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.     

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.     

新世纪第二个五年测井技术的若干进展

本文对新世纪第二个五年测井技术的进展进行评述,分析电缆测井、随钻测井、地层测试等井筒探测技术的发展状况,介绍了一些最新的测井仪器和测井方法,重点讨论了测井技术在地层各向异性探测方向的进展.此外对井下永久传感器网络技术,噪声测井,重力测井,过钻头测井的进展进也行了介绍.     

测井技术新进展综述

在过去几年里,测井技术受石油勘探开发需要所推动,并借助现代电子和信息技术的新成就,发展十分迅速.三分量感应和正交偶极声波等新型成像测井仪器的出现,使地层各向异性研究成了热点.网络测井作为新一代测井系统,处于研制和完善阶段.新的裸眼井测井仪器,如新型的满贯组合测井系统、三分量阵列感应测井仪、油基泥浆电阻率成像测井仪等得到进一步改进.新的套管井测井仪器,如过套管电阻率测井仪、新型脉冲中子类测井仪等不断出现并得到改进.随钻测井系列不断增加,如随钻核磁共振测井、随钻地层测试,等等.新的测量工艺技术,如过套管地层测试、井下永久传感器工艺技术等正日趋成熟.新的测井概念,如测井-取心联作、套管外取心、动电测井、套管钻井测井等,给人耳目一新的感觉.对国外测井技术现状和水平进行全面而深入的研究,对于我们当前的科研和生产具有指导和借鉴作用.本文综合评述了近几年测井技术六个方面的重大进展：（1）岩石物理性质;（2）测井地面系统;（3）裸眼井测井;（4）套管井测井;（5）随钻测井;（6）射孔、取心和测试.在深入研究的基础上探讨了测井技术的发展方向,主要结论是岩石各向异性仍将是岩石物理研究的一个重点,测井传感器的物理模拟和数值模拟在测井仪器的设计中将扮演越来越重要角色,测井地面系统的发展主要集中在网络化、综合化的方向上,井下仪器的发展主要体现在集成化和阵列化的发展方向上.从长远看,随着井下永久传感器和施工工艺技术不断发展和完善,套管井测井中的许多项目最终会被取而代之.随钻测井技术仍将迅猛发展,随钻测井必将逐步取代电缆式裸眼测井.     

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.     

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.     

考虑了错误恢复的测井数据远程无线传输技术

测井资料远程传输是服务公司迫切需要解决的问题,本文介绍的测井数据远程传输技术,可以有效地解决测井数据的传输问题,同时与CifNet多井数据管理系统有机结合,使测井数据传输、入库、管理及查询实现了自动化,提高了测井资料周转时间。该技术采用了数字签名技术,实现了数据传输的断点续传和错误恢复功能,保证了测井数据传输的高效性和可靠性。     

随钻伽马测井快速正演算法及地质导向应用

在定向井及水平井钻井过程中,常采用地质导向技术;地质导向的关键在于实时确定地层界面和产状、实现地层模型的实时更新和井眼轨迹的及时调整,从而最大限度地提高油层的钻遇率.利用基于地层模型的测井响应正演曲线与随钻测井曲线进行对比是确定地层界面的有效方法;本文基于伽马射线在地层中的衰减规律,导出了不同地层模型中随钻伽马测井响应快速正演算法,克服了目前难以将蒙特卡罗算法用于实时随钻伽马测井正演的困难.应用实例表明该方法可以有效地辅助实时判定实际地层界面,更好地实现地质导向.     

