大闭环伺服控制随钻智能导向钻井方法

深层油气资源量巨大,是全球油气开发的重要方向.随着钻井朝着深层(＞4500 m)和超深层(＞6000 m)发展,地质条件更加复杂,深层钻井泥浆信号传输速率受限,井下随钻测井等数据传输延迟,增加了钻井事故的频率及钻出储层的风险.当前井场智能决策钻井的方法不适用,井下自主智能钻进是未来深层超深层高效钻进的发展方向.本文借鉴无人驾驶汽车的理论技术架构,提出了一种大闭环伺服控制随钻智能导向钻井方法,集旋转导向、地质导向、随钻地震、电磁前探、随钻测量、信号传输、自动钻机等技术于一体,利用"边钻边学"的人工智能评价与决策方法,智能识别钻头前方油气藏甜点,智能决策钻进方向和钻速,并利用大闭环伺服控制实现井下钻头的自主智能导向和钻进.大闭环伺服控制随钻智能导向钻井架构包括钻进感知、智能决策与大闭环控制3个部分.钻进感知部分通过随钻测井数据获取钻头定位信息、井周地层及钻头前方特性参数,智能决策部分依据钻进感知部分获取的信息通过人工智能决策模型修正轨道和优化钻进策略,大闭环控制部分根据智能决策指令调整钻进方向和速度.本文在钻进感知部分采用支持向量机算法利用随钻测井数据进行岩性智能识别,优选随机森林算法和长短期记忆(Long Short Term Memory,LSTM)循环神经网络对孔隙度、渗透率、饱和度和泥质含量进行评价.在智能决策部分优选随机森林算法对机械钻速进行预测与优化,均获得了高准确率.     

旋转导向系统中非接触电能与信号一体化传输技术

旋转导向系统可有效提高钻井速度、安全性和井眼轨迹控制精度,是油气行业尤其是复杂环境下油气勘探开发的核心设备之一.非接触电能和信号传输单元是旋转导向系统中将电能和信号从旋转主轴传输至非旋转外套的重要单元.为了保证高温下大负载时电压输出的稳定性以及信号同步传输的可靠性,本文提出一种载波调制式电能与信号一体化的传输方法,在信号并联注入并联拾取的同步传输拓扑结构基础上,增加隔离电感与谐振电容,对新的拓扑结构进行数学建模,对电压增益、电流增益以及效率进行仿真,并通过仿真结果选择最优电路参数.实验验证该电路拓扑和传输方法在175℃环境温度下带载可到150 W,在150 W动态带载下输出电压的变化幅值小于输入电压的8%、传输速率115200 bps(bit per second,比特率)且误码率低于百万分之一.     

智能导钻井下随钻单芯总线信道特征及接口驱动

随钻总线系统实时收集上传井下随钻测井数据与钻井工程参数以及下达地面控制命令,通过井地传输系统,实现地面与井下之间的数据与命令交换,形成钻井控制大闭环,是完成智能导钻的关键技术环节.本文从随钻单芯总线的信道特征、总线电路及其等效模型几方面介绍智能导钻井下随钻单芯总线系统,总结了总线的最佳工作频率及负载特征,分析了总线接口的简单可靠的驱动方法,通过电路测试,验证其可靠性.研究发现单芯总线信道的特征阻抗随分布参数变化很大,导致仪器横卧与竖立状态下,通信信道特性明显不同,本文根据信道特性变化规律,避开敏感频带,并将信道特征转换成等效电路模型,进一步明确了总线系统正常工作的参数设置方法.设计的总线系统已开展井下实钻试验连续工作3口井,累计工作时间超过270 h,累计钻进5300 m以上,未发现故障,系统工作稳定.     

