氣體鉆井微波傳輸隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)*

江 波 ，夏文鶴 ，嚴(yán)焱誠(chéng) ，王希勇 ，胡萬(wàn)俊 ，黃河淳

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000；2.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

隨著氣體鉆井的不斷發(fā)展和最大儲(chǔ)層接觸鉆井開(kāi)發(fā)理念的提出，氣體鉆井技術(shù)與水平井等鉆井技術(shù)相結(jié)合在致密低滲油氣藏開(kāi)發(fā)方面展現(xiàn)了巨大的潛力。但在氣體鉆水平井或特殊軌跡井的井眼軌跡測(cè)量、井眼軌跡控制技術(shù)領(lǐng)域仍然面臨著一些關(guān)鍵的技術(shù)難題和挑戰(zhàn)[1-3]。

針對(duì)氣體鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)井下工況參數(shù)隨鉆獲取難題，設(shè)計(jì)在井下監(jiān)測(cè)出水、溫度、井下壓力、方位等工程參數(shù)的測(cè)量工具，有利于快速識(shí)別井下安全風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)采取控制措施，避免鉆井安全事故，大大提高鉆井成功率[4]。與此同時(shí)，針對(duì)目前井下數(shù)據(jù)傳輸效率低、可靠性差的難題[5]，將鉆柱作為微波信號(hào)通道，研制出高效可靠的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，滿足氣體鉆井井下安全監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰猍6]。

為了滿足整個(gè)系統(tǒng)流程的需要，完成對(duì)氣體鉆井井下測(cè)量設(shè)備的監(jiān)控，故研制配套的地面監(jiān)控軟件，不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析觀察，并能對(duì)監(jiān)測(cè)到的井下情況并進(jìn)行及時(shí)的評(píng)價(jià)處理[7-10]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過(guò)實(shí)際微波傳輸測(cè)試結(jié)果可以觀察到，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接傳輸，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)從近鉆到地面3 000 m 的傳輸距離[11]。通?？梢越柚盘?hào)中繼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸距離的增大和提升。信號(hào)中繼的方式從某種程度上降低了對(duì)發(fā)射功率的要求，即可以為狹小的井下空間節(jié)省更多體積，對(duì)于傳輸系統(tǒng)而言，使之更加便捷化。雖然該方式會(huì)增加入井設(shè)備數(shù)量，但是在設(shè)備可靠性提高的前提下，該方式是提升系統(tǒng)測(cè)傳距離最直接的方式，因此具有實(shí)際價(jià)值[12]。

無(wú)線中繼傳輸技術(shù)的基本原理是利用無(wú)線接力功能，從一個(gè)中繼點(diǎn)將無(wú)線信號(hào)傳送到下一個(gè)中繼點(diǎn)，通過(guò)多個(gè)中繼短節(jié)進(jìn)行聯(lián)通便可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋[13]。在鉆柱特定的結(jié)構(gòu)特征環(huán)境下，微波信號(hào)只能通過(guò)直線方向從井底向井上方向進(jìn)行傳輸，因而整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)中繼短節(jié)的布置需要按照鉆柱結(jié)構(gòu)組成直線狀分布，從而形成一個(gè)直線分布的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)。傳輸過(guò)程中，當(dāng)上一級(jí)中繼所發(fā)射的微波信號(hào)功率在鉆桿內(nèi)的衰減程度與接收靈敏度相接近時(shí)(即模塊能有效接收到信號(hào)的最小功率)，就需要有一級(jí)新的中繼短節(jié)加入進(jìn)來(lái)，這樣就可以不斷地延長(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離，最終將信號(hào)傳輸至地面[14-15]。

圖1 是為井下微波信號(hào)中繼傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案，圖中共計(jì)5 種設(shè)備，該傳輸系統(tǒng)的傳輸過(guò)程如下：測(cè)量短節(jié)位于近鉆頭處，對(duì)井下的實(shí)時(shí)參數(shù)信息進(jìn)行采集，并利用鉆柱內(nèi)孔信道，向地面方向發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)依次通過(guò)低序號(hào)到高序號(hào)的微波中繼短節(jié)，并通過(guò)多個(gè)中繼級(jí)聯(lián)構(gòu)成的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，最終到達(dá)地面，被地面中繼器接收。地面中繼器在鉆柱內(nèi)外設(shè)置收發(fā)天線，將微波信號(hào)從鉆柱內(nèi)部引出到鉆柱外部地面空間[16]，隨后井口信號(hào)接收器接收數(shù)據(jù)后通過(guò)有線方式傳送給終端接收器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行顯示，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息從井底向地面?zhèn)鬏數(shù)倪^(guò)程。為提高傳輸效率，各中繼短節(jié)采用透明接力傳輸。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 微波中繼通信系統(tǒng)設(shè)備及傳輸協(xié)議