多极源随钻动电测井波场特性实验研究

探索基于孔隙介质动电效应的随钻测井新方法是当前测井勘探领域的热点研究之一.本文针对随钻测井情况下的动(声)-电转换机理,在砂岩模型井中进行了多极源(单/偶/四极源)随钻动电测井实验研究,记录了井中声波激发动电转换波场的时域波形,给出了各分波的时间-速度图,并与多极源随钻声波测井数据进行对比,结果表明:钻铤波诱导的动电转换信号在随钻动电测井全波中的相对幅度显著降低,从而可准确提取到地层声波的传播速度,实现了利用随钻动电测井方法测量地层波速的目的,验证了随钻动电测井技术可有效抑制钻铤波的思想.本文还进一步分析了钻铤波的动电耦合特性,并结合有机玻璃模型井中随钻动电测井和无井孔模型下的随钻声波测量,研究了伴随钻铤波电场信号的传播特性和衰减规律,深入探讨了随钻动电测井全波中钻铤波被削弱的原因,并给出了定量的实验数据分析,为随钻动电测井理论模拟的解释提供有效实验数据支撑.     

随钻测量电磁传输信道研究

文中讨论了地球物理勘探中的随钻测量电磁传输信道激励方式及物理模型；应用改进的等效传输线法与电极法,研究了影响地面电极检测电压的信道参数,给出了随钻电磁信道最人可测深度与地层电阻率、工作频率及井场干扰噪声的关系.与实测数据比较表明,所用理论模型能较好地预测随钻电磁信道的主要特性.     

随钻方位伽马测井仪器的优化设计

随钻方位伽马测井仪器能在钻井过程中有效测量地层的方位放射性强度,其测量效率与其结构参数有关.合理设计测井仪器的结构参数,可以大大提高其测量效率.利用蒙特卡罗数值模拟方法建立模型,从归一化统计误差和探测特性分析仪器的响应特征,为结构参数的选取提供理论依据.研究结果表明,6.75 in(1 in=2.54 cm)的钻铤外径下,当晶体直径为1 in左右,晶体长度为18~22 cm,屏蔽体长度为2~3 cm,屏蔽体厚度为2~3 cm,窗口材料为铍,屏蔽体开口角度选在0°附近,泥浆通道半径为2 cm左右时,仪器可以获得相对较低的统计误差和相对较好的探测特性.该研究表明,优化后的随钻方位伽马测井仪器的测量效率大大提高.     

随钻声波测井钻铤模式波衰减规律研究与隔声体设计

随钻声波测井技术近年来发展很快,这门技术的关键技术之一是随钻仪器的隔声设计,以保证在随钻条件下有效地测量地层的声波信号.针对普遍采用的刻槽隔声技术,本文利用三维有限差分弹性波场模拟对钻铤刻槽前、后的声波响应进行了数值模拟和理论研究.通过模拟结果的理论分析给出了钻铤波固有阻带分布规律与钻铤尺寸关系和钻铤波衰减频段与刻槽宽...     

A study on directional resistivity logging-while-drilling based on self-adaptive hp-FEM

Numerical simulation of resistivity logging-while-drilling (LWD) tool response provides guidance for designing novel logging instruments and interpreting real-time logging data. In this paper, based on self-adaptive hp-finite element method (hp-FEM) algorithm, we analyze LWD tool response against model parameters and briefly illustrate geosteering capabilities of directional resistivity LWD. Numerical simulation results indicate that the change of source spacing is of obvious influence on the investigation depth and detecting precision of resistivity LWD tool; the change of frequency can improve the resolution of low-resistivity formation and high-resistivity formation. The simulation results also indicate that the self-adaptive hp-FEM algorithm has good convergence speed and calculation accuracy to guide the geologic steering drilling and it is suitable to simulate the response of resistivity LWD tools.     

随钻声波测井FDTD模拟及钻铤波传播特性研究

幅度大的钻铤波掩盖地层信号是困扰随钻声波测井技术的难题,认识钻铤波特性对于消除或有效降低钻铤波至关重要.记录岩石动电效应引起电磁场的随钻动电测井,被认为有望彻底解决钻铤波干扰问题.本文采用有限差分法,模拟不同钻铤、不同井孔结构的随钻声场,对比分析了单极源钻铤波的传播特性,阐明存在伴随钻铤波动电信号的原因.结果表明:钻铤声波在沿钻铤传播时向外部介质辐射能量,透过井壁进入地层的具有视钻铤波速度的声波,与地层纵横波一样可发生动电转化,因而可导致随钻动电测井时产生钻铤波速度的电磁信号.计算还表明,高频情况下,随钻声波测井钻铤波呈现两阶模式:具有低频截止频率的高阶钻铤波幅度较小,其速度略低于钻铤纵波速度;无截止频率的低阶钻铤波幅度较大,其波速在高频时甚至低于钻铤横波速度.这种频散特性和多阶模式特性,是径向多分层开波导结构的导波属性.     

