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(shù)監(jiān)測系統(tǒng)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(fā)力度。目前，提高煤層氣單井產(chǎn)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(fā)了一套針對目前我國煤層氣鉆井現(xiàn)場實際情況的鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)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(yōu)化綜合錄井中復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 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(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(fā)一套針對目前我國煤層氣鉆井現(xiàn)場實際情況的鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，對及時為現(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備本身和服務費用成本太高，并不適應煤層氣低成本、大規(guī)模開發(fā)的需求。

針對上述問題，基于煤層氣鉆井工藝技術及現(xiàn)場配套裝備的研究，簡化和優(yōu)化綜合錄井中復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數(shù)據(jù)、氣測數(shù)據(jù)與MWD數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、報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)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于不同煤層氣鉆井設備，實現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝與鏈接，降低煤層氣開發(fā)成本；為鉆井工程技術人員提供決策依據(jù)和技術支撐，從而實現(xiàn)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(jiān)測參數(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(yōu)化鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的采集參數(shù)，為煤層氣卡層和解釋評價提供第一手資料，對實現(xiàn)煤層氣安全、快速鉆井尤為重要。

通過優(yōu)化研究，監(jiān)測系統(tǒng)需要對以下參數(shù)進行監(jiān)測。

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(shù)。采集MWD參數(shù)，分析實時變化，優(yōu)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(shù)。主要是全烴及甲烷參數(shù)的監(jiān)測，應用鉆時及烴類等參數(shù)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(chǎn)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(tǒng)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(guī)模開發(fā)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(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，是目前煤層氣鉆井技術的關鍵問題。

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(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，以適用于不同煤層氣鉆井設備，實現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝與鏈接，降低煤層氣開發(fā)成本[4-6]。

設計的系統(tǒng)能對鉆井工況參數(shù)、MWD參數(shù)及氣測參數(shù)進行實施監(jiān)測，利用鉆時、烴類顯示異常等參數(shù)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(shù)據(jù)分析處理報告，為專家決策提供可靠依據(jù)；專為煤層氣開發(fā)設計，適應各種鉆機的快速現(xiàn)場安裝與鏈接，定錄井參數(shù)的準確測量能夠確保鉆井的安全及快速性。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 硬件方案設計

系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集架構，由傳感器模塊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采用CAN總線數(shù)字信號傳輸，經(jīng)網(wǎng)絡交換機連接上位機，而MWD數(shù)據(jù)與氣測數(shù)據(jù)都采用標準WITS接口進行偵聽。上位機對采集數(shù)據(jù)進行存儲、分析、顯示和處理。

3.2 軟件系統(tǒng)設計

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

① 監(jiān)測系統(tǒng)主界面設計

煤層氣新型鉆井綜合參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖2所示。在界面的左側(cè)可以實時觀測鉆井工程參數(shù)以及當前時間的MWD數(shù)據(jù)，中間為氣測及硫化氫監(jiān)測數(shù)據(jù)，右側(cè)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(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)越性。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)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(jiān)測系統(tǒng)歷史時間的各監(jiān)測參數(shù)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(jiān)測模塊與報警記錄模塊設計

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

報警記錄模塊對各監(jiān)測參數(shù)按施工要求設定報警限制。若當前鉆井過程中出現(xiàn)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(shù)據(jù)遠程傳輸模塊設計

系統(tǒng)選擇基于CDMA無線網(wǎng)絡來實現(xiàn)鉆井綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸。CDMA無線網(wǎng)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(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸效率，將井場采集數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)交刂笓]中心，實現(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)及時進行分析判斷并做出相應的決策。遠程數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡拓撲結(jié)構如圖3所示。

圖3 遠程數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡拓撲結(jié)構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)測系統(tǒng)利用C#集成軟件系統(tǒng)，通過圖形界面及相應數(shù)據(jù)顯示，直觀反映出煤層氣鉆井現(xiàn)場實時作業(yè)情況；能將采集數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)交刂笓]中心，實現(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)及時進行分析判斷并做出相應的決策。實際應用表明，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。

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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(yè)于西南石油大學油氣田開發(fā)專業(yè),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(fā)示范工程(二期)項目(編號：2011ZX05061)。

修改稿收到日期：2014-12-08。