李永釗

(中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程公司工程技術(shù)研究院 遼寧 盤錦 124010)

·綜 述·

無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李永釗

(中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程公司工程技術(shù)研究院 遼寧 盤錦 124010)

總結(jié)了鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器發(fā)展的三個(gè)階段：機(jī)械式、液壓式儀表階段，自動(dòng)化、集成化階段和信息化、智能化階段。針對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器有線連接、可移動(dòng)性差，維護(hù)困難，易受干擾的問題，介紹了目前無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器的研究現(xiàn)狀。通過構(gòu)建井場(chǎng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，利用低功耗電子技術(shù)改造傳感器，解決了無線鉆井參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸問題。指出了該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)：向多學(xué)科、多技術(shù)集成方向發(fā)展；向鉆井參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)選、智能控制方向發(fā)展。指出無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器將成為下一代鉆井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部分。

鉆井參數(shù)； 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)；低功耗；研究現(xiàn)狀； 發(fā)展趨勢(shì)

0 引 言

鉆井參數(shù)儀、錄井工程參數(shù)測(cè)量?jī)x等儀器儀表可以對(duì)鉆井工況及工程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況和鉆井事故，是鉆井工程監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)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(shù)測(cè)量?jī)x器通過傳感測(cè)量技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量化分析方法和科學(xué)快速的專家決策能力，分析鉆井過程中鉆井工程參數(shù)和鉆井液參數(shù)的異常變化，對(duì)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(shí)給以早期預(yù)警，最大限度地降低損失，這對(duì)風(fēng)險(xiǎn)性高、耗資巨大的石油鉆探工程意義重大。

1 鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷程

鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：一是機(jī)械式、液壓式儀表階段，二是自動(dòng)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(shù)測(cè)量?jī)x器是鉆機(jī)上配備的機(jī)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速表等，這些參數(shù)顯示在司鉆操作臺(tái)表盤上，通過人工觀察、手工錄入的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，時(shí)效性和準(zhǔn)確性很差。到了鉆井參數(shù)測(cè)量自動(dòng)化、集成化的前期階段，出現(xiàn)了集成化的鉆井參數(shù)儀器，如六道參數(shù)儀、八道參數(shù)儀、液面報(bào)警器和第一代面板式錄井儀，能測(cè)量顯示鉆機(jī)在作業(yè)過程中的大鉤懸重和鉆壓﹑轉(zhuǎn)盤扭矩﹑立管壓力﹑吊鉗扭矩﹑轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速﹑泵沖、鉆井液池體積等參數(shù)的變化情況。隨著微電子、單片機(jī)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了脫機(jī)式、聯(lián)機(jī)式綜合錄井儀和獨(dú)立的鉆井參數(shù)儀，達(dá)到了鉆井參數(shù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、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(fù)雜井的大量推廣，要求預(yù)防鉆井事故更快、更準(zhǔn)，優(yōu)選鉆井參數(shù)更加科學(xué)，建立鉆井專家決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制鉆井，順應(yīng)需求，新一代的鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器采用CANBUS總線模式來提高傳輸效率，使鉆井參數(shù)測(cè)量與鉆井工程構(gòu)成一個(gè)全閉環(huán)的控制系統(tǒng)，向著信息化、智能化階段發(fā)展[2]。

目前國(guó)際上各大鉆井服務(wù)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(cè)量的參數(shù)包括：井深、鉆時(shí)、大鉤負(fù)荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(guó)自二十世紀(jì)八十年代引進(jìn)法國(guó)Geoservices生產(chǎn)的TDC綜合錄井儀以后，經(jīng)過不斷的科研探索，研發(fā)的鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器已經(jīng)具有國(guó)際先進(jìn)水平，其中中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第22研究所的ACE型，上海神開的SK系列鉆井參數(shù)儀，渤海鉆探公司的德瑪鉆井參數(shù)儀各有特色。目前的鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x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(lián)接，提供標(biāo)準(zhǔn)的 24 V直流電壓，傳感器輸出4～20 mA電流信號(hào)或0～5 V電壓信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行分時(shí)多路采集，最后通過接線箱進(jìn)入存儲(chǔ)控制系統(tǒng)；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(tǒng)。在現(xiàn)場(chǎng)的大量應(yīng)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(chǎng)進(jìn)行復(fù)雜長(zhǎng)距離的布線，安裝、拆卸受井場(chǎng)環(huán)境制約、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(hào)，電流或電壓信號(hào)容易受井場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，干擾操作人員對(duì)鉆井狀況的正確判斷；一旦信號(hào)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(gè)傳感器的異?？赡軙?huì)影響到整個(gè)傳感器系統(tǒng)[5,6]。