随钻电磁波传播方位电阻率仪地质导向关键技术

随钻电磁波传播方位电阻率仪器在钻井过程中可以提供地层边界的方位及距离信息,因此在地质导向应用中发挥着重要作用,是提高油气资源开采率的重要手段.该技术是国外近十年来发展起来的前沿技术,在国内尚属空白.本文首次构思并实现了一种应用"交联天线"的随钻电磁波传播方位电阻率仪器,并从天线结构,测量原理,数据处理以及地层电阻率成像及解释等几个方面详细阐述.交联天线由极化方向正交的线圈串绕组成,同时具有方位探测和地层背景电阻率测量的功能.通过分析交联天线的电压在仪器旋转过程中的变化规律,可以计算出仪器所在地层的电阻率,判断地层边界的方位以及估算地层边界相距仪器的距离.该随钻电磁波传播方位电阻率仪器还包括用于常规电磁波传播电阻率测试的多频多测距补偿天线结构.结合地层电阻率测量及其在方位上的相对变化,可以实现对地层电阻率的全方位成像.该仪器在国内油田进行了多次实井测试,测试结果证明仪器能够在水平井地质导向中准确提供仪器所在地层的电阻率,以及地层边界方位和距离信息.已有实井测试结果表明仪器在油层(100Ωm)和泥岩(5Ωm)中的地层边界探测深度分别为2.2m和1.6m,平均误差在0.2m以内.     

475型静态推靠式旋转导向钻具组合的弯曲应力分布规律

旋转导向钻井系统(RSS)是定向钻井的核心装备.经过多年攻关,中海油田服务股份有限公司(简称中海油服)研制出了475型旋转导向钻井系统.为了降低该系统在高造斜率井段的疲劳失效风险,本文采用纵横弯曲梁理论建立了475型静态推靠式旋转导向钻具组合(RSBHA)力学分析模型,模拟分析了RSBHA的弯曲应力总体分布规律、最大弯曲应力影响因素及变化规律.研究表明,限定导向头结构参数条件下,适当加长挠性短节并合理调控钻压和导向合力有助于获得较高造斜率并降低BHA(Bottom-Hole Assembly,底部钻具组合)最大曲率和弯曲应力,最终降低挠性短节疲劳失效风险.研究成果能够为提升该系统的工作能力和安全可靠性提供支持.     

随钻方位电磁波测井多参数快速反演

大斜度井/水平井随钻测井技术已被广泛的应用于各种复杂油气藏中,但传统随钻电磁波测井仅提供仪器轴向磁场分量,井斜和各向异性对测井响应影响耦合在一起,难以剥离,无法基于反演同时获取多个参数,进行相应的地层评价,且不能提供方位信息,难以实现地质导向功能.随钻方位电磁波测井在提供仪器轴向磁场分量的基础上,还提供了仪器横向磁场分量,其提取的地质导向信号,对地层界面非常敏感,受井斜、地层电阻率对比度和各向异性影响弱,可以反演得到准确的界面位置.此外,额外的磁场分量信息,有效降低了井斜与各向异性的耦合程度,可基于反演算法实现多参数联合反演,满足电阻率测井精细解释评价需求.     

地震成藏学核心内容与技术方法体系探讨

地震成藏学是随着地震勘探技术和油气成藏理论的不断发展,为了满足现阶段油气勘探实践需要而提出的一门交叉学科.其主要目的是充分利用先进地震技术解决油气动态成藏问题,促使油气成藏从二维、静态向三维、动态方向发展.本文在石油地震地质学最新研究成果基础上,结合地震研究方法和油气成藏学理论最新动态,通过基本原理、学科特点等的综合分析,重新定义了地震成藏学的概念,厘定了地震成藏学研究思路、核心内容与技术方法体系.认为地震成藏学是在油气成藏理论指导下,充分利用地震信息和先进地震技术对油气成藏的静态地质要素、动态地质过程和油气藏空间分布进行研究,最终实现动态成藏建模的一门科学.认为地震成藏学大致包括四方面研究内容:1)静态成藏要素地震地质研究,2)动态成藏过程地震地质研究,3)油气藏空间分布地震地质综合预测和4)油气成藏地震地质综合评价及建模研究.其中,后三者将成为该学科研究核心和今后攻关主要方向.本文针对地震成藏学的主要研究内容,按照勘探区地质认识程度的不同,分别提出了基于烃源岩地震预测技术、成藏动力地震预测技术、油气输导体系地震预测技术和油气成藏地震演化剖面综合分析等关键技术的地震成藏学解析技术和基于岩石物理模拟、流体置换等地震成藏单元随机模拟技术.     

