趙繼斌 陳若銘 李曉軍
摘要:隨著MWD隨鉆測量工具的出現(xiàn),鉆井作業(yè)過程實現(xiàn)了井眼軌跡參數(shù)(井斜、方位和工具面角)的無線隨鉆測量及實時傳輸,極大的促進了水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展。隨著鉆井工具的發(fā)展,能測到的井下參數(shù)越來越多,如何快速的將這些數(shù)據(jù)傳到地面成為了急需解決的一個問題。本文主要介紹了當(dāng)前的幾種數(shù)據(jù)傳輸方式及各自優(yōu)缺點,同時分析了井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并闡述了井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:多參數(shù) 傳輸速率 井下數(shù)據(jù)傳輸
中圖分類號:TP274+.2 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-9416(2015)02-0000-00
1 引言
近年來,隨著油氣田的勘探開發(fā),可開采儲量不斷減少,各油田面臨穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的問題。LWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、隨鉆井底壓力測量系統(tǒng)及進行近鉆頭參數(shù)測量的鉆井安全工具等大量的提速、提效鉆井工具,這些隨鉆測量工具的出現(xiàn),在一定程度上實現(xiàn)了三維、可視化鉆井,同時也促進了深井、超深井等難開采油氣藏的開發(fā),為各油田實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)、降本增效提供了技術(shù)支撐。但是,隨著隨鉆測量工具的不斷發(fā)展,井下工具由最初可測量三個參數(shù)的MWD發(fā)展到多參數(shù)的無風(fēng)險鉆井工具,由于當(dāng)前使用的鉆井液脈沖傳輸速率低,只有0.5-2bit/s,已經(jīng)無法滿足多個井底參數(shù)測量工具實時傳輸?shù)氖┕ひ?,國?nèi)外各大研究機構(gòu)開始嘗試研究新的、能夠更快速度傳輸數(shù)據(jù)的方式,通過傳輸機構(gòu)、傳輸方式及傳輸介質(zhì)的改變,研究出了一些具備傳輸速率快、容量大的井底數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。
2 井底數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)介紹
當(dāng)前,在隨鉆測量領(lǐng)域應(yīng)用最普遍、最常見的是鉆井液正脈沖信號傳輸。近年來,國內(nèi)外石油公司及科研院所研發(fā)出了智能鉆桿傳輸、連續(xù)波傳輸、聲波傳輸、電磁波等高速率的傳輸技術(shù),但還需進一步研究、完善,不過,這幾種傳輸技術(shù)出現(xiàn),在很大程度上促進了可視化鉆井的實現(xiàn)。
2.1 鉆井液脈沖信號傳輸技術(shù)
鉆井液脈沖信號傳輸技術(shù)是鉆井使用最普遍的一項傳輸技術(shù),其工作原理為在井下工具上連接脈沖信號發(fā)生裝置,地面的立管上安裝有壓力傳感器。當(dāng)信號發(fā)生器動作時,鉆柱內(nèi)
鉆井液流道面積發(fā)生變化,造成鉆柱內(nèi)形成壓力波動,當(dāng)信號發(fā)生器進行規(guī)律動作,不斷地改變流道面積,即可形成有規(guī)律的壓力信號。通過立管上的壓力傳感器將鉆柱內(nèi)的壓力波動監(jiān)測到,并發(fā)送到地面的工作機組,經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理、計算后,即可知井下上傳的數(shù)據(jù)。鉆井液傳輸技術(shù)由于信號發(fā)生裝置的不同,其信號產(chǎn)生機理也不同,可以分為正脈沖、負脈沖和連續(xù)波三種傳輸方式。