2 無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器的研究現(xiàn)狀

在井場(chǎng)應(yīng)用日趨成熟的短距離無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)可以解決上面的問題，很多科研機(jī)構(gòu)和儀器研制廠家都在致力于開發(fā)無線鉆井參數(shù)采集系統(tǒng)，常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x在抗干擾能力、傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、低功耗傳感器改造等方面還存在薄弱點(diǎn)[7]。

圖1 鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 通信方式的選擇

鉆井現(xiàn)場(chǎng)有多種大型電氣設(shè)備，電磁環(huán)境復(fù)雜，在正常鉆井作業(yè)中, 使用場(chǎng)強(qiáng)計(jì)監(jiān)測(cè)干擾信號(hào)的數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)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(shù)主要有： ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)802.11b(Wifi)、無線433 MHz、915 MHz頻段等，幾種通信方式特點(diǎn)見表1[8]。

表1 各種通信方式的特點(diǎn)

通過以上比較, 從現(xiàn)有的短距無線通信方式來看, ZigBee技術(shù)和無線433 MHz、915 MHz通信技術(shù)適合組建鉆井井場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這也是目前無線鉆井參數(shù)采集系統(tǒng)研究的兩個(gè)方向。如中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第22研究所開發(fā)了基于zigbee協(xié)議的無線鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，上海神開研發(fā)的采用433 MHz和915 MHz雙通道的無線液面報(bào)警系統(tǒng)，長(zhǎng)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(shù)儀以及加拿大中加國(guó)際發(fā)展公司研制的基于無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的鉆井多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，工作頻率為 433 MHz、915 MHz或2.4 GHz。這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的大膽嘗試，克服了現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)等設(shè)備對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采集的干擾，證明了無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。

2.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器工作的鉆井現(xiàn)場(chǎng)，井場(chǎng)范圍以中控室為中心最大距離不超過100 m，現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器數(shù)量在30個(gè)以下，且集中分布在鉆臺(tái)、鉆井液入口、鉆井液出口3個(gè)區(qū)域，傳感器之間一般不需要相互通信。因此不需要太復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先達(dá)到穩(wěn)定、可靠、實(shí)用，且便于維護(hù)[9]。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第22研究所研制的無線鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了非同步樹狀結(jié)構(gòu)，引入了中繼節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。中繼節(jié)點(diǎn)在自身加入主節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)后, 可實(shí)現(xiàn)接納傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)及主節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸功能。傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身與主節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的連接情況判斷數(shù)據(jù)是直接發(fā)送至主節(jié)點(diǎn)還是經(jīng)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。在通信條件發(fā)生變化時(shí), 可以及時(shí)轉(zhuǎn)變傳輸路徑, 保證數(shù)據(jù)傳輸[10]。

長(zhǎng)城鉆探工程院、加拿大中加國(guó)際發(fā)展公司研制的無線低功耗鉆井參數(shù)儀采用星型結(jié)構(gòu)，信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn)，無線低功耗傳感器為子節(jié)點(diǎn)，信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)通過輪詢的方式訪問子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)回饋信息，這種結(jié)構(gòu)便于集中控制、避免傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞[10]，如圖3所示。

圖3 星型結(jié)構(gòu)

2.3 低功耗傳感器改造

對(duì)于無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器，采用電池供電或太陽(yáng)能電池板供電的低壓低功耗傳感器是必須解決的實(shí)際問題，否則將失去無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的意義。

