煤層氣新型鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁海波 黃 明 張 瀧 張 禾

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

煤層氣新型鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁海波 黃 明 張 瀧 張 禾

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(fā)力度。目前，提高煤層氣單井產(chǎn)量主要的技術(shù)手段是采用水平井鉆井技術(shù)及能夠減少地層傷害、提高鉆速的欠平衡鉆井工藝技術(shù)。設(shè)計(jì)開發(fā)了一套針對(duì)目前我國煤層氣鉆井現(xiàn)場實(shí)際情況的鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)為定錄一體化功能設(shè)計(jì)，能適應(yīng)目前煤層氣鉆井的水平井、叢式井和遠(yuǎn)端對(duì)接井的鉆井模式。簡化和優(yōu)化綜合錄井中復(fù)雜的傳感器配套和采集系統(tǒng)配套降低了煤層氣開發(fā)成本，有利于該系統(tǒng)在煤層氣鉆井現(xiàn)場大規(guī)模推廣使用。

煤層氣 鉆井 參數(shù)監(jiān)測(cè) 遠(yuǎn)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(fā)力度。到目前為止，為了提高煤層氣單井產(chǎn)量，其主要技術(shù)手段是采用水平井鉆井技術(shù)及能夠減少地層傷害、提高鉆速的欠平衡鉆井工藝技術(shù)[1-3]。因此，在煤層氣鉆井施工過程中，開發(fā)一套針對(duì)目前我國煤層氣鉆井現(xiàn)場實(shí)際情況的鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)及時(shí)為現(xiàn)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(fā)，目前采用的綜合錄井設(shè)備本身和服務(wù)費(fèi)用成本太高，并不適應(yīng)煤層氣低成本、大規(guī)模開發(fā)的需求。

針對(duì)上述問題，基于煤層氣鉆井工藝技術(shù)及現(xiàn)場配套裝備的研究，簡化和優(yōu)化綜合錄井中復(fù)雜的傳感器配套及采集系統(tǒng)配套，形成小型和簡易的集鉆井?dāng)?shù)據(jù)、氣測(cè)數(shù)據(jù)與MWD數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警和傳輸于一體的煤層氣開發(fā)專用鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于不同煤層氣鉆井設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝與鏈接，降低煤層氣開發(fā)成本；為鉆井工程技術(shù)人員提供決策依據(jù)和技術(shù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)鉆井；對(duì)于保證煤層氣鉆井的安全、快速性具有重要意義。

1 監(jiān)測(cè)參數(shù)優(yōu)化

現(xiàn)場施工過程中，大量鉆井參數(shù)為鉆井的成功進(jìn)行提供了有效的支持。而煤層氣鉆井大多數(shù)都采用水平井技術(shù)與欠平衡鉆井技術(shù)。因此，針對(duì)煤層氣鉆井技術(shù)的特殊情況，優(yōu)化鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集參數(shù)，為煤層氣卡層和解釋評(píng)價(jià)提供第一手資料，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤層氣安全、快速鉆井尤為重要。

通過優(yōu)化研究，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

① 鉆井參數(shù)。如壓力參數(shù)、流量參數(shù)、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、扭矩、泵沖等。有效利用這些參數(shù)異常預(yù)報(bào)，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(shù)。采集MWD參數(shù)，分析實(shí)時(shí)變化，優(yōu)化技術(shù)措施，卡準(zhǔn)目的層，為水平井鉆井施工提供安全基礎(chǔ)。

③ 氣測(cè)參數(shù)。主要是全烴及甲烷參數(shù)的監(jiān)測(cè)，應(yīng)用鉆時(shí)及烴類等參數(shù)顯示異常，為煤層氣鉆井快速卡準(zhǔn)煤層界面提供第一手資料。

2 工程適應(yīng)性分析

目前，在煤層氣鉆井過程中，為了提高煤層氣單井產(chǎn)量，其主要技術(shù)手段是采用水平井鉆井技術(shù)。同時(shí)，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(shù)；而采用傳統(tǒng)的綜合錄井設(shè)備本身和服務(wù)費(fèi)用成本太高，并不適應(yīng)煤層氣低成本大規(guī)模開發(fā)需求。因此，在煤層氣鉆井施工過程中，設(shè)計(jì)一套針對(duì)目前我國煤層氣鉆井實(shí)際情況的鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是目前煤層氣鉆井技術(shù)的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)今國內(nèi)已有的鉆井參數(shù)儀，大多數(shù)是在常規(guī)鉆井中應(yīng)用，而無法適應(yīng)煤層氣鉆井工藝。因此，需要設(shè)計(jì)一套煤層氣新型鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以適用于不同煤層氣鉆井設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝與鏈接，降低煤層氣開發(fā)成本[4-6]。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能對(duì)鉆井工況參數(shù)、MWD參數(shù)及氣測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，利用鉆時(shí)、烴類顯示異常等參數(shù)快速卡準(zhǔn)煤層界面；定錄一體化功能設(shè)計(jì)，適應(yīng)目前煤層氣鉆井的水平井、叢式井和遠(yuǎn)端對(duì)接井的鉆井模式；提供整套的數(shù)據(jù)分析處理報(bào)告，為專家決策提供可靠依據(jù)；專為煤層氣開發(fā)設(shè)計(jì)，適應(yīng)各種鉆機(jī)的快速現(xiàn)場安裝與鏈接，定錄井參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量能夠確保鉆井的安全及快速性。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集架構(gòu)，由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和傳輸模塊3個(gè)部分組成[7-8]，如圖1所示。