深层-超深层碳酸盐岩多类型储集体地震预测

塔里木盆地、四川盆地以及鄂尔多斯盆地深层-超深层碳酸盐岩油气藏是中国油气勘探的重要领域.由于中国海相深层碳酸盐岩储层发育的主控因素差异很大,碳酸盐岩储集体类型多,非均质性极强.随着深度增加,海相地层地震资料信噪比低、分辨率变差,增加了碳酸盐岩储层地震预测的难度.本文提出了以“相、面、断”三种端元为基础的深层碳酸盐岩储集体分类的新方法,针对相控型、面控型和断控型三种类型储集体,形成了相应的储集体预测方法、流程,包括：(1)川西雷口坡组气田潮坪相白云岩薄储层“三型两构”组合预测技术;(2)川北茅口组气藏礁滩相白云岩薄储层地震沉积学分析约束的高分辨率反演技术;(3)顺北油气田奥陶系断控储集体基于振幅响应正演模拟的定性-定量描述;(4)大牛地奥陶系不整合面岩溶储集体地质规律指导下的波形分类与古地貌刻画技术.这些方法围绕特定类型储集体的特征,充分运用地质分析所建立的储集体模式,较好地预测了储集体的厚度、物性、含油气性及分布范围,实现了单纯依据地震数据无法达到的预测目标,取得了良好的应用效果,有力支撑了深层-超深层油气勘探突破与高效开发.     

中国东部原位火山岩油气藏的形成机制——以松辽盆地徐深气田为例

中国东部中新生代断陷盆地群发现了大量的原位火山岩油气藏.以松辽盆地早白垩世徐家围子断陷为例,钻井揭示结果及地质、地球物理综合分析表明,原位火山岩油气藏形成机制具有＂断控体、体控相、相控储、储控藏＂的特点,即深大断裂样式控制火山岩喷发方式决定火山岩体及气藏分布,火山岩体控制火山岩相带的展布空间决定火山岩油气藏规模,火山岩相控制储层物性的优劣决定油气层的有效厚度,火山岩储层物性控制油气藏类型决定火山岩油气层产能.研究认识对指导断陷盆地原位火山岩油气藏的发现具有理论和实践意义.     

地震成藏学及其应用

地震成藏学是继地震地层学、地震沉积学和油气成藏学之后的一门新兴边缘交叉学科分支,是地球物理勘探技术及其成果与现代油气成藏理论相结合的产物.通过对其研究方法、内容及关键技术分析,认为直接利用地震解释成果(构造解释剖面、岩性反演剖面、烃检测剖面等)进行油气成藏分析是其研究的独特方法,它以精细地震构造解释技术、高精度地震岩性反演技术和稳定的地震弹性参数反演及烃类检测技术为手段,以现代油气成藏理论为指导,结合地震资料及解释成果,在油气潜力预测和勘探开发方面展示出良好的应用前景.以塔南凹陷t46井区为例,发现日产近万方的油气井,论证了高精度地震岩性反演技术在隐蔽油气藏(主要是岩性油气藏)预测中的重要价值.     

超深层目标随钻测井引导的动态地震成像

超深层油气储层目标上覆巨厚的复杂介质,基于地面观测数据估计的地震波传播速度存在误差,将导致地震成像结果不准确,增加深井钻探风险或勘探成本.随钻测井提供的地层速度信息可用于提高偏移速度模型的精度,从而通过叠前深度偏移重处理减小井震闭合误差,及时地重新定位深层的钻探目标,并为钻井轨迹调整提供科学依据.为此,本文提出一种随钻测井引导的动态地震成像方法.它在相对地质年代信息约束下,将测井资料处理获得的层速度用于修正井孔周围一定范围内的偏移速度模型,结合波动方程基准面延拓实现局部三维叠前深度偏移处理,利用图形处理单元(GPU)加速以便更新钻头前方的地震图像.基于实际地震与测井资料的仿真试验表明该方法技术具有可行性,预期可为面向深储层的智能导向钻井提供有力支撑.     

T17断块岩性地层油气藏高效勘探开发模式研究

断陷湖盆缓坡带是油气运移的优势指向区,具备形成岩性地层油气藏的优越条件.本文采用地球物理技术与石油地质分析相结合的方法,分析了T17断块岩性地层油气藏的地质特征与油气展布规律,认为：（1）油气成藏受不整合面、岩性及构造因素综合控制;(2)单个含油砂体的油层在上倾部位受储层超覆尖灭线控制,下倾方向受油水界面控制;(3)多个含油砂体叠和构成了岩性地层油气聚集区带,整个区带油气层纵向上呈阶梯状产出,平面上由构造低部位向构造高部位呈条带状展布.据此,总结该区油气藏的高效勘探开发模式,并应用到该断块的勘探开发实践中,取得了较好的效果.     