随钻四极横波测量的数据驱动频散处理方法

针对随钻四极横波测量中的频散效应,本文采用了一种数据驱动的频散处理方法.根据四极子声波频散数据计算慢度概率密度及其拟合函数,再对该函数寻边确定实际地层的横波慢度.该方法在对理论模拟数据及现场随钻测井数据处理中均取得了良好的应用效果,为随钻四极子横波测井提供了一种快速有效的处理方法.     

Analysis and application of the response characteristics of DLL and LWD resistivity in horizontal well

There exist different response characteristics in the resistivity measurements of dual laterolog (DLL) and logging while drilling (LWD) electromagnetic wave propagation logging in highly deviated and horizontal wells due to the difference in their measuring principles. In this study, we first use the integral equation method simulated the response characteristics of LWD resistivity and use the three dimensional finite element method (3D-FEM) simulated the response characteristics of DLL resistivity in horizontal wells, and then analyzed the response differences between the DLL and LWD resistivity. The comparative analysis indicated that the response differences may be caused by different factors such as differences in the angle of instrument inclination, anisotropy, formation interface, and mud intrusion. In the interface, the curves of the LWD resistivity become sharp with increases in the deviation while those of the DLL resistivity gradually become smooth. Both curves are affected by the anisotropy although the effect on DLL resistivity is lower than the LWD resistivity. These differences aid in providing a reasonable explanation in the horizontal well. However, this can also simultaneously lead to false results. At the end of the study, we explain the effects of the differences in the interpretation of the horizontal well based on the results and actual data analysis.     

随钻动电测井中声诱导电场的理论模拟

为防止沿钻铤传播的声信号掩盖来自地层的声信号,目前需在钻铤上刻槽以实现对地层纵、横波速度的测量.但刻槽不仅占用钻铤空间,且降低了钻铤的强度和刚度.本文探讨在不刻槽条件下,利用动电效应获得地层纵横波速度的可行性.为此,模拟了随钻声波测井信号及由岩石动电效应产生的电场信号.先视地层为黏弹性介质,模拟随钻声波测井信号,再利用围压与孔隙流体压强的关系获得了声波在地层中引起的孔隙压强,然后计算由孔隙地层动电效应产生的声诱导电磁场.对多极声源激发的声场波形及其诱导电场的波形进行比较,发现随钻声诱导电场中钻铤波的相对幅度明显小于随钻声场中钻铤波的相对幅度.此外,发现在慢速地层条件下,偶极声源激发的电场中出现了比较明显的地层横波信号.     

Ellog Auger Drilling: Three-in-One Method for Hydrogeological Data Collection

The Ellog auger drilling method is an integrated approach for hydrogeological data collection during auger drilling in unconsolidated sediments. The drill stem is a continuous flight, hollow-stem auger with integrated electrical and gamma logging tools. The geophysical logging is performed continuously while drilling. Data processing is carried out in the field, and recorded log features are displayed as drilling advances. A slotted section in the stem, above the cutting head, allows anaerobic water and soil-gas samples to be taken at depth intervals of approximately 0.2 m. The logging, water, and gas sampling instrumentation in the drill stem is removable; therefore, when the drill stem is pulled back, piezometers can be installed through the hollow stem. Cores of sediments can subsequently be taken continuously using a technique in which the drill bit can be reinserted after each coring. The Ellog auger drilling method provides detailed information on small-scale changes in lithology, sediment chemistry, and water, as well as gas compositions in aquifer systems–data essential to hydrogeological studies.