固井施工全过程监测预警系统研制与应用_郑双进.pdf

收稿日期：；修订日期：。作者简介：郑双进（），男，博士，教授，研究方向为石油天然气固井工艺。：。通信作者：张朝政（），男，在读硕士研究生，研究方向为石油天然气固井工艺。：。文章编号：（）固井施工全过程监测预警系统研制与应用郑双进，张朝政，刘会斌，李延伟，李足平，吴 波（长江大学石油工程学院，湖北武汉；油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉；中国石化胜利石油工程有限公司固井技术服务中心，山东东营）摘要：固井施工监测预警对于保障施工作业安全及提高固井质量十分重要，为了解决目前固井监测手段匮乏、监测过程不完整、缺乏分析预警功能等问题，研制了一套固井施工全过程监测预警系统，系统运用低功耗单片微型处理器采集传感器数据，通过 无线模块将数据远程传输至上位机，可对固井施工全过程的水泥浆密度、井口注入压力和注入流量进行实时监测，并对固井施工过程中的憋堵、井漏、溢流等井下风险进行预警。现场测试表明，该系统可对固井注浆、压塞、替浆全过程的施工参数进行监测，并实时计算固井全过程中的井内实际流量、真空段长度、井底和薄弱点当量循环密度、关注点流态等参数，针对憋堵、井漏、溢流等井下风险预警，具有数据采集准确、信号传输稳定、分析预警可靠、现场使用方便等特点，为实时保障固井作业安全与提高固井质量提供了技术手段。关键词：固井施工；参数监测；分析预警；现场试验；架构设计中图分类号：文献标识码：，（，；，；，）：，；，年 月石 油 地 质 与 工 程 第 卷 第 期：；在固井作业过程中，针对施工压力、注入流量、流体密度等参数进行监测，并进行计算分析，根据参数变化规律判别井下情况是一种较为可靠的预警方法，但目前油田施工现场大多还是依靠人工观测施工参数和识别固井状态，其时效性与可靠性较差。随着自动化采集和物联网技术的不断发展，业内部分专家学者针对固井施工监测开展了一系列研究，如王保记等人研制出一套固井计算机优化设计与实时监测系统（），通过固井施工计算机模拟、固井施工实时监测、固井工程数据库等实现固井模拟优化设计与现场施工实时监测，有助于提高固井成功率和固井质量；陈会年等人研制了一种固井施工参数检测仪，通过数据采集卡和便携式工控机实时采集、记录和显示施工参数的变化过程；沈家训等人提出采用 无线发送模块与数据采集卡来采集和处理传感器数据，并无线发送到计算机进行分析；苏海波等人采用 系统优化固井设计与施工监测，通过固井模拟分析对作业过程中的环空压力、泵压和流量变化情况进行监测；樊恒等人建立了基于 芯片和 网络通信的水泥浆密度监测系统，其系统采集速度快、稳定性好，可实现对水泥浆密度实时监测；从目前的应用情况及市场反馈来看，前述系统还存在一定的局限性，比如系统监测参数未覆盖固井施工全过程，系统能耗较大、对电源需求高，仪器设备较为庞大、不利于携带，有线方式传输数据在现场使用不方便，无线模块需要连接基站导致位置偏僻的施工现场无法使用等。因此，在此背景下，本文设计研制了一套固井施工全过程监测预警系统，可对固井施工全过程的水泥浆密度、井口注入压力和注入流量进行实时监测，可对固井施工过程中的憋堵、井漏、溢流等井下风险进行预警，并利用 扩频技术实现各种复杂工况下的数据远程传输，具有数据采集准确、信号传输稳定、现场使用方便、系统功耗低等特点。系统架构设计固井施工全过程监测预警系统主要由参数监测与分析预警两大模块组成，基于两大模块的功能，系统采用参数获取层、网络传输层和平台应用层三层架构设计，参数获取层由数据采集终端获取注浆、压塞、替浆过程的传感器采集数据；网络传输层由采集终端和汇总终端构建 无线传感网络，终端之间通过此网络进行数据和指令传输；平台应用层由上位机远程接入 无线传感网络读取采集终端的数据进行实时监测和分析。整套系统布局简单，无线传输和自供电设计使得现场操作方便，系统架构如图 所示。图 固井施工全过程监测预警系统架构石 油 地 质 与 工 程 年 第 期 参数监测模块设计固井施工全过程监测预警系统的监测模块主要由数据采集终端和数据汇总终端两个子模块构成，其中数据采集终端包括密度采集终端、压力采集终端和流量采集终端。