遠程控制技術在固井施工中的應用

高亞寧，王軍鋒，王 麗

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710018）

1 研究背景

目前，在固井施工中都采用平臺人工操作的方式。研究具備遠程操作、數據采集、實時觀看施工數據、遠程協助指導施工功能的裝置，方便操作人員、技術人員、監督人員操作、觀看，能避免高壓傷害，高效、精準固井施工，將是未來固井施工設備發展的趨勢。

2 固井作業現狀

固井是鉆井作業過程中不可缺少的重要環節，是在已鉆出的井眼中下入一定尺寸的套管，并在套管與井壁或套管與套管之間的環形空間內注入水泥的工藝過程。目前固井施工中使用的主要設備為水泥車、下灰車，水泥漿混配依靠人員在水泥車操作混漿系統來完成。人員的操作能力、人員之間的配合程度是影響固井質量的重要因素。同時固井施工屬于高壓高風險作業，在施工過程中操作人員站在操作臺上操作設備，面臨高壓爆管傷人、損壞設備的巨大風險。

3 遠程控制技術現狀及發展趨勢

3.1 國外發展現狀

哈里伯頓公司開發的固井作業集成監控系統實現固井施工參數實時監測、控制及施工過程的統一調度指揮。該系統使用高精度的傳感器及信號控制系統，應用固井施工實時監測軟件對固井施工進行仿真模擬。斯倫貝謝公司開發了固井施工參數監測系統SFM，SFM 通過準確確定水泥漿密度，實時監控水泥漿質量。

3.2 國內發展現狀

國內企業在固井施工實時監測方面，經過多年探索與研究，開發了一些傳感器用以監測固井施工參數。部分油田配備了固井施工參數自動監測設備，但在遠程集中控制方面，研究開發的技術及設備成果較少。

3.3 發展趨勢

隨著油氣田勘探開發的進一步發展，各種類型的油氣藏和特殊工藝井不斷增加，地下狀況越來越復雜，固井工藝及質量影響著油氣田開發速度和綜合經濟效益。為降低施工難度，提高固井質量，現代固井施工開始從人工操作向固井施工實時監測技術、自動化與智能化方向發展，呈現以下發展趨勢。

（1）綜合應用固井分析技術與計算機軟硬件技術，研發長壽命、高精度的固井施工參數采集裝置及實時監測軟件，實現固井施工參數自動監測與施工過程動態模擬。

（2）將決策支持技術應用于固井施工實時監測分析軟件，實現固井施工決策支持功能，有助于減少固井施工復雜情況，保障固井施工順利進行。

（3）集合數據與圖像遠程無線傳輸技術，為固井施工實時監測及決策支持系統配備遠程數據傳輸設備，以便于對固井施工現場進行遠程決策指揮。

4 遠程控制固井施工設想

降低固井施工對操作工的依賴，提高施工效率，降低勞動強度，減少成本支出。實現遠程技術支持，研究解決復雜井、特殊井固井施工中的問題，降低施工風險，提高固井質量；規避或降低固井施工中的高壓管匯爆裂風險。這些都是目前需要思考解決的問題。

4.1 統一操作界面，實現人人會操作

目前，水泥車平臺操作系統主要分為杰瑞公司的AMS 系統及四機賽瓦公司的ACM 系統。兩大系統又有不同的版本及操作界面，操作方法及步驟不盡相同。熟悉各種系統操作，這對操作工的能力提出了較高要求。若出現操作人員緊張替車施工，固井施工及質量易受到影響。化零為整，實現不同的操作系統界面和操作步驟統一，使系統操作方便簡單，培訓學習容易掌握，實現操作人員人人可以操作。

4.2 建立獨立空間，遠程集中控制施工，減少人工直接操作，規避高壓風險

遠程控制水泥車水閥、灰閥，觀察水泥漿密度、排量、壓力、水位。遠離操作臺，將控制裝置集中于獨立空間，操作人員和技術人員可以監控固井施工數據，現場決策發出指令，固井數據實時采集和打印，同時不受外部高壓作業影響，實現零風險和零傷害。