智能导向钻井一体化软件系统平台研发

导向钻井技术的智能化是实现复杂油气藏高效开发的重要途径.本文面向智能导钻系统的实际需求,基于云平台、大数据及人工智能等技术,开展了一体化软件系统的研发.针对整套系统模块众多、功能复杂的问题,首先研发了可扩展模块化底层软件平台,在此基础上建立起集成数据采集、传输、存储、应用与决策为一体的工业化软件系统.本文详细介绍了整套软件系统的研发思路、架构设计、实现方式及各模块主要功能,同时开展了人工智能算法研发和软件平台的集成测试.研发的各软件系统模块不仅实现了现有功能的工程实用化,而且具备良好的扩展性,能够为智能导钻技术的持续性发展奠定基础.     

利用绕射信息在裂缝型地层中进行钻前风险评估

钻前风险评估是智能导钻过程中减少井漏井塌等事故的关键环节.在裂缝型地层中，特别是在深层、超深层地区，井筒的承压能力极易受到地层中天然裂缝带的影响，较易出现井漏、井塌等钻井事故，亟需在钻进前进行基于裂缝带的风险评估.绕射波由于对裂缝等小地质体较为敏感，是描述天然裂缝带的有效手段，但是目前的绕射波成像结果通常信噪比不高，较难直接应用于钻前风险评估.论文通过分析绕射波均方根振幅能量，发展适用于绕射波成像的构造平滑技术，提出了基于绕射波信息的天然裂缝带描述方法，提高了数据信噪比，更好地描述了天然裂缝带的空间分布.该方法应用于顺北地区某钻井的深部裂缝型地层中，所得的目标层段预测结果与实钻的漏失、卡钻井段具有较好的对应关系，验证了方法有效性.     

大斜度井/水平井随钻方位电磁波测井资料实时反演方法

水平井钻进过程中,地层边界的准确预测对地质导向决策至关重要.但水平井测井环境复杂,随钻方位电磁波测井响应不直观,储层性质、地层界面等信息的精确、定量评价困难.本文提出了一种适用于大斜度井/水平井随钻方位电磁波测井资料的电阻率及地层界面信息的实时提取方法.该方法主要基于以下几个技术:(1)引入滑动开窗策略将高维随钻方位电磁波测井资料的反演问题转化为多个连续窗口的一维反演问题;(2)对反演参数进行多初值初始化,结合正则化Levenberg-Marquardt算法保证解的全局最优性;(3)充分利用随钻方位电磁波测井多种探测深度信息,采用分级反演策略提高反演速度.数值和实测资料反演结果表明:降维反演方法可实现对地层界面的实时、准确提取,且适用于多数复杂地层结构和任意井眼轨迹;利用浅探测地质信号可实现随钻方位电磁波测井资料的分级反演,最终反演速度可提升10倍以上.     

白云凹陷东部A井区油气输导体系及其控藏作用

南海北部深水区白云凹陷油气资源丰富,勘探潜力巨大,白云凹陷东部目前已获得多个商业性油气发现,但是该地区油气分布较复杂,油气聚集规律仍有待深入分析.本文基于三维地震、钻井、测井和岩心分析资料,对白云凹陷东部A井区油气输导体系及其控藏作用进行了综合研究.研究表明:研究区发育断裂、不整合面和砂岩输导层三类输导体.断开层位多,长期活动的Ⅰ类断裂为油源断裂,垂向上深部主要起输导油气作用,而浅部垂向和侧向封闭性较好,主要起封堵油气的作用;断开层位少,活动时期短的Ⅱ类断裂主要起封堵油气的作用.砂岩输导层主要为ZJ2段和ZJ3段砂体,输导能力强;而珠海组砂体的区域输导能力较差.T70不整合面主要为削超不整合和平行不整合.靠近洼陷的平行不整合面上、下分别为渗透性的砂岩和灰岩岩层,为油气输导层,东部隆起区的削超不整合则有利于油气聚集.分析得出:沟通白云主洼烃源岩的3号断层系发育的断面脊、ZJ2段和ZJ3段砂岩构造脊以及自西向东发育的不整合构造脊控制了油气优势运移方向,为区域油气运移的优势通道.三种输导体组合形成的复合输导体系类型决定了研究区的油气运移聚集规律:断裂与砂体组成的断-砂复合输导体系表现为断-砂耦合输导、油气近源成藏模式,油气成藏的主要层位为ZJ2段;而断裂与砂体和不整合面复合-网状输导体系则表现为断-砂-不整合-构造脊复合输导、油气远源多层系成藏模式,油气纵向上具有多层系成藏的特征.     

