱,36,主要功能与优点：由地面向井下供给电能，不必再在井下使用电池或涡轮发电机等；可以改进井下工具（为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”。,智能钻柱,能应用于各种钻井流体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），也解决了气体钻井钻井液的随钻测量随钻传输问题，彻底解决了现用技术存在的信息传输滞后问题。,37,能随钻实时由井下向地面传输地质类、井身轨迹类、钻井工程参数类和井下动态诊断类共约40-50个（以后还可能用更多数量）参数，从而极大地发挥了随钻测井地质导向、随钻导向、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信息与下传信息互不干扰的难题。,智能钻柱,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，随钻测井可取代常规电缆测井作业，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可降低5%-20%。,38,随钻实时诊断、识别、决策、控制井下动态复杂情况，随钻实现在井场及钻台与管理指挥层显示地层可视化、井眼及钻柱系统可视化、井内流体及流动状况可视化、井身轨迹可视化，可随钻监视井下隐患的动态变化，分析排除复阿情况，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理监视井下有无气浸及气浸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，并能把事故及时消除在萌芽状态；再例如对井下的漏喷塌卡斜和井身轨迹的偏差善都能随钻监视实时处理等。）,智能钻柱,39,在智能钻柱中可分布安置传感器，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等方面提供重要依据。智能钻柱是研究与油井管新技术、新课题的重要手段。例如：试验研究套管钻井、膨胀管技术及分支井专用工具等，可随钻进行其力学行为与工况的跟踪实测与分析，为研发提供科学依据。这套技术还可在柔性连续管等的研发工作中发挥重要作用。,智能钻柱,40,智能钻井技术,具有自主知识产权的基于电子钻柱的智能钻井理论与工程应用技术研究。智能钻杆与智能钻井原理、理论、用途、功能、优点。建立地面向井下电并双向通信的电通道并与Internet等形式成立体网络，并用机电化一体化与专用软硬件实现信息化、智能化、自动化的智能钻井系统。,41,智能钻井,人类进入21世纪，石油钻井完井技术正由机械化和科学化钻井阶段向自动化钻井阶段进展。石油钻井是一项地下隐蔽性工程，世人认为“入地比上天难”，尤其是在复杂地质条件下钻复杂结构井、超深井、超大位移井、深水钻井和特殊工艺井以及超越极限时，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。,42,讯,自,计,仪,电,机,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，把原来依靠钻后信息和经验钻井的状况发展为可以部分地依靠井下随钻信息来钻井的新阶段。第一代智能钻井不断依靠当时先进的钻井信息技术，不断更新的AIES专家系统，不断发展的钻井软件技术和现代钻井工程信息化，集成了现代 等先进技术到石油钻井主流技术中来。,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。,43,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。,44,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、PWD DDS RST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,45,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。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。,46,第二代智能钻井技术,传输速率高达11042106 bps，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。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,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,岩心录井岩屑妹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、中子也隙度、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,The architecture diagram of SOD system,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。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。,56,未来智能钻井技术研究方向,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,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。,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。,59,智能钻井的基本理论与技术,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,60,智能钻井的基本理论与技术,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,61,智能钻井的基本理论与技术,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。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,62,智能钻井的基本理论与技术,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Nb、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,63,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。