無線鉆井參數測量儀器的研究現狀及發(fā)展趨勢

李永釗

(中國石油長城鉆探工程公司工程技術研究院 遼寧 盤錦 124010)

·綜 述·

無線鉆井參數測量儀器的研究現狀及發(fā)展趨勢

李永釗

(中國石油長城鉆探工程公司工程技術研究院 遼寧 盤錦 124010)

總結了鉆井參數測量儀器發(fā)展的三個階段：機械式、液壓式儀表階段，自動化、集成化階段和信息化、智能化階段。針對國內外鉆井參數測量儀器有線連接、可移動性差，維護困難，易受干擾的問題，介紹了目前無線鉆井參數測量儀器的研究現狀。通過構建井場無線傳輸網絡，利用低功耗電子技術改造傳感器，解決了無線鉆井參數測量系統數據采集和傳輸問題。指出了該技術的未來發(fā)展趨勢：向多學科、多技術集成方向發(fā)展；向鉆井參數動態(tài)優(yōu)選、智能控制方向發(fā)展。指出無線鉆井參數測量儀器將成為下一代鉆井現場數據采集系統的重要部分。

鉆井參數； 無線傳輸網絡；低功耗；研究現狀； 發(fā)展趨勢

0 引 言

鉆井參數儀、錄井工程參數測量儀等儀器儀表可以對鉆井工況及工程參數進行實時監(jiān)測，及時預報可能出現的復雜情況和鉆井事故，是鉆井工程監(jiān)測鉆進過程、保證鉆井安全、提高鉆井效率、降低鉆井成本的重要工具[1]。

鉆井工程參數測量儀器通過傳感測量技術、實時數據量化分析方法和科學快速的專家決策能力，分析鉆井過程中鉆井工程參數和鉆井液參數的異常變化，對井涌、井漏、井塌、卡鉆、刺鉆具、掉牙輪、堵水眼、掉鉆具等鉆井事故及時給以早期預警，最大限度地降低損失，這對風險性高、耗資巨大的石油鉆探工程意義重大。

1 鉆井參數測量儀器的發(fā)展歷程

鉆井參數測量儀器的發(fā)展可以分為三個階段：一是機械式、液壓式儀表階段，二是自動化、集成化階段，三是信息化、智能化階段。

在油氣勘探開發(fā)的早期，鉆井參數測量儀器是鉆機上配備的機械式、液壓式鉆井儀表，主要是指重表和立管壓力表，陸續(xù)增加泵沖、轉盤轉速表等，這些參數顯示在司鉆操作臺表盤上，通過人工觀察、手工錄入的方式來進行數據分析，時效性和準確性很差。到了鉆井參數測量自動化、集成化的前期階段，出現了集成化的鉆井參數儀器，如六道參數儀、八道參數儀、液面報警器和第一代面板式錄井儀，能測量顯示鉆機在作業(yè)過程中的大鉤懸重和鉆壓﹑轉盤扭矩﹑立管壓力﹑吊鉗扭矩﹑轉盤轉速﹑泵沖、鉆井液池體積等參數的變化情況。隨著微電子、單片機、傳感技術和計算機技術的發(fā)展，出現了脫機式、聯機式綜合錄井儀和獨立的鉆井參數儀，達到了鉆井參數自動采集、存儲、集成顯示的水平，該階段成為鉆井作業(yè)的常規(guī)工具。隨著水平井、多分支井、欠平衡井等特殊復雜井的大量推廣，要求預防鉆井事故更快、更準，優(yōu)選鉆井參數更加科學，建立鉆井專家決策系統實現智能控制鉆井，順應需求，新一代的鉆井參數測量儀器采用CANBUS總線模式來提高傳輸效率，使鉆井參數測量與鉆井工程構成一個全閉環(huán)的控制系統，向著信息化、智能化階段發(fā)展[2]。

目前國際上各大鉆井服務公司都有代表性的儀器，如貝克休斯的DrillByte、Advantage，哈里伯頓的SDL9000，Geoservices的ALS-2，馬丁戴克公司的M/Drill Watch等。測量的參數包括：井深、鉆時、大鉤負荷、轉盤轉速、轉盤扭矩、立管壓力、套管壓力、泵沖、鉆井液出入口密度、鉆井液出入口溫度、出口流量、鉆井液池體積等[3,4]。

