煤層氣新型鉆井綜合參數監測系統設計

梁海波 黃 明 張 瀧 張 禾

(西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500)

煤層氣新型鉆井綜合參數監測系統設計

梁海波 黃 明 張 瀧 張 禾

(西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500)

煤層氣是一種高效清潔能源，目前我國正在加大煤層氣開發力度。目前，提高煤層氣單井產量主要的技術手段是采用水平井鉆井技術及能夠減少地層傷害、提高鉆速的欠平衡鉆井工藝技術。設計開發了一套針對目前我國煤層氣鉆井現場實際情況的鉆井綜合參數監測系統。系統為定錄一體化功能設計，能適應目前煤層氣鉆井的水平井、叢式井和遠端對接井的鉆井模式。簡化和優化綜合錄井中復雜的傳感器配套和采集系統配套降低了煤層氣開發成本，有利于該系統在煤層氣鉆井現場大規模推廣使用。

煤層氣 鉆井 參數監測 遠程傳輸 CAN總線

0 引言

煤層氣作為一種高效清潔能源，目前我國正在加大煤層氣開發力度。到目前為止，為了提高煤層氣單井產量，其主要技術手段是采用水平井鉆井技術及能夠減少地層傷害、提高鉆速的欠平衡鉆井工藝技術[1-3]。因此，在煤層氣鉆井施工過程中，開發一套針對目前我國煤層氣鉆井現場實際情況的鉆井綜合參數監測系統，對及時為現場決策提供可靠資料、提高鉆井效率、確保煤層氣鉆井成功率尤為重要。

然而煤層氣屬于低成本開發，目前采用的綜合錄井設備本身和服務費用成本太高，并不適應煤層氣低成本、大規模開發的需求。

針對上述問題，基于煤層氣鉆井工藝技術及現場配套裝備的研究，簡化和優化綜合錄井中復雜的傳感器配套及采集系統配套，形成小型和簡易的集鉆井數據、氣測數據與MWD數據采集、存儲、顯示、報警和傳輸于一體的煤層氣開發專用鉆井綜合參數監測系統。該系統適用于不同煤層氣鉆井設備，實現現場快速安裝與鏈接，降低煤層氣開發成本；為鉆井工程技術人員提供決策依據和技術支撐，從而實現科學鉆井；對于保證煤層氣鉆井的安全、快速性具有重要意義。

1 監測參數優化

現場施工過程中，大量鉆井參數為鉆井的成功進行提供了有效的支持。而煤層氣鉆井大多數都采用水平井技術與欠平衡鉆井技術。因此，針對煤層氣鉆井技術的特殊情況，優化鉆井綜合參數監測系統的采集參數，為煤層氣卡層和解釋評價提供第一手資料，對實現煤層氣安全、快速鉆井尤為重要。

通過優化研究，監測系統需要對以下參數進行監測。

① 鉆井參數。如壓力參數、流量參數、轉盤轉速、扭矩、泵沖等。有效利用這些參數異常預報，能及早采取有效的安全措施，提高煤層氣鉆井的安全性，保障施工安全。

② MWD參數。采集MWD參數，分析實時變化，優化技術措施，卡準目的層，為水平井鉆井施工提供安全基礎。

③ 氣測參數。主要是全烴及甲烷參數的監測，應用鉆時及烴類等參數顯示異常，為煤層氣鉆井快速卡準煤層界面提供第一手資料。

2 工程適應性分析

目前，在煤層氣鉆井過程中，為了提高煤層氣單井產量，其主要技術手段是采用水平井鉆井技術。同時，鑒于煤層易塌、易受到污染的特性，其中大多采用了能夠減少地層傷害、提高鉆速的欠平衡鉆井工藝技術；而采用傳統的綜合錄井設備本身和服務費用成本太高，并不適應煤層氣低成本大規模開發需求。因此，在煤層氣鉆井施工過程中，設計一套針對目前我國煤層氣鉆井實際情況的鉆井綜合參數監測系統，是目前煤層氣鉆井技術的關鍵問題。

現今國內已有的鉆井參數儀，大多數是在常規鉆井中應用，而無法適應煤層氣鉆井工藝。因此，需要設計一套煤層氣新型鉆井綜合參數監測系統，以適用于不同煤層氣鉆井設備，實現現場快速安裝與鏈接，降低煤層氣開發成本[4-6]。

