¿Investigación sobre tecnologías clave para la perforación inteligente en ingeniería geotécnica?
En campos industriales como la ingeniería civil, la construcción, la conservación del agua, la minería y el petróleo y el gas, la perforación suele ser la forma más directa y fiable de captar los parámetros físicos y mecánicos de las capas de roca y suelo para evaluar razonablemente los estratos y determinar el diseño de ingeniería y las técnicas de construcción. Aunque los métodos geofísicos han logrado grandes avances, la incertidumbre y la diversidad de los métodos geofísicos están determinadas por el hecho de que el método en sí se basa en la diversidad del campo geomagnético, por un lado, y, por el otro, está inevitablemente interferido por campos electromagnéticos artificiales externos. de. Esta inevitable contradicción, así como las diferencias electromagnéticas y las interferencias de fuentes afines y no afines, determinan la incertidumbre y diversidad de los métodos geofísicos. Además, debido a que los métodos geofísicos son difíciles de revelar las características mecánicas de los estratos y las rocas, deben depender más de un análisis geológico integral y todavía existen muchas limitaciones en la tecnología de aplicación de ingeniería. Los métodos tradicionales de perforación y exploración requieren pruebas geotécnicas in situ, muestreo, catalogación, pruebas de propiedades geofísicas y mecánicas en interiores e identificación de litología durante el proceso de perforación, lo que resulta en una gran carga de trabajo, ciclos largos y altos costos. Según las estadísticas, en la exploración de perforación de cimientos, el tiempo puro de perforación representa menos del 30% del tiempo total de exploración de perforación, y los costos de exploración de perforación generalmente representan del 15% al 28% del costo total del proyecto [1]. Por tanto, la perforación en ingeniería geotécnica sigue siendo una tarea muy compleja. Con la profundización de la minería, el transporte, la conservación del agua, la protección estratégica y los experimentos físicos básicos profundos, la perforación y exploración profundas se han vuelto particularmente importantes. En el campo de la ingeniería geotécnica internacional, se ha explorado un método simple y eficaz para obtener información de ingeniería geológica de formaciones. La teoría y la tecnología de perforación inteligente son temas de frontera importantes para futuras investigaciones. Este artículo se centra en los importantes avances y problemas existentes en este campo, y aclara el contenido y la dirección de futuras investigaciones. 1 Tecnologías clave de perforación inteligente 1.1 Componentes y principios básicos de los sistemas de perforación inteligentes Las tecnologías básicas de perforación inteligente incluyen principalmente los siguientes cinco sistemas. (1) Sistema de transmisión de potencia en el fondo del orificio. El sistema debe cumplir con los requisitos de energía para una potencia fuerte durante la perforación y la medición en el fondo del pozo durante las operaciones de perforación (DMWD), y una potencia débil para el sistema de medición y el sistema de transmisión de información. (2) Sistema de medición y diagnóstico de parámetros operativos de la plataforma de perforación. Ver referencia [1]. (3) Sistema integrado de medición digital DTH durante la perforación. Se instalan varios sensores de alta gama en la unidad MWD y varias unidades inteligentes controladas electrónicamente, como sondas de medición de características litología y resistividad de la formación, sondas de densidad gamma y de neutrones, sondas acústicas, sondas de vibración magnética nuclear, sensores de presión de poro de formación, ángulo de inclinación del pozo. , ángulo de azimut, ángulo de la cara de la herramienta de dirección, WOB del fondo del pozo, torque de la broca, sensores de fuerza para cada sección de la tubería de perforación, sensores de tensión y temperatura de la broca, sensor de temperatura del suelo del fondo del pozo, etc. (4) Sistema de transmisión de información en el fondo del pozo. La información medida por el sensor se transmite a tierra en tiempo real en forma de bus serie a través de la línea de señal de transmisión de datos por cable. (5) Sistema de análisis de datos terrestres. Consta de computadoras, monitores, impresoras, trazadores y otros terminales, y está conectado al centro de procesamiento de información del sistema de red. De esta manera, mediante la adquisición y el procesamiento durante la perforación, se pueden obtener con precisión perfiles estratigráficos reales completos y datos de clasificación estratigráfica. El principio básico del sistema de perforación inteligente es instalar un sistema de medición durante la perforación en o cerca de la broca para medir los parámetros de trabajo del equipo de perforación, la posición de la broca, la inclinación de la perforación, la orientación