我國自二十世紀八十年代引進法國Geoservices生產的TDC綜合錄井儀以后，經過不斷的科研探索，研發(fā)的鉆井參數測量儀器已經具有國際先進水平，其中中國電子科技集團公司第22研究所的ACE型，上海神開的SK系列鉆井參數儀，渤海鉆探公司的德瑪鉆井參數儀各有特色。目前的鉆井參數測量儀器主要有分線制和CAN總線模式兩種，均采用有線布置的方式。前者每一類傳感器都有一路電纜聯接，提供標準的 24 V直流電壓，傳感器輸出4～20 mA電流信號或0～5 V電壓信號，通過數據采集模塊進行分時多路采集，最后通過接線箱進入存儲控制系統；后者采取CAN總線模式，用一根CAN總線將所有的傳感器引入控制系統。在現場的大量應用中這些儀器暴露出了很多問題：

1)兩種方式都需要在井場進行復雜長距離的布線，安裝、拆卸受井場環(huán)境制約、勞動強度大、安全風險高；傳感器的工作電壓較大，必須使用沉重的隔爆箱。這些問題對工廠化鉆井和從式井組鉆井尤為不便。

2)分線制方式輸出模擬信號，電流或電壓信號容易受井場復雜電磁環(huán)境的干擾，干擾操作人員對鉆井狀況的正確判斷；一旦信號中斷，故障排查困難。

3)CAN總線模式，一定程度上減少了布線的繁瑣，但是某一個傳感器的異?？赡軙绊懙秸麄€傳感器系統[5,6]。

2 無線鉆井參數測量儀器的研究現狀

在井場應用日趨成熟的短距離無線傳輸網絡技術和微電子技術可以解決上面的問題，很多科研機構和儀器研制廠家都在致力于開發(fā)無線鉆井參數采集系統，常見結構如圖1所示。目前無線鉆井參數測量儀在抗干擾能力、傳輸網絡結構設計、低功耗傳感器改造等方面還存在薄弱點[7]。

圖1 鉆井參數監(jiān)測系統結構示意圖

2.1 通信方式的選擇

鉆井現場有多種大型電氣設備，電磁環(huán)境復雜，在正常鉆井作業(yè)中, 使用場強計監(jiān)測干擾信號的數據表明，現場干擾信號頻段主要集中在 200～260 MHz、330～500 MHz和800～1 100 MHz。常用的短距離無線通信技術主要有： ZigBee、藍牙(Bluetooth)、無線局域網802.11b(Wifi)、無線433 MHz、915 MHz頻段等，幾種通信方式特點見表1[8]。

表1 各種通信方式的特點

通過以上比較, 從現有的短距無線通信方式來看, ZigBee技術和無線433 MHz、915 MHz通信技術適合組建鉆井井場無線傳感器網絡，這也是目前無線鉆井參數采集系統研究的兩個方向。如中國電子科技集團公司第22研究所開發(fā)了基于zigbee協議的無線鉆井參數監(jiān)測系統，上海神開研發(fā)的采用433 MHz和915 MHz雙通道的無線液面報警系統，長城鉆探工程院研發(fā)的采用433 MHz通信的無線低功耗鉆井參數儀以及加拿大中加國際發(fā)展公司研制的基于無線傳感局域網絡的鉆井多參數監(jiān)測系統，工作頻率為 433 MHz、915 MHz或2.4 GHz。這些無線傳感器網絡鉆井現場應用的大膽嘗試，克服了現場電機等設備對無線傳感網絡信號采集的干擾，證明了無線傳感網絡系統運行穩(wěn)定，數據可靠。

2.2 無線傳輸網絡結構

鉆井參數測量儀器工作的鉆井現場，井場范圍以中控室為中心最大距離不超過100 m，現場使用的傳感器數量在30個以下，且集中分布在鉆臺、鉆井液入口、鉆井液出口3個區(qū)域，傳感器之間一般不需要相互通信。因此不需要太復雜的網絡結構，首先達到穩(wěn)定、可靠、實用，且便于維護[9]。