陆相断陷盆地油气网络成藏研究与应用

通过对陆相断陷盆地的形成演化特征的整体剖析和对油气成藏主控因素控油气作用的系统研究,提出了油气网络成藏的新概念.油气网络(路)系指油气自源岩中生成后,在各种动力作用下,顺输导体系向周边运移后的路径在时空中构成的三维立体系统.研究表明,油气网络由四大要素构成,它们分别是形成油气网络的物质来源——烃源灶、聚集油气的网端——圈闭、联接网源与网端的网路——输导体系、促使网路中油气运移的网势——运移动力.与其它形式的网络系统相比,油气网络有3个基本特征:一是油气网络中的物质流动和信息流动在地史过程中不可逆;二是油气网络中物质和信息的流动是以物质损耗和信息损耗为代价;三是存在多种不同类型的运烃运力.各要素在地史过程中同一时期内活跃并联合作用形成油气藏概称为网络成藏作用.网络成藏作用具有3种基本模式,即网源内成藏、网路上成藏、网末端成藏.油气勘探实践中应用网络成藏模式的关键是首先确定主成藏期及主成藏期四大要素的控油气作用范围;然后通过各网络要素叠合作用预测最有利成藏区带;最后通过要素关联机制评价圈闭含油气性并确定钻探目标.论文以渤海湾盆地东营凹陷列举了应用实例.     

松辽盆地北部登娄库组底界特征及其油气地质意义

详细研究了登娄库组底界面的不整合平面展布特征,该界面在地震上有明显的削截上超标志,根据所处位置不同主要表现为5种不同岩性特征,岩相、曲线特征突变明显.综合地质地球物理资料研究了不整合的控油及对油气的影响,结果表明:受不整合发育程度控制,盆地不同位置具有不同的油气圈闭特征,其中削藏地层圈闭,超覆地层圈闭,与断裂共同作用控制的削截超覆圈闭控油意义较大,不整合面及其上下的可渗透层是油气运移的良好通道,不整合面上的超覆砂体是登娄库组底部油气聚集的良好场所.     

基于压缩感知谱反演算法及其在随钻过程中的应用

在超高温高压环境下的深海钻井过程中,受关键层位、尤其是薄弱层(弱抗张力地层)影响,加上缺乏海上超高温高压薄弱层精准快速识别及关键层位精准卡层技术方法,以致钻井事故频发,是海上超高温高压油气勘探开发亟待解决的重要问题.随钻过程中高精度地震数据的应用,作为钻井过程实时监测的手段,能够有效提供钻头前方精细地质构造信息.本文在谱反演提高分辨率技术基础上,提出了基于压缩感知L0范数算法的谱反演算法,并形成完整的提高分辨率技术流程.该方法能够相对保幅保真地实现地震数据的有效拓频,识别薄弱层及实现随钻地震高精度关键层位综合预测.方法在南海西部油田深层的随钻实际数据分析中,有效识别了钻头前方薄弱层、关键地层、储层深度等关键信息,结果与钻后测井资料吻合,验证了方法有效性,为南海西部油田超高温高压钻井的风险评估提供依据.     

地层波速的电缆和随钻动电测井实验研究

基于孔隙介质动电效应的测量方法在油气勘探领域有着巨大的潜在应用价值.本文针对理论预测的随钻动电测井可削弱钻铤波对地层声波干扰的问题,设计了室内随钻动电测井实验装置和测量系统,并在小尺寸砂岩模型井中开展了随钻动电测井实验研究.为了突出随钻动电测井技术的特点,本文先在砂岩模型井中进行了电缆声波测井和电缆动电测井实验测量,获得了地层声波的传播速度.然后又在同一模型井中进行了随钻声波测井和随钻动电测井实验,记录了这两种情况下的测井全波波形,比较了电缆声波/动电测井和随钻声波/动电测井的差异性,并进一步分析了钻铤波和井中动电转换信号的传播特性.本文还通过随钻动电测井的时域波形提取到被测地层的纵横波速度,从实验角度验证了随钻动电测井技术测量地层波速的可行性.此外,本文实验结果对随钻动电测井的仪器设计及现场测量也有参考意义.