de la perforación, la litología de la perforación, la dureza de la perforación y la intensidad de la perforación. en tiempo real a través de diversas tecnologías de sensores, tensión de la broca, etc., obteniendo así trayectorias de perforación, histogramas de perforación, parámetros físicos y mecánicos, clasificación de rocas y datos de tensión in situ de formaciones relevantes, para lograr una evaluación en tiempo real de la formación. . Al mismo tiempo, se realiza el diagnóstico, gestión, control, retroalimentación y ajuste en tiempo real del estado de trabajo de la plataforma de perforación. A través del proceso continuo de medición y recopilación, análisis y toma de decisiones, control y ejecución, remedición y recopilación, reanálisis y toma de decisiones, y luego control y ejecución, finalmente se logra el propósito de la perforación inteligente. 1.2 Tecnología de monitoreo del proceso de perforación El sistema de perforación instrumentada (IDS) es el prototipo de la tecnología de perforación inteligente. El Reino Unido, la ex Unión Soviética, Alemania, Francia, Japón, Canadá, Estados Unidos y China han realizado una serie de estudios. Los sistemas de perforación por instrumentos como Empasol, Papero, Kashima Construction [2], KYPC, HDK y Da-Ta-Sentry [3] realizan un monitoreo automático de los parámetros operativos de la plataforma de perforación y de los parámetros de perforación, como los aplicados a las herramientas de perforación. La velocidad de la herramienta de perforación, el par y el desplazamiento de la broca, etc., se utilizan para determinar las capas de formaciones simples. Para el IDS anterior, el principal avance del Sistema de Monitoreo del Proceso de Perforación (DPM) [4] es establecer la teoría de identificación de similitud de muestras grandes y gráficos no lineales complejos, que resuelve la correlación entre datos de muestras grandes en los parámetros de perforación [1] Analizar el problema. Se han establecido un método de clasificación de la capacidad de perforación en tiempo real basado en parámetros y energía de perforación, un método de búsqueda e identificación de pendientes para gráficos no lineales multimodales y un método de discriminación de agrupamiento de formaciones para categorías y números de clasificación desconocidos [5-7]. Los logros teóricos se han discutido en [1]. 1.3 Tecnología de navegación y posicionamiento de bits El posicionamiento de bits incluye coordenadas espaciales tridimensionales (longitud, latitud, elevación) y orientación. A finales de la década de 1980, la navegación de perforación se realizó basándose en magnetómetros de tres ejes y acelerómetros de tres vías. Los magnetómetros y acelerómetros son el hardware principal de una unidad de medición inercial. Se instalan en el conjunto del fondo del orificio (BHA). Durante la medición, el BHA está en estado de reposo. Los magnetómetros y acelerómetros miden los componentes del campo magnético de la Tierra y los componentes de la aceleración gravitacional en tres direcciones ortogonales, respectivamente. El componente del campo geomagnético se calcula matemáticamente para obtener el ángulo de acimut y el componente de aceleración gravitacional se utiliza para calcular el ángulo de inclinación y establecer la posición del BHA.
Sin embargo, el magnetómetro se verá interferido por fuentes de campo externas, como campos magnéticos subterráneos y materiales del sistema de perforación [8]. Desde que Valley y Shorthill de la Universidad de Utah propusieron por primera vez el concepto de giroscopios de fibra óptica en 1976, los giroscopios de fibra óptica se han desarrollado enormemente. El giroscopio de fibra óptica actual es principalmente del tipo de interferencia. El giroscopio óptico integrado integra el acoplador, el polarizador, el modulador y otros componentes ópticos principales en un chip, y conecta la bobina de fibra, la fuente de luz y el detector en las posiciones apropiadas del chip. Práctico giroscopio óptico integrado. Desde la perspectiva de la dirección de desarrollo de los giroscopios de fibra óptica, los giroscopios de fibra óptica integrados son la forma más prometedora de giroscopios de fibra óptica. El giroscopio totalmente de fibra procesa todos los componentes ópticos principales en fibra óptica monopolarizada, evitando errores causados por la conexión de componentes. En la actualidad, la tecnología de giroscopios totalmente de fibra está madura y tiene el mejor rendimiento, lo que es adecuado para el desarrollo de giroscopios de fibra óptica comerciales prácticos en esta etapa. Dado que los giroscopios de fibra óptica de circuito cerrado son insensibles al medio ambiente, especialmente a las vibraciones, son una forma ideal para desarrollar giroscopios de fibra óptica de alta precisión. A principios de este siglo, los giroscopios de fibra óptica [9] se utilizaron para sustituir a los magnetómetros. Los giroscopios de fibra