中國電子科技集團公司第22研究所研制的無線鉆井監(jiān)測系統采用了非同步樹狀結構，引入了中繼節(jié)點，如圖2所示。中繼節(jié)點在自身加入主節(jié)點創(chuàng)建的網絡后, 可實現接納傳感器節(jié)點加入網絡、轉發(fā)傳感器節(jié)點及主節(jié)點間的數據傳輸功能。傳感器節(jié)點可以根據自身與主節(jié)點和中繼節(jié)點的連接情況判斷數據是直接發(fā)送至主節(jié)點還是經中繼節(jié)點轉發(fā)。在通信條件發(fā)生變化時, 可以及時轉變傳輸路徑, 保證數據傳輸[10]。

長城鉆探工程院、加拿大中加國際發(fā)展公司研制的無線低功耗鉆井參數儀采用星型結構，信號接收節(jié)點為中心節(jié)點，無線低功耗傳感器為子節(jié)點，信號接收節(jié)點通過輪詢的方式訪問子節(jié)點，子節(jié)點回饋信息，這種結構便于集中控制、避免傳感器數據發(fā)生碰撞[10]，如圖3所示。

圖3 星型結構

2.3 低功耗傳感器改造

對于無線鉆井參數測量儀器，采用電池供電或太陽能電池板供電的低壓低功耗傳感器是必須解決的實際問題，否則將失去無線傳輸網絡的意義。

試驗測試數據表明，傳感器模塊和控制器模塊的功耗很低，絕大部分能量消耗在無線傳輸模塊上。無線傳感器節(jié)點各部分功耗占節(jié)點總功耗的百分比如圖4所示。

圖4 無線傳感器節(jié)點各部分功耗百分比

傳感器的低功耗改造是一項綜合硬件和軟件的技術[11]，硬件電路一般采用以下幾項措施：

1)傳感器上的各個元器件芯片都采用低功耗的芯片；

2)降低微處理器工作頻率可以有效減小工作電流而降低功耗；

3)選用支持休眠模式的芯片。

程序控制上對傳感器進行能耗管理，包括：

1)合理制定通信協議，減少數據包無用信息，有效縮短數據長度，減少發(fā)送時間，降低功耗；

2)使用錯誤檢測和校正機制可以在給定誤碼率的條件下有效減少數據包的重傳；

3)軟件控制不需要采樣的時候掐斷傳感器模塊的電能供應減少功耗。

經過低功耗改造的傳感器已經在鉆井現場成功應用，數據表明采用20 Ah的電池連續(xù)工作時間超過100天，而且這種本安型低功耗傳感器也不會對現場的安全性構成威脅。

但是由于低壓低功耗傳感器屬于非標產品，市面這種產品較少。目前僅有為數不多的公司在低壓低功耗傳感器方面做了一定的嘗試，相信隨著無線傳感網絡的成熟應用，會有更多的廠家研制生產鉆井低壓低功耗傳感器。

3 無線鉆井參數儀的發(fā)展趨勢

3.1 向多學科、多技術集成方向發(fā)展

鉆井工程的過程參數包括壓力類、應力類、井深類、計數類以及鉆井液溫度電導率等，測量過程涉及到力學、微電子工程科學、新材料、物聯網技術、數據庫等各種學科和技術，是一項復雜的系統工程。今后無線鉆井參數測量儀器的發(fā)展還要結合不斷涌現的新科技、新材料，以鉆井工程測量技術為紐帶，實現多學科、多技術的交叉集成，不斷提高創(chuàng)新能力。

3.2 向鉆井參數動態(tài)優(yōu)選、智能控制方向發(fā)展

順應鉆井工程信息化、智能化的發(fā)展要求，鉆井參數動態(tài)優(yōu)選、智能控制是一個重要的發(fā)展方向。鉆井三要素包括鉆壓、轉速、排量，選擇合理的鉆井參數、鉆井液性能、水力參數是提高鉆井速度、實現安全鉆井的關鍵。無線鉆井參數測量儀器的發(fā)展，一方面要保證無線鉆井參數儀參數采集的頻度和準確度，建立完善的鉆井參數數據庫，做好鉆井大數據優(yōu)化分析的數據基礎；另一方面利用最優(yōu)化理論優(yōu)化上位機軟件的數學模型，根據鉆頭使用情況結合地層巖性特征實時地進行鉆井參數的優(yōu)選設計，選擇合理的鉆井參數，實現鉆井現場動態(tài)實時、智能優(yōu)選鉆井參數[12]。

