氣體鉆井微波傳輸隨鉆監測系統軟件設計*

江 波 ，夏文鶴 ，嚴焱誠 ，王希勇 ，胡萬俊 ，黃河淳

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

0 引言

隨著氣體鉆井的不斷發展和最大儲層接觸鉆井開發理念的提出，氣體鉆井技術與水平井等鉆井技術相結合在致密低滲油氣藏開發方面展現了巨大的潛力。但在氣體鉆水平井或特殊軌跡井的井眼軌跡測量、井眼軌跡控制技術領域仍然面臨著一些關鍵的技術難題和挑戰[1-3]。

針對氣體鉆井安全風險井下工況參數隨鉆獲取難題，設計在井下監測出水、溫度、井下壓力、方位等工程參數的測量工具，有利于快速識別井下安全風險并及時采取控制措施，避免鉆井安全事故，大大提高鉆井成功率[4]。與此同時，針對目前井下數據傳輸效率低、可靠性差的難題[5]，將鉆柱作為微波信號通道，研制出高效可靠的信號傳輸系統，滿足氣體鉆井井下安全監測和數據傳輸的需要[6]。

為了滿足整個系統流程的需要，完成對氣體鉆井井下測量設備的監控，故研制配套的地面監控軟件，不僅實現數據采集、分析觀察，并能對監測到的井下情況并進行及時的評價處理[7-10]。

1 監控系統總體設計

1.1 監控系統硬件結構

通過實際微波傳輸測試結果可以觀察到，通過點對點直接傳輸，尚無法實現從近鉆到地面3 000 m 的傳輸距離[11]。通常可以借助信號中繼的方式來實現傳輸距離的增大和提升。信號中繼的方式從某種程度上降低了對發射功率的要求，即可以為狹小的井下空間節省更多體積，對于傳輸系統而言，使之更加便捷化。雖然該方式會增加入井設備數量，但是在設備可靠性提高的前提下，該方式是提升系統測傳距離最直接的方式，因此具有實際價值[12]。

無線中繼傳輸技術的基本原理是利用無線接力功能，從一個中繼點將無線信號傳送到下一個中繼點，通過多個中繼短節進行聯通便可以實現目標范圍內的網絡覆蓋[13]。在鉆柱特定的結構特征環境下，微波信號只能通過直線方向從井底向井上方向進行傳輸，因而整個井下網絡中繼短節的布置需要按照鉆柱結構組成直線狀分布，從而形成一個直線分布的鏈式網絡。傳輸過程中，當上一級中繼所發射的微波信號功率在鉆桿內的衰減程度與接收靈敏度相接近時(即模塊能有效接收到信號的最小功率)，就需要有一級新的中繼短節加入進來，這樣就可以不斷地延長信號的傳輸距離，最終將信號傳輸至地面[14-15]。

圖1 是為井下微波信號中繼傳輸的設計方案，圖中共計5 種設備，該傳輸系統的傳輸過程如下：測量短節位于近鉆頭處，對井下的實時參數信息進行采集，并利用鉆柱內孔信道，向地面方向發送數據。數據依次通過低序號到高序號的微波中繼短節，并通過多個中繼級聯構成的鏈式網絡，最終到達地面，被地面中繼器接收。地面中繼器在鉆柱內外設置收發天線，將微波信號從鉆柱內部引出到鉆柱外部地面空間[16]，隨后井口信號接收器接收數據后通過有線方式傳送給終端接收器，進行數據處理后通過人機界面進行顯示，以此來實現測量信息從井底向地面傳輸的過程。為提高傳輸效率，各中繼短節采用透明接力傳輸。

圖1 監控系統總體架構

1.2 微波中繼通信系統設備及傳輸協議

根據IEEE 802.15.4 協議通信系統的架構設計[17]，微波傳輸系統主要由井口信號接收器、地面中繼短節、中繼短節以及測量短節來組成，其中井口信號接收器一個，固定放置于地面控制室，與計算機通過串口線直接連接；二級井口信號接收器(地面中繼器)一個，固定放置于井口位置，與井口信號接收器通過微波無線連接；中繼短節若干個，放置于鉆井的中間，用于數據的無線傳輸；測量短節1 個，放置于近鉆頭位置，與協調器通過若干中繼短節無線連接。各設備的類型編碼、設備編碼及目的地編碼如表1 所示。

表1 通信系統各層級設備設定值

其中目標ID 包括上行和下行目標ID 兩類。對于下行數據目標ID，模塊根據參數“目標ID”轉發下行數據；對于上行數據目標ID，模塊接收到下行數據時，記錄下行數據中的“發送設備ID”，并使用此ID 轉發上行數據。