4.3 增加遠程數據傳輸，實現遠程固井技術指導和現場固井施工情況監控，提高固井質量

配備攝像頭，采集現場施工實時圖像，增加網絡數據傳輸功能，實現遠程畫面傳輸和實時通話功能。通過調節攝像頭，遠程觀察固井施工中施工現場、混漿槽水泥漿、計量罐水位情況、井口流量、水泥漿密度、壓力和排量等數據，把控重點施工環節，為進一步提高固井質量提供支撐。

5 固井儀表車介紹

固井儀表車是將水泥車平臺操作及信息傳遞集中在車載控制室內，可以實現遠程控制水泥漿密度，調節水量及灰量，觀察壓力、排量、密度，傳達操作指令進行固井施工。該車配置了數據傳輸及視頻會議系統、視頻監控系統、遠程集中控制系統、數據采集系統、井口無線數據采集系統與無線數據遠傳系統和供電系統等。

5.1 數據傳輸及視頻會議系統

該系統配備了無線局域網、3G/4G 移動網絡以及內部網，實現施工數據傳輸。建立的無線局域網絡，滿足了固井施工NVR視頻和實時采集數據的傳輸，而且通過衛星把固井儀表車局域網、駐地局域網和內部網絡連接起來，可以實現鉆臺、井場、駐地和部網的融合。

（1）增加1 套衛星通信系統，1 臺架設車頂衛星天線，安裝衛星控制器、調制解調器、反饋線及電源線。

（2）通過衛星數據傳輸，將施工視頻監控發送至服務器端。借助現有工業監控系統實現遠程視頻查看，配置視頻會議系統，實現網絡視頻通話和會議功能。

5.2 視頻監控系統

固井儀表車配套的數字視頻監控系統采用數字高清視頻監控設備，配置硬盤錄像機，接入4 路圖像，通過數據傳輸系統（接入鉆井隊衛星通信系統傳送至西安視頻服務器），實時調用固井工業視頻數據，實現固井工業視頻遠程監控。

固井儀表車車頂安裝2 只帶自動升降功能的高清攝像頭，監控井場周圍施工情況。設備2 只移動攝像頭，監控施工重點區域，例如，1 或2 臺水泥車施工過程或井口情況、水泥漿密度測量區域、井場高壓管線連接區域。

5.3 遠程集中控制系統

遠程集中控制系統將遠控水泥車平臺柴油機啟動、變扭器換擋、水閥、灰閥開合、指令傳輸集中于儀表車控制室內。通過水泥車操作系統或控制面板進行遠程操作，觀察施工數據（壓力、排量和密度等），利用對講機實現各崗位人員配合施工作業。

（1）固井車遠控顯示系統。遠控水泥車混漿槽、計量罐各配置1 臺攝像頭，以便在儀表車內觀看水泥車水泥漿、水位。儀表車內4 臺22 寸HP 液晶顯示器用于水泥車遠程集中控制顯示。

（2）固井車遠控終端。2 套控制面板，2 套系統操作控制軟件，通過操作控制面板或控制軟件進行遠程控制。在操作臺面上增加1 套急停控制箱，急停控制箱操作面板上有總電源開關、采集系統開關和控制系統開關等。

5.4 數據采集系統

數據采集系統是對多設備數據（水泥車施工密度、壓力、排量等數據，井口流量）進行采集。施工指揮人員可以隨時掌握關鍵參數及關鍵環節工作狀況，準確發布指令，指揮固井施工，確保固井施工順利進行。