根據(jù)IEEE 802.15.4 協(xié)議通信系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)[17]，微波傳輸系統(tǒng)主要由井口信號(hào)接收器、地面中繼短節(jié)、中繼短節(jié)以及測(cè)量短節(jié)來(lái)組成，其中井口信號(hào)接收器一個(gè)，固定放置于地面控制室，與計(jì)算機(jī)通過(guò)串口線直接連接；二級(jí)井口信號(hào)接收器(地面中繼器)一個(gè)，固定放置于井口位置，與井口信號(hào)接收器通過(guò)微波無(wú)線連接；中繼短節(jié)若干個(gè)，放置于鉆井的中間，用于數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；測(cè)量短節(jié)1 個(gè)，放置于近鉆頭位置，與協(xié)調(diào)器通過(guò)若干中繼短節(jié)無(wú)線連接。各設(shè)備的類(lèi)型編碼、設(shè)備編碼及目的地編碼如表1 所示。

表1 通信系統(tǒng)各層級(jí)設(shè)備設(shè)定值

其中目標(biāo)ID 包括上行和下行目標(biāo)ID 兩類(lèi)。對(duì)于下行數(shù)據(jù)目標(biāo)ID，模塊根據(jù)參數(shù)“目標(biāo)ID”轉(zhuǎn)發(fā)下行數(shù)據(jù)；對(duì)于上行數(shù)據(jù)目標(biāo)ID，模塊接收到下行數(shù)據(jù)時(shí)，記錄下行數(shù)據(jù)中的“發(fā)送設(shè)備ID”，并使用此ID 轉(zhuǎn)發(fā)上行數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用事件驅(qū)動(dòng)軟件架構(gòu)開(kāi)發(fā)，采用消息隊(duì)列及多線程方式采集并處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將氣體鉆井施工過(guò)程中各工程參數(shù)以曲線、數(shù)值、刻度等多種方式進(jìn)行人機(jī)交互[18-19]，監(jiān)控軟件按功能總共分為4 個(gè)部分，分別是：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)管理模塊。參數(shù)設(shè)置模塊的功能是設(shè)置地下傳感器參數(shù)、采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)和量程系數(shù)。數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的功能則是實(shí)現(xiàn)隨鉆監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到監(jiān)測(cè)物理量的具體數(shù)值，最后存入數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，并顯示各物理量的趨勢(shì)變化，同時(shí)采集中繼短節(jié)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理模塊主要解析中繼短節(jié)、井下測(cè)量短節(jié)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)中繼短節(jié)、井下測(cè)量短節(jié)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷預(yù)警。其框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能框架圖

參數(shù)設(shè)置模塊如前文所述，主要負(fù)責(zé)設(shè)置軟件運(yùn)行過(guò)程中所有參數(shù)，方便軟件根據(jù)實(shí)際需求更靈活地處理收集到的數(shù)據(jù)。下文將著重介紹數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和系統(tǒng)管理模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集

如圖3 所示，數(shù)據(jù)采集的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量短節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的提取、處理、顯示分析和存儲(chǔ)[20]，軟件重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)通信和數(shù)據(jù)處理。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理主要包含測(cè)量短節(jié)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存兩部分[21]。

2.2.1 測(cè)量短節(jié)數(shù)據(jù)處理

軟件中設(shè)置兩個(gè)測(cè)量短節(jié)監(jiān)控界面，分別為“地下設(shè)備1”和“地下設(shè)備2”。這兩個(gè)頁(yè)面分別對(duì)兩個(gè)測(cè)量短節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和監(jiān)控。測(cè)量短節(jié)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4 所示。

圖4 測(cè)量短節(jié)數(shù)據(jù)處理流程圖

軟件數(shù)據(jù)欄會(huì)顯示測(cè)量到的數(shù)據(jù)，包括環(huán)壓、電阻率、扭力、鉆壓、溫度、俯仰角和方位角等。而環(huán)壓、電阻率、鉆壓、扭矩的數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)以變化趨勢(shì)圖的方式實(shí)時(shí)顯示，方便觀察數(shù)據(jù)變化；其中扭矩由兩個(gè)測(cè)量短節(jié)的角度差和設(shè)置好的轉(zhuǎn)換系數(shù)在軟件后臺(tái)計(jì)算得來(lái)。當(dāng)井深不準(zhǔn)確時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)輸入“井深”來(lái)調(diào)整此時(shí)井深數(shù)據(jù)。而“鉆桿姿態(tài)”是根據(jù)俯仰角和方位角繪制出的實(shí)時(shí)鉆桿姿態(tài)，可以直觀地觀察到鉆桿姿態(tài)變化。