óptica son de tamaño pequeño, no tienen piezas giratorias, tienen un bajo consumo de energía, son muy fiables, no son sensibles a la dinámica de la temperatura ni a las vibraciones y no se ven afectados por los campos magnéticos. Por lo tanto, la IMU ya no necesita protección magnética, es de tamaño pequeño, reduce la calidad y el costo y mejora la precisión. Los giroscopios de fibra óptica se consideran la alternativa más ideal a los magnetómetros. Debido a la influencia del tamaño de la niebla, la IMU basada en niebla ha experimentado el proceso de desarrollo de niebla simple [9], niebla doble [10] y niebla triple [11]. Recientemente, se han utilizado giroscopios de fibra óptica de 3 vías en aplicaciones comerciales, que son de bajo costo, fáciles de instalar y gradualmente tienden a miniaturizarse. Es previsible que los giroscopios y acelerómetros de fibra óptica constituyan un nuevo hardware para los sistemas de navegación inercial. La perforación inteligente también incluye la medición de la dirección e inclinación de la perforación (DIWD). DIWD proporciona información sobre el proceso de perforación y la trayectoria de perforación, lo cual es muy importante para determinar la dirección de avance y la perforación horizontal. En el sistema de control, la información retroalimentada por DIWD puede ajustar el proceso de perforación para seguir el camino establecido o determinar la trayectoria de la perforación. Las investigaciones muestran que en la medición DTH basada en sensores magnéticos, se requiere una carcasa especial no magnética para proteger la IMU, y la longitud de la carcasa depende de la precisión, ubicación e inclinación del orificio de perforación. En latitudes altas del norte, la distancia entre el sensor magnético y la broca debe ser ≥ 27 m [12]. En la IMU FOG, la IMU cambia de una niebla única a una niebla de tres vías. La distancia desde la niebla a la broca se reduce a 7 ~ 8 m. El diámetro de la tubería de perforación diseñado es de 165,1 mm. y un acelerómetro de tres vías están instalados en la cabina de la IMU La parte delantera y trasera de la IMU Instale un amortiguador y agregue un anillo anular de absorción de vibraciones fuera de la cabina de la IMU. El error de salida de una IMU de niebla única es inferior a 0,1 en un pozo con un ángulo de inclinación superior a 45°, inferior a 0,3 en un pozo con un ángulo de inclinación de 20° y el ángulo de acimut es inferior a 3 cuando se acerca al norte. Cuando se utiliza el procedimiento de actualización de velocidad cero (ZUPT), la precisión del azimut puede ser inferior a 0,5°. 1.4 Identificación de la litología del estrato Actualmente, DPM clasifica las formaciones generalizando los parámetros de perforación y el índice de energía de perforación, y la identificación de la litología se basa principalmente en el análisis geológico. Otro objetivo importante de la perforación inteligente es la evaluación de la formación durante la perforación (FEWD), con tecnologías disponibles que incluyen sensores de resistividad, rayos gamma, neutrones y densidad. La información de muestreo puede almacenarse directamente en el chip de memoria durante la perforación o transmitirse a la superficie a través de un sistema de transmisión de información. Los datos de resistividad y rayos gamma se utilizan para la identificación de formaciones y, combinados con sensores de neutrones y densidad, pueden proporcionar datos sobre litología, porosidad y saturación de petróleo o agua. Se han aplicado métodos de captura de neutrones por pulso (PNC) y registro de neutrones por pulso espectral (SPN), y los rayos gamma generados por el registro PNC del pozo pueden proporcionar información sobre la densidad de la formación. FEWD proporciona datos geológicos de pozo al igual que los registros tradicionales con cable. 1.5 Transmisión de señales DTH Durante el proceso de perforación, cómo transmitir los datos de detección del sistema de prueba BHA al centro de procesamiento de información de la superficie en tiempo real es otra tecnología clave para la perforación inteligente. En el campo del petróleo y el gas, existen cuatro formas de transmitir señales de detección de fondo de pozo durante la perforación: pulsos de lodo, cables aislados, ondas electromagnéticas y ondas acústicas. Según el principio de transmisión, la transmisión de señales por cable se puede dividir en dos categorías: transmisión inductiva y transmisión por conexión dura. La transmisión de señales por cable se originó en la década de 1930. En 1939, Crites y otros propusieron por primera vez la tecnología de utilizar la sarta de perforación para realizar la transmisión de señales por cable entre la superficie y el fondo del pozo, es decir, establecer un sistema de información de control y medición de perforación de circuito cerrado bidireccional entre la superficie. y el fondo del pozo a través de cables.
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