圖1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Hardware architecture design

傳感器數(shù)據(jù)采用CAN總線數(shù)字信號(hào)傳輸，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接上位機(jī)，而MWD數(shù)據(jù)與氣測(cè)數(shù)據(jù)都采用標(biāo)準(zhǔn)WITS接口進(jìn)行偵聽。上位機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示和處理。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫平臺(tái)和C#程序語言完成煤層氣新型鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的開發(fā)[9-10]。

① 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

煤層氣新型鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面如圖2所示。在界面的左側(cè)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)鉆井工程參數(shù)以及當(dāng)前時(shí)間的MWD數(shù)據(jù)，中間為氣測(cè)及硫化氫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，右側(cè)可以查看當(dāng)前鉆井工況。這就為煤層氣鉆進(jìn)決策提供了生動(dòng)、直觀的信息，體現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)越性。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of monitoring system

② 趨勢(shì)曲線及曲線回放模塊設(shè)計(jì)

趨勢(shì)曲線能夠形象地描述在鉆井各工況中各參數(shù)值的變化趨勢(shì)，并實(shí)時(shí)更新；還可自主配置當(dāng)前工況下需要的趨勢(shì)曲線，進(jìn)行顯示及對(duì)比分析。

曲線回放模塊反映了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)歷史時(shí)間的各監(jiān)測(cè)參數(shù)值的變化情況，并可應(yīng)用其進(jìn)行對(duì)比分析，方便后期整理及管理。

③ 儀表仿真監(jiān)測(cè)模塊與報(bào)警記錄模塊設(shè)計(jì)

儀表仿真監(jiān)測(cè)模塊對(duì)各鉆井工程參數(shù)以表盤的形式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便工作人員觀察。

報(bào)警記錄模塊對(duì)各監(jiān)測(cè)參數(shù)按施工要求設(shè)定報(bào)警限制。若當(dāng)前鉆井過程中出現(xiàn)異常情況，即進(jìn)行報(bào)警提示，并實(shí)時(shí)記錄，以便施工事后查詢分析。

④ 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇基于CDMA無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)鉆井綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。CDMA無線網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸效率，將井場采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)交刂笓]中心，實(shí)現(xiàn)了井場與基地信息共享，使得基地指揮中心能夠?qū)ΜF(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析判斷并做出相應(yīng)的決策。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of remote data wireless transmission network

4 結(jié)束語

煤層氣鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用C#集成軟件系統(tǒng)，通過圖形界面及相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示，直觀反映出煤層氣鉆井現(xiàn)場實(shí)時(shí)作業(yè)情況；能將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)交刂笓]中心，實(shí)現(xiàn)井場與基地信息共享，使得基地指揮中心能夠?qū)ΜF(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析判斷并做出相應(yīng)的決策。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可滿足煤層氣鉆井工藝需求，降低成本，提高鉆井效率。

[1] 崔樹清，王風(fēng)銳，劉順良，等.沁水盆地南部高階煤層多分支水平井鉆井工藝[J].天然氣工業(yè)，2011，33(18)：18-21.

[2] 蔣磊晶.談欠平衡鉆井綜合錄井技術(shù)的應(yīng)用[J].中國化工貿(mào)易，2014，6(8)：58.

[3] 符黨替，崔迎春，王成彪.煤層氣井儲(chǔ)層保護(hù)鉆井工藝[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29(3):62-64.

[4] 韓性禮，賴勇，沈俊俠，等.SK-2Z16鉆井參數(shù)儀的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2008，36(11)：42-44.

[5] 潘祥光.鉆井多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2010，31(5)：31-33.

[6] 陶青龍，甄建，李特，等.DML鉆井參數(shù)儀[J].石油科技論壇，2011，17(3)：56-58.

[7] 單成偉.基于CAN總線的鉆參儀設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2014，40(3)：25-27.

[8] 陳程.基于CAN總線的分布式遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(4)：782-784.

[9] 李加國.鉆井參數(shù)儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(43)：31-32.

[10]敬代和，周玉豐，李濤.基于主機(jī)/DAQ數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)[J].石油礦場機(jī)械，2011，40(11)：32-36.

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(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè),獲博士學(xué)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(fā)示范工程(二期)項(xiàng)目(編號(hào)：2011ZX05061)。

修改稿收到日期：2014-12-08。