儀表車內操作室尾部安裝6 臺24 寸HP 液晶顯示器，用于精確顯示采集的施工數據，以及曲線和現場施工畫面。

5.5 井口無線數據采集系統與無線數據遠傳系統

井口無線數據采集系統是借助井口高壓管匯總成（帶有流量及壓力測量及無線傳輸功能），將井口采集的壓力、流量數據通過局域網傳至儀表車，使得技術人員實時掌握井口情況。

無線數據遠傳系統是將數據采集系統的采集數據通過4G網絡傳輸至遠端服務器，通過系統平臺可遠程觀察施工實時數據，遠程指導重點井施工或分析固井質量。

5.6 供電系統

增設1 臺車載發電機，為車內遠程集中控制系統、數據采集系統、視頻監控系統、數據傳輸及視頻會議系統供電，配置蓄電池和UPS，保證各大系統不間斷運行。

6 固井儀表車的應用

6.1 儀表車現場運行情況

固井儀表車通過控制線與遠控水泥車連接，實現遠程控制，遠控水泥車計量罐及混漿槽上分別安裝高清攝像頭，同時可將視頻畫面傳輸到儀表車。儀表車配備數據采集系統可以實時進行數據采集，通過打印機打印。

固井儀表車車頂配置兩個高清攝像頭，用于監控固井現場，配備兩個移動攝像頭，配置監測井場關鍵位置。例如，井口、高壓管線連接位置、人工水泥漿測量點等。

儀表車的衛星數據傳輸功能可以使視頻畫面、語音通過工業監控和視頻會議系統平臺，實現人員遠程面對面交流和遠程視頻監控。

6.2 固井儀表車的現場應用

6.2.1 施工準備

（1）將儀表車1 根控制線與遠控水泥車進行連接，潛水泵與遠控電控箱連接到位。

（2）安裝井口和管匯區移動設備攝像頭監控。

（3）啟動儀表車內設備，將車頂攝像頭轉向遠控水泥車和井場其他重點區域。調節衛星角度和設備參數，建立網絡數據傳輸。打開視頻會議系統，建立遠程連接，調試設備直至視頻圖像、語音通話正常。

（4）打開數據采集系統，調試遠程集中控制，查看遠控水泥車回傳的圖像及設備運行參數是否正常，設備遠程操作是否可靠。

（5）人員就位，等待施工。1 名操作工在操作間做好施工準備。為確保固井施工可靠、安全，操作臺上安排1 名操作工做好人工操作應急處置，同時測試對講機正常。

6.2.2 固井作業

（1）第一次固井作業。固井儀表車與遠控水泥車進行上井初次試運轉。重點完成儀表車與遠控水泥車、遠控電控箱、移動攝像頭通信測試，網絡數據傳輸測試。

（2）第二次固井作業。儀表車與遠控水泥車參與氣完井固井作業，遠控水泥車完成全程注水泥漿并進行頂替碰壓作業。重點完成遠程控制、視頻監控和網絡數據傳輸運行測試。

（3）第三次固井作業。儀表車與遠控水泥車參加氣完井施工。重點完成遠程控制、網絡傳輸及遠程視頻通話測試。

固井儀表車參與完成3 次固完井施工作業，分重點對儀表車各大系統進行數據測試。數據傳輸及遠程控制正常，水泥漿混配達到設計密度要求，成功完成固井施工任務。

7 結論

固井儀表車的成功投入應用是實現遠程控制固井施工的良好開端，它不僅降低了操作人員的勞動強度，提高了施工效率，確保了安全，而且為固井施工提高了準確的數據參考。尤其在重點井、高難度井施工中為技術人員現場分析討論、處置提供了較好的平臺，為提高固井質量做好了設備支撐。為深入發展遠程控制技術，在儀表車不斷改進的基礎上，將逐步從以下方面進行發展改進。

（1）進一步開發固井作業遠程集中控制系統，逐步實現多臺水泥車控制作業，下灰車遠程集中控制及實時數據監控。達到下灰閥門的遠程打開與關閉，灰量大小控制，水泥灰余量和壓力遠程顯示。

（2）開發井口附件裝置，實現遠程控制井口旋塞閥、水泥頭擋銷的打開與關閉。

（3）建立儀表車與立式罐、車載壓風機連接，將立式罐壓力、壓風機運行壓力、流量、溫度等參數回傳至儀表車，遠程集中控制閥門的開啟與關閉，實現供灰、供氣遠程控制技術。