(1)負脈沖傳輸方式;鉆井液負脈沖傳輸方式產(chǎn)生較早,但目前使用的不多。主要是由于其信號發(fā)生裝置(見圖1)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。負脈沖信號發(fā)生裝置在鉆鋌壁上裝有一個閥,通過控制閥的開啟與關(guān)閉來實現(xiàn)信號產(chǎn)生與數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)閥開啟的時候,鉆柱內(nèi)一部分液體經(jīng)閥流出,鉆柱內(nèi)的壓力降低,當(dāng)閥關(guān)閉的時候,鉆柱內(nèi)壓力上升。由于在產(chǎn)生壓力變化(見圖2)的時候,鉆柱內(nèi)的壓力是降低的,所以叫負脈沖信號傳輸。
負脈沖信號傳輸方式與正脈沖傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率基本相同,但由于其信號發(fā)生裝置在經(jīng)過井下使用后的后期維護不方便,沒有得到大量的推廣使用。
(2)正脈沖傳輸方式;鉆井液正脈沖傳輸方式是目前隨鉆測量領(lǐng)域最成熟的一項技術(shù)。正脈沖信號的產(chǎn)生于負脈沖信號的產(chǎn)生方式相反,在其信號發(fā)生裝置(見圖3)上同樣有閥,但是其是通過閥的動作來減小鉆柱內(nèi)流道的變化。當(dāng)需要產(chǎn)生壓力波動(見圖4)時,控制閥上升,鉆柱內(nèi)的流道面積減小,壓力升高,當(dāng)閥回復(fù)原位的時候,壓力下降。通過閥的上下動作來實現(xiàn)信號傳輸。目前APS研發(fā)的脈沖發(fā)生器是正脈沖信號傳輸速度最快的一種信號發(fā)生器,可以達到4bit/s。
(3)連續(xù)波信號傳輸方式;連續(xù)波信號傳輸方式是近年研究出的一項新技術(shù),其最大特點是傳輸速率快,可以達到30bit/s,可以滿足當(dāng)前隨鉆測量工具多參數(shù)實時傳輸?shù)囊?。連續(xù)波傳輸方式最大的特點是其信號產(chǎn)生裝置(見圖5)是在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生壓力波動。在裝置內(nèi)有兩圓盤,一個圓盤靜止,一個轉(zhuǎn)動。通過兩盤發(fā)生連續(xù)的相對轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)壓力波動(見圖6)的產(chǎn)生。在產(chǎn)生壓力波動的過程中,圓盤可以是沿著一個方向轉(zhuǎn)動,也可以往復(fù)轉(zhuǎn)動。
連續(xù)波信號發(fā)生裝置最早是由Mobil公司研制,由斯倫貝謝公司“分析者”分公司進行改進和完善的,是目前技術(shù)比較成熟的公司。隨后,哈里伯頓等公司進行了連續(xù)波信號發(fā)生裝置的研發(fā)。國內(nèi)各研究院所在“十二五”開始了大力研究該項技術(shù)[1]。
2.2 智能鉆桿傳輸技術(shù)
智能鉆桿傳輸技術(shù)為有線傳輸技術(shù),對鉆桿兩端接頭進行特殊的處理,在上扣的時候,實現(xiàn)鉆桿間的自動對接。智能鉆桿傳輸速率快,是目前研究的熱點。智能鉆桿由于接頭結(jié)構(gòu)的不同,有電力載波、工頻通信及磁感應(yīng)三種傳輸方式。電力載波是將信號線與電源線共線,簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計,但需要解決信號的電力載波過程中的抗干擾與衰減問題。工頻通信傳輸是利用特定的電壓波形區(qū)域作為信號區(qū)域,并采用差分檢測技術(shù),實現(xiàn)信息穩(wěn)定傳輸。目前,研發(fā)的工頻通信技術(shù)的信號傳輸速率達到25bit/s。傳輸速率相對較慢,但抗干擾能力強,負載的大小、傳輸距離對信號質(zhì)量不會產(chǎn)生影響,信號衰減也很小。磁感應(yīng)傳輸方式是在鉆桿兩端各自安裝線圈,在兩個線圈之間通過數(shù)據(jù)線連接;兩根鉆桿連接后,在兩個感應(yīng)線圈之間會有一個微小的間隙,數(shù)據(jù)在此間隙之間以電磁感應(yīng)方式進行傳輸[2]。目前該方式傳輸速率快,但信號衰減嚴(yán)重,需要加裝中繼放大器,由于鉆具尺寸受限,所以,目前該方式適用深度有限。