設計的系統能對鉆井工況參數、MWD參數及氣測參數進行實施監測，利用鉆時、烴類顯示異常等參數快速卡準煤層界面；定錄一體化功能設計，適應目前煤層氣鉆井的水平井、叢式井和遠端對接井的鉆井模式；提供整套的數據分析處理報告，為專家決策提供可靠依據；專為煤層氣開發設計，適應各種鉆機的快速現場安裝與鏈接，定錄井參數的準確測量能夠確保鉆井的安全及快速性。

3 監測系統設計

3.1 硬件方案設計

系統采用分布式數據采集架構，由傳感器模塊、數據采集模塊和傳輸模塊3個部分組成[7-8]，如圖1所示。

圖1 硬件架構設計Fig.1 Hardware architecture design

傳感器數據采用CAN總線數字信號傳輸，經網絡交換機連接上位機，而MWD數據與氣測數據都采用標準WITS接口進行偵聽。上位機對采集數據進行存儲、分析、顯示和處理。

3.2 軟件系統設計

本文采用SQL Server 2008數據庫平臺和C#程序語言完成煤層氣新型鉆井綜合參數監測軟件系統的開發[9-10]。

① 監測系統主界面設計

煤層氣新型鉆井綜合參數監測系統主界面如圖2所示。在界面的左側可以實時觀測鉆井工程參數以及當前時間的MWD數據，中間為氣測及硫化氫監測數據，右側可以查看當前鉆井工況。這就為煤層氣鉆進決策提供了生動、直觀的信息，體現了系統的優越性。

圖2 監測系統主界面Fig.2 Main interface of monitoring system

② 趨勢曲線及曲線回放模塊設計

趨勢曲線能夠形象地描述在鉆井各工況中各參數值的變化趨勢，并實時更新；還可自主配置當前工況下需要的趨勢曲線，進行顯示及對比分析。

曲線回放模塊反映了監測系統歷史時間的各監測參數值的變化情況，并可應用其進行對比分析，方便后期整理及管理。

③ 儀表仿真監測模塊與報警記錄模塊設計

儀表仿真監測模塊對各鉆井工程參數以表盤的形式進行監測，方便工作人員觀察。

報警記錄模塊對各監測參數按施工要求設定報警限制。若當前鉆井過程中出現異常情況，即進行報警提示，并實時記錄，以便施工事后查詢分析。

④ 數據遠程傳輸模塊設計

系統選擇基于CDMA無線網絡來實現鉆井綜合監測數據的遠程傳輸。CDMA無線網絡傳輸方式可以不受距離及位置的限制，能夠大大提高鉆井綜合監測數據傳輸效率，將井場采集數據實時傳輸到基地指揮中心，實現了井場與基地信息共享，使得基地指揮中心能夠對現場采集數據及時進行分析判斷并做出相應的決策。遠程數據無線傳輸網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 遠程數據無線傳輸網絡拓撲結構Fig.3 Topological structure of remote data wireless transmission network

4 結束語

煤層氣鉆井綜合參數監測系統利用C#集成軟件系統，通過圖形界面及相應數據顯示，直觀反映出煤層氣鉆井現場實時作業情況；能將采集數據實時傳輸到基地指揮中心，實現井場與基地信息共享，使得基地指揮中心能夠對現場采集數據及時進行分析判斷并做出相應的決策。實際應用表明，該系統可滿足煤層氣鉆井工藝需求，降低成本，提高鉆井效率。

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Design of the Novel Comprehensive Monitoring System of the Drilling Parameters for Coalbed Methane

The coalbed methane (CBM), as one of the high effective and clean energy resources, is widely developing in our country. At present, in order to enhance the single well production yield, the main technical means is using horizontal well drilling technology and the underbalanced drilling technology that may reduce formation damage and increase drilling speed. In accordance with such practical situation in our well drilling field, the comprehensive monitoring system of the drilling parameters has been developed. The integrated functional design is suitable for current drilling modes of CBM, including horizontal wells, cluster wells, and distal docking wells. Simplifying and optimizing the comprehensive and complicated supporting of logging sensors and acquisition system reduces the development costs of CBM, it is conducive for large scale promoting this system in applications of CBM drilling field.

Coalbed methane Well drilling Parameters detection Remote transmission CAN bus

梁海波(1978-), 男，2008年畢業于西南石油大學油氣田開發專業,獲博士學位，講師；主要從事油氣井工程方面的研究。

TH7

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506010

山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程(二期)項目(編號：2011ZX05061)。

修改稿收到日期：2014-12-08。