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。,64,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,65,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。,66,智能钻井的基本理论与技术,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,67,基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术,世纪之交，国外开始报道有关智能钻井和智能钻柱的消息，但是外国公司不卖产品，实行技术封锁，这是挑战。国家863计划2007年度申请指南列出动力及信号传输钻杆技术作为目标导向专题，要求三年内完成。这是重要机遇。,机遇与挑战,68,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,69,基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术,对接式智能钻柱能够双向双工传输几十个参数与指令，其双向传输速率可以高达11042106 bps，在BHA中最大限度地集成电控的随钻测井（LWD）、随钻测压（PWD）、随钻核磁共振测井（NRWD）等地质导向钻井工具和电控的旋转导向钻井工具（RST）等先进工具并充分发挥它们的作用，彻底解决第一代智能钻井的瓶颈问题。,对接式电接头电子钻柱,70,基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术,对接式多芯智能（电子）钻柱提高了智能钻井的功能与水平，在钻进时，可实时进行测井录井等随钻作业，可取消现用常规电测井等作业，简化钻完井工序，提高了作业效率，可大幅度降低钻完井成本。,对接式电接头电子钻柱,71,基于对接式电接头电子钻柱的智能钻井技术,智能钻井系统设计，并通过地面模拟实验和现场井下试验完善设计；智能钻柱方案论证与设计研制，并按试件、样件、产品三步进行设计研发；研发智能钻井的地面软硬件设计与配套；井下智能工具模块设计与研制；智能钻井理论研究、随钻建模方法与应用的研究。,对接式电接头电子钻柱主要研究内容,72,技术经济指标,电子钻杆及其对接式接头为双芯铜导线。根据已经研究的结果采用直流电方案。电力参数初步确定为380/220V、50A，地面向下传送功率约150kw。环境温度1250C、环境液体压力及密封压力为20Mpa、抗震性能15g。,73,技术经济指标,设计双向传输信息的传输速率大于1104bps；能同时向上传输40个参数，向下传输的指令参数可完全满足工程要求。,74,国外技术现状,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、气体钻井等特殊工艺井的不断发展，石油钻井、完井和采油正在进入信息化、智能化、自动化阶段。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。,75,国外技术现状,目前国外较多地用钻井液(泥浆)作为信道进行信号传输。上传通道主要是应用泥浆脉冲MWD，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；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。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。智能有线传输技术已成为一项很有前景的一项创新工程。近60年来国外一直研究既能由地面向井下输送电能，在井下使用电控钻井硬件(含井下工具、仪表和传感器等)又能建立有线随钻实时双向闭环钻井测控信息高速公路。,76,国外技术现状,1在数据传输方面的前期进展 国外从1 940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。1 942年DCHare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；这套系统的缺点在于传输系统所需的强大信号在钻杆中会有磁性损失；直到最近还有人在研究感应接头的传输方式，但始终未能商业化应用；1963年AHLord对Hare的专利进行了改进，他减少了变压器所需的功率，尽管系统功率需求有所改进，但是电池相对短的寿命以及在钻头联接处的安装所遇到困难都无法得到商业应用的支持。,77,国外技术现状,20世纪70年代，美国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；1 987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。虽然这个系统在接头处成功地桥接，但是在接头处的信号无方向性，并且它需要复杂的电路和霍尔传感器等；,78,国外技术现状,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，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。在上世纪70年代中期，美国General Electric研制了一种电钻杆并获专利，但由于各种原因，它并未成为一种商业应用方法。苏俄和GE公司所采用的都是在钻柱中间悬挂一根电力缆线，同时由稳定和密封部件制成的电接头，并用丝扣相互连接的工具接头。它的优点是可以使用三相动力电缆，然而它需要较大外径的电接头。,79,国外技术现状,20世纪80-90年代，法IFP公司研究唇密封的电钻杆，并获专利，试用于1 000米浅井。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。,80,国外技术现状,3近期进展很快 由于在数据传输和向井下送电方面的前期工作不能满足智能化钻井技术的要求，国外从20世纪90年代开始研究新型智能钻柱。包括智能钻杆及其接头、智能油管等。国外有多家大公司的研究已处于工业化试用和商业化应用初期。例如，美国GRANT PRIDECO公司进行了大量研究，1 999年又与多家公司(Chevron、Phillips、Exxon、Arco、BPAmoco、Global Marine等)联合组成一个合作工业项目组(JIP，Joint Industry Program)已研制成功5 78的智能钻杆等产品。又如，Sch1umberger等公司在完井作业时安装智能油管和永久性传感器，在油井生产时能进行油藏监测和控制并已取得成功。国内则刚刚起步。目前，国外对智能钻杆和智能油管的一些技术难点已有一定的设计和加工制造的方法。为了自主创新和更深入的研究，必须寻求更为可靠与更为先进的解决办法。,81,谢谢！,