2.3 聲波傳輸技術(shù)
鉆柱中聲波傳輸技術(shù)是以鉆柱管壁作為傳播介質(zhì)、以聲波為信號載體,利用聲波在鉆柱中的傳播進行井下數(shù)據(jù)的無線傳輸。該技術(shù)不受鉆井介質(zhì)、地層等外界條件的限制,數(shù)據(jù)傳輸速度快,不僅可以滿足一般常規(guī)鉆井隨鉆信息傳輸?shù)男枰?,而且可以滿足鉆井新技術(shù)、新工藝對隨鉆測量信息高速傳輸?shù)囊螅且环N具有極大潛力的無線信息傳輸技術(shù)。同時聲波傳輸系統(tǒng)可以利用鉆柱中出現(xiàn)的縱向彈性波,可以在鉆井過程中,通過振動的波形來判定牙輪鉆頭的磨損情況。聲波傳輸技術(shù)的最大缺點是傳輸信道不好把握,抗干擾能力弱。
2.4 電磁波傳輸技術(shù)
電磁波信號傳輸主要是依靠地層介質(zhì)來實現(xiàn)的。井下儀器將測量的數(shù)據(jù)加載到載波信號上,測量信號隨載波信號由電磁波發(fā)射器向四周發(fā)射,地面檢波器在地面上將檢測到的電磁波中的測量信號卸載并解碼、計算,得到實際的測量數(shù)據(jù)。電磁波傳輸?shù)膬?yōu)點是傳輸速度較快,適合于普通泥漿、泡沫泥漿、空氣鉆井、激光鉆井等鉆井施工中傳輸定向和地質(zhì)資料參數(shù)[3]。缺點是:電磁波傳輸?shù)木嚯x有限,不適合超深井施工。
3 技術(shù)現(xiàn)狀
目前,國外已經(jīng)有了智能鉆桿、聲波傳輸、連續(xù)波傳輸?shù)雀咚俾蕚鬏敩F(xiàn)場試驗成功的相關(guān)報道。特別是智能鉆桿,已經(jīng)開始了商業(yè)化的推廣應(yīng)用。國內(nèi)目前仍處于起步研究階段,大多數(shù)的研究仍然停留于理論研究階段。智能鉆桿、聲波傳輸?shù)扔械目蒲性核M行了試驗樣機的研制。
4 結(jié)語
隨著LWD、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具、地質(zhì)導(dǎo)向、無風(fēng)險鉆井系統(tǒng)等隨鉆測井工具的出現(xiàn),鉆井技術(shù)實現(xiàn)智能化、可視化鉆井已經(jīng)成為可能,但進一步的發(fā)展已經(jīng)受限于數(shù)據(jù)井下數(shù)據(jù)的傳輸速率。所以,數(shù)據(jù)實時快速傳輸已經(jīng)是急需解決的問題。隨著傳輸技術(shù)的不斷進步,目前現(xiàn)用的鉆井液傳輸技術(shù)由于成本優(yōu)勢在淺井、常規(guī)井還會繼續(xù)使用。而在,深井、超深井等特殊工藝井將會逐漸被傳輸速率快的技術(shù)所取代。智能鉆桿、聲波傳輸、電磁波傳輸?shù)燃夹g(shù)將會是未來幾年鉆井技術(shù)的研究熱點和方向。
參考文獻
[1] 楊謙.隨鉆測量系統(tǒng)泥漿脈沖傳輸方式介紹[J].湖南農(nóng)機,2010(5):27-28.
[2] 孫浩玉.智能鉆桿通訊關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中外能源,2011(8):48-52.
[3] 馬哲.無線隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].第六屆石油鉆井院所長會議,2006.
收稿日期:2015-02-10
基金項目:國家重大專項項目21課題“;西部山前復(fù)雜地層安全快速鉆井技術(shù)”;(課題編號2011ZX05021-001)
作者簡介:趙繼斌(1985—),山西壽陽人,本科,工程師,畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)機械專業(yè),研究方向:井下鉆完井工具研發(fā)。
數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用2015年2期