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)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(diǎn)各部分功耗占節(jié)點(diǎn)總功耗的百分比如圖4所示。

圖4 無線傳感器節(jié)點(diǎn)各部分功耗百分比

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

1)傳感器上的各個(gè)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(duì)傳感器進(jìn)行能耗管理，包括：

1)合理制定通信協(xié)議，減少數(shù)據(jù)包無用信息，有效縮短數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，減少發(fā)送時(shí)間，降低功耗；

2)使用錯(cuò)誤檢測(cè)和校正機(jī)制可以在給定誤碼率的條件下有效減少數(shù)據(jù)包的重傳；

3)軟件控制不需要采樣的時(shí)候掐斷傳感器模塊的電能供應(yīng)減少功耗。

經(jīng)過低功耗改造的傳感器已經(jīng)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，數(shù)據(jù)表明采用20 Ah的電池連續(xù)工作時(shí)間超過100天，而且這種本安型低功耗傳感器也不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全性構(gòu)成威脅。

但是由于低壓低功耗傳感器屬于非標(biāo)產(chǎn)品，市面這種產(chǎn)品較少。目前僅有為數(shù)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(wǎng)絡(luò)的成熟應(yīng)用，會(huì)有更多的廠家研制生產(chǎn)鉆井低壓低功耗傳感器。

3 無線鉆井參數(shù)儀的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 向多學(xué)科、多技術(shù)集成方向發(fā)展

鉆井工程的過程參數(shù)包括壓力類、應(yīng)力類、井深類、計(jì)數(shù)類以及鉆井液溫度電導(dǎo)率等，測(cè)量過程涉及到力學(xué)、微電子工程科學(xué)、新材料、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等各種學(xué)科和技術(shù)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。今后無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器的發(fā)展還要結(jié)合不斷涌現(xiàn)的新科技、新材料，以鉆井工程測(cè)量技術(shù)為紐帶，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科、多技術(shù)的交叉集成，不斷提高創(chuàng)新能力。

3.2 向鉆井參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)選、智能控制方向發(fā)展

順應(yīng)鉆井工程信息化、智能化的發(fā)展要求，鉆井參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)選、智能控制是一個(gè)重要的發(fā)展方向。鉆井三要素包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量，選擇合理的鉆井參數(shù)、鉆井液性能、水力參數(shù)是提高鉆井速度、實(shí)現(xiàn)安全鉆井的關(guān)鍵。無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器的發(fā)展，一方面要保證無線鉆井參數(shù)儀參數(shù)采集的頻度和準(zhǔn)確度，建立完善的鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，做好鉆井大數(shù)據(jù)優(yōu)化分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；另一方面利用最優(yōu)化理論優(yōu)化上位機(jī)軟件的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)鉆頭使用情況結(jié)合地層巖性特征實(shí)時(shí)地進(jìn)行鉆井參數(shù)的優(yōu)選設(shè)計(jì)，選擇合理的鉆井參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、智能優(yōu)選鉆井參數(shù)[12]。

4 結(jié) 論

1)無線鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器在井場(chǎng)的成功應(yīng)用，表明了無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和低功耗傳感器可以適應(yīng)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境；并且使鉆井工程工作人員擺脫了傳統(tǒng)儀器布線的繁瑣，儀器的搬運(yùn)、安裝、拆卸變得更加靈活；降低了維護(hù)和人員成本。預(yù)示著下一代數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)在井場(chǎng)的使用，改變了對(duì)人們對(duì)鉆井參數(shù)測(cè)量?jī)x器工作原理的認(rèn)識(shí)，使鉆井設(shè)備模塊化、小型化成為可能，為下一代鉆井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制與開發(fā)提供了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)，甚至改變現(xiàn)在鉆井的業(yè)務(wù)模式。

3)這是無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)在鉆井參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域的重大突破，拓寬了人們對(duì)鉆井工程測(cè)控領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)，充分說明鉆井工程要不斷吸納新技術(shù)、新工藝，提高科學(xué)化水平。

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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(guó)石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)在長(zhǎng)城鉆探工程技術(shù)研究院從事無線低功耗鉆井參數(shù)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)