2.2.2 數(shù)據(jù)保存

提取數(shù)據(jù)之后，判斷數(shù)據(jù)讀取中是否存在中繼短節(jié)故障情況，如果是則刪除掉后面的數(shù)據(jù)再存入數(shù)據(jù)庫(kù)；若不是，則可將現(xiàn)有數(shù)據(jù)按其編號(hào)輪次存入在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供以后查詢。保存數(shù)據(jù)之后，就可以查看歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)出Excel 表格保存。依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)，將所測(cè)的環(huán)壓、電阻率、鉆壓和通過(guò)計(jì)算得到的扭矩以趨勢(shì)圖的形式繪制出來(lái)并顯示，方便比較和觀察測(cè)試的結(jié)果以及解讀測(cè)試報(bào)告，并以坐標(biāo)的方式直觀地展示實(shí)時(shí)的鉆桿姿態(tài)。相關(guān)流程如圖5、圖6 所示。

圖5 保存數(shù)據(jù)功能流程圖

圖6 數(shù)據(jù)查詢、圖表顯示、導(dǎo)出功能流程圖

2.3 系統(tǒng)管理

在整個(gè)隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，中繼短節(jié)除了依次傳輸測(cè)量短節(jié)的數(shù)據(jù)外，也需要將自身工作狀態(tài)上傳，包括電量、溫度、強(qiáng)度和上傳時(shí)間。這部分?jǐn)?shù)據(jù)在讀取后會(huì)在中繼短節(jié)數(shù)據(jù)界面進(jìn)行顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。中繼短節(jié)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖7 所示。

圖7 中繼短節(jié)數(shù)據(jù)處理流程圖

除此以外，中繼短節(jié)狀態(tài)分析還對(duì)中繼短節(jié)工作狀態(tài)進(jìn)行了處理[22]，當(dāng)中繼短節(jié)模塊正常工作時(shí),在界面中顯示為綠色；如果超過(guò)10 min 未收到上傳數(shù)據(jù)，中繼短節(jié)模塊會(huì)變?yōu)辄S色；若長(zhǎng)時(shí)間未收到上傳數(shù)據(jù)或出現(xiàn)電量不足溫度過(guò)高等情況，中繼短節(jié)模塊會(huì)變?yōu)榧t色，表示此時(shí)該中繼短節(jié)出現(xiàn)故障。

2.4 軟件現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為檢驗(yàn)氣體鉆井微波傳輸隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的合理性及可靠性，利用微波中繼傳輸系統(tǒng)在元陸29井、元壩205-3 井等進(jìn)行了多井次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)該軟件系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取了井斜、方位、鉆壓、扭矩等工程數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，軟件工作正常，未影響正常的鉆進(jìn)作業(yè)施工。井下最大測(cè)傳速率為1.194 kb/s，測(cè)傳深度3 110 m，還可進(jìn)一步增加。軟件接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)正確，無(wú)亂碼及掉數(shù)據(jù)現(xiàn)象，說(shuō)明軟件系統(tǒng)能滿足氣體鉆井井下隨鉆監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用需求。軟件人機(jī)交互示意圖如圖8 所示。

圖8 軟件示意圖

3 結(jié)論

根據(jù)上述軟件模塊程序流程和架構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，并借鑒吸收國(guó)內(nèi)外氣體鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)針對(duì)氣體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，采用事件驅(qū)動(dòng)軟件架構(gòu)開(kāi)發(fā)配套隨鉆監(jiān)測(cè)軟件，將氣體鉆井施工過(guò)程中各工程參數(shù)以曲線、數(shù)值、刻度等多種方式進(jìn)行人機(jī)交互，并能對(duì)井筒內(nèi)微波信道進(jìn)行監(jiān)管，為氣體鉆井隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)控及鉆后分析研究提供了軟件支撐。該軟件的應(yīng)用使最大測(cè)傳速率達(dá)到1.194 kb/s，信道監(jiān)管功能的引入使測(cè)傳深度突破3 000 m，基本滿足目前氣體鉆井隨鉆監(jiān)測(cè)的需要。