4 結 論

1)無線鉆井參數測量儀器在井場的成功應用，表明了無線傳輸網絡和低功耗傳感器可以適應鉆井現場的復雜環(huán)境；并且使鉆井工程工作人員擺脫了傳統儀器布線的繁瑣，儀器的搬運、安裝、拆卸變得更加靈活；降低了維護和人員成本。預示著下一代數據采集模式將由有線布局向無線傳感模式發(fā)展。

2)無線傳輸網絡在井場的使用，改變了對人們對鉆井參數測量儀器工作原理的認識，使鉆井設備模塊化、小型化成為可能，為下一代鉆井現場數據采集系統的研制與開發(fā)提供了實際經驗和依據，甚至改變現在鉆井的業(yè)務模式。

3)這是無線傳輸網絡技術和微電子技術在鉆井參數測量領域的重大突破，拓寬了人們對鉆井工程測控領域的認識，充分說明鉆井工程要不斷吸納新技術、新工藝，提高科學化水平。

[1] 呂維民.鉆采儀表的現狀及發(fā)展方向[J].石油儀器, 1996，10(1)：9-13.

[2] 沈忠厚.現代鉆井技術發(fā)展趨勢[J].石油勘探與開發(fā)，2005,32(1)：89-91.

[3] 鹿志文，王傳偉，唐 莉.鉆井儀表應用技術現狀及發(fā)展思路[J].中國儀器儀表, 2007,17(5):29-31.

[4] Francis Enejo Idachaba,Godwin Okuns,Esther Wokoma,Bola Awobamise. Remote Pipeline Pressure Monitoring Using Low Power Wireless Transmission, SPE Nigeria Annual International Conference and Exhibition, 5-7 August, Lagos, Nigeria 2014.

[5] 肖高棉，邢會民.無線網絡技術在綜合錄井儀中的應用[J].數字技術與應用, 2014,32(2)：41-41.

[6] 高 巖. 一種基于無線傳感局域網絡的鉆井參數監(jiān)測系統的現場應用[J].錄井工程, 2007, 18( 2) ：54-59.

[7] 張 策,甄 建,季 艷.綜合錄井儀傳感器信號無線傳輸方法探討[J].錄井工程, 2010, 21(2)：64-67.

[8] 劉 劍,馬同奇,沈 鐵,等.無線鉆井參數監(jiān)測系統的設計與實現[J].錄井工程,2011,22(1):52-55.

[9] 邢藝蘭,王 歡,王興會.基于ZigBee的鉆井參數監(jiān)測系統的研究與設計[J].北華航天工業(yè)學院學報,2015, 25(3)：14-17.

[10] 孫利民,李建中,陳 渝,等.無線傳感器網絡[M]．北京:清華大學出版社，2005：88-95.

[11] 鐘 濤,王豪才.CMOS集成電路的功耗優(yōu)化和低功耗設計技術[J].微電子學,2000,30(2)：106-112.

[12] 沙林秀.鉆井參數優(yōu)化技術的研究現狀與發(fā)展趨勢[J].石油機械, 2016,44(2)：29-33.

Research Status and Development Trend of Wireless Drilling Parameter Measuring Instrument

LI Yongzhao

(CNPCEngineeringandTechnologyResearchInstituteofGreatwallDrillingCompany,Panjin,Liaoning124010,China)

Three stages of the development of drilling parameter measuring instrument are summarized, including mechanical and hydraulic stage, automation and integration stage, and information and intelligence stage. Aiming at the disadvantages such as wired connection, low removability, uneasy maintenance, and easily disturbed in both domestic and abroad instruments, the current status of wireless drilling parameter measuring instrument is introduced. Through the construction of well site wireless transmission network and low power sensing technology, the date acquisition and transmission problems were resolved. Its future development tendency is presented, such as moving forward to multidisciplinary and multiple technology integration, optimizing drilling parameters dynamically and controlling intelligently. It is indicated that the wireless drilling parameter measuring instrument will be an important part of future drilling data acquisition system.

drilling parameters; wireless data transmission network; low power; research status; development trend

李永釗，男， 1986年生，工程師，2012年碩士畢業(yè)于中國石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)，現在長城鉆探工程技術研究院從事無線低功耗鉆井參數儀的研發(fā)工作。E-mail:576648761@qq.com

TE28

A

2096-0077(2017)01-0018-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.004

2016-07-28 編輯：姜 婷)