2 監控系統軟件模塊結構

監控系統軟件采用事件驅動軟件架構開發，采用消息隊列及多線程方式采集并處理監控數據，并將氣體鉆井施工過程中各工程參數以曲線、數值、刻度等多種方式進行人機交互[18-19]，監控軟件按功能總共分為4 個部分，分別是：參數設置模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、系統管理模塊。參數設置模塊的功能是設置地下傳感器參數、采集數據的轉換系數和量程系數。數據采集模塊和數據處理模塊的功能則是實現隨鉆監測數據采集，并對數據進行處理計算，得到監測物理量的具體數值，最后存入數據庫內，并顯示各物理量的趨勢變化，同時采集中繼短節工作狀態數據。系統管理模塊主要解析中繼短節、井下測量短節的工作狀態數據，對中繼短節、井下測量短節工作狀態進行判斷預警。其框圖如圖2 所示。

圖2 系統功能框架圖

參數設置模塊如前文所述，主要負責設置軟件運行過程中所有參數，方便軟件根據實際需求更靈活地處理收集到的數據。下文將著重介紹數據采集模塊、數據處理模塊和系統管理模塊。

2.1 數據采集

如圖3 所示，數據采集的主要功能是實現對測量短節傳輸數據的提取、處理、顯示分析和存儲[20]，軟件重點是實現與下位機通信和數據處理。

圖3 數據采集流程圖

2.2 數據處理

根據監控系統硬件的設計，上位機數據處理主要包含測量短節數據處理和數據保存兩部分[21]。

2.2.1 測量短節數據處理

軟件中設置兩個測量短節監控界面，分別為“地下設備1”和“地下設備2”。這兩個頁面分別對兩個測量短節的數據進行顯示和監控。測量短節數據處理流程圖如圖4 所示。

圖4 測量短節數據處理流程圖

軟件數據欄會顯示測量到的數據，包括環壓、電阻率、扭力、鉆壓、溫度、俯仰角和方位角等。而環壓、電阻率、鉆壓、扭矩的數據會根據數據以變化趨勢圖的方式實時顯示，方便觀察數據變化；其中扭矩由兩個測量短節的角度差和設置好的轉換系數在軟件后臺計算得來。當井深不準確時，可通過手動輸入“井深”來調整此時井深數據。而“鉆桿姿態”是根據俯仰角和方位角繪制出的實時鉆桿姿態，可以直觀地觀察到鉆桿姿態變化。

2.2.2 數據保存

提取數據之后，判斷數據讀取中是否存在中繼短節故障情況，如果是則刪除掉后面的數據再存入數據庫；若不是，則可將現有數據按其編號輪次存入在數據庫中，供以后查詢。保存數據之后，就可以查看歷史數據，導出Excel 表格保存。依據數據庫內的數據，將所測的環壓、電阻率、鉆壓和通過計算得到的扭矩以趨勢圖的形式繪制出來并顯示，方便比較和觀察測試的結果以及解讀測試報告，并以坐標的方式直觀地展示實時的鉆桿姿態。相關流程如圖5、圖6 所示。

圖5 保存數據功能流程圖

圖6 數據查詢、圖表顯示、導出功能流程圖

2.3 系統管理

在整個隨鉆監測系統運行過程中，中繼短節除了依次傳輸測量短節的數據外，也需要將自身工作狀態上傳，包括電量、溫度、強度和上傳時間。這部分數據在讀取后會在中繼短節數據界面進行顯示，并對數據進行判斷。中繼短節數據處理流程圖如圖7 所示。

圖7 中繼短節數據處理流程圖

除此以外，中繼短節狀態分析還對中繼短節工作狀態進行了處理[22]，當中繼短節模塊正常工作時,在界面中顯示為綠色；如果超過10 min 未收到上傳數據，中繼短節模塊會變為黃色；若長時間未收到上傳數據或出現電量不足溫度過高等情況，中繼短節模塊會變為紅色，表示此時該中繼短節出現故障。

2.4 軟件現場應用

為檢驗氣體鉆井微波傳輸隨鉆監測系統軟件設計的合理性及可靠性，利用微波中繼傳輸系統在元陸29井、元壩205-3 井等進行了多井次現場試驗。試驗過程中，通過該軟件系統，實時獲取了井斜、方位、鉆壓、扭矩等工程數據。試驗過程中，軟件工作正常，未影響正常的鉆進作業施工。井下最大測傳速率為1.194 kb/s，測傳深度3 110 m，還可進一步增加。軟件接收、存儲數據正確，無亂碼及掉數據現象，說明軟件系統能滿足氣體鉆井井下隨鉆監測的實際應用需求。軟件人機交互示意圖如圖8 所示。

圖8 軟件示意圖

3 結論

根據上述軟件模塊程序流程和架構以及現場實際需要，并借鑒吸收國內外氣體鉆井隨鉆監測管理系統的成功經驗，本設計針對氣體現場實際需要，采用事件驅動軟件架構開發配套隨鉆監測軟件，將氣體鉆井施工過程中各工程參數以曲線、數值、刻度等多種方式進行人機交互，并能對井筒內微波信道進行監管，為氣體鉆井隨鉆實時監控及鉆后分析研究提供了軟件支撐。該軟件的應用使最大測傳速率達到1.194 kb/s，信道監管功能的引入使測傳深度突破3 000 m，基本滿足目前氣體鉆井隨鉆監測的需要。