所有终端结构都由 主控芯片、通信模块、终端电源模块、电路复位模块、无线通信模块及各传感器组成。作为内部主控制器的 系列芯片是一款采用 内核的高主频、低功耗、多外设芯片，系统搭载 无线通信模块进行数据采集和传输，可以配对多个通信节点，形成井场数据无线传输网络。每个终端都有其固定编号与功能，可基于此网络进行数据接收与发送。数据采集终端设计本系统的数据采集网络共由 个终端节点构成，包括 个压力终端节点、个流量终端节点和 个密度终端节点，分别用于采集固井注浆、压塞、替浆等施工阶段的压力、流量和水泥浆密度数据。数据采集终端由主控芯片模块、电源模块、自复位模块、无线通信模块及传感器控制模块组成。传感器由采集电路内的电源模块进行供电，采集电路以数据汇总终端的数据请求指令为基准，将采集到的传感器数据发送到数据汇总终端进行监测处理。此外，采集电路还采用了“看门狗”芯片以保证系统运行不会被卡死。压力采集终端压力采集终端主要包括赫斯曼压力传感器和压力采集电路，安装在水泥头上的各液体注入口。压力采集电路通过 接口与传感器通信，读取传感器采集数据。压力传感器基于感压元件的压阻原理进行测量，采用了不锈钢隔离膜片和平面受力结构，广泛应用于测量水泥浆等固相颗粒含量较高的液体。传感器测量范围为 ，经过室内加压装置实际测试，该系统的压力采集精确度大于 ，测试结果如表 所示。表 压力采集终端测试结果施加压力 采样次数最大相对误差 流量采集终端流量采集终端包含涡轮流量计和流量采集电路，分别连接在注浆、压塞和替浆管线上。采集电路通过 计数功能对传感器输出脉冲进行计数，再计算出流量值。流量传感器的工作原理基于霍尔效应，其输出脉冲的频率与流体流量成固定比例，通过公式 ，即可计算出流体流量。其中，为体积流量，；为脉冲频率，；为仪表系数，。传感器本身的测量精度为，量程为 ，经过室内流体循环装置测试，此终端的流量采集精确度大于 。测试结果如表 所示。表 流量采集终端测试结果测试流量（）采样次数最大相对误差 密度采集终端密度采集终端由科氏力质量流量计和密度采集电路组成。质量流量计安装在水泥车二次混浆管线上，基于不同密度介质具有不同共振频率的特性进行测量，密度采集电路通过 接口读取传感器所采集的密度值。传感器测量范围为 ，精度误差为 。经过室内配比，三种密度的水泥浆样本，将其注入传感器进行测试，结果表明此终端的密度采集精确率大于 。测试结果如表 所示。表 密度采集终端测试结果样本密度（）采样次数最大相对误差 数据汇总终端设计相比采集终端，数据汇总终端增加了串口驱动连接上位机进行数据传输，并解决了电路供电问题。数据汇总终端的功能之一是通过 模块以固定时序间隔向所有采集终端依次发送数据请求指令，同时接收采集终端返回的采集数据进行解码和组包；功能之二是将组包好的数据帧通过串口发送至上位机平台，进行数据监测、分析和存储。分析预警模块设计固井施工分析预警模块主要用于实时分析计算井内实际流量、井底压力、薄弱点压力、关注点流态、井口真空段长度等参数，实时掌握井下实际流动状郑双进等 固井施工全过程监测预警系统研制与应用态，并对可能发生的井下复杂情况进行预警。如井底压力或薄弱点压力即将达到安全作业压力窗口时，系统会及时预警，提醒用户注意控制或调整相关参数，以确保井下施工安全；同时，针对系统直接监测的注入水泥浆密度、注入排量和注入压力，系统也会根据设计范围值进行超限预警，提醒用户及时调整，与固井施工设计保持一致。现场试验固井施工全过程监测预警系统于 年 月在胜利油田的樊页 井、草 斜 井、高 斜 井、面 井、坨 斜 井等进行了现场试验。现场试验表明，固井施工全过程参数监测、分析、预警功能运行正常，为现场施工人员提供了可靠的辅助手段，现场应用如图 所示。图 固井施工监测预警现场 樊页 井基本情况樊页 为一口油藏评 价 井，设 计 井 深 ，实际钻深 ，井身结构如表 所示；钻井液密度 ，漏斗黏度 ，塑性黏度 ，动切力 ，固井施工工序如表 所示。表 井身结构数据序号钻头尺寸 井深 套管尺寸 下深 钢级壁厚 封固井段 表 固井施工工序施工工序密度（）数量 管汇试压注前置液 注领浆 注中间浆 注尾浆 压胶塞 替泥浆 碰压 系统监测预警情况该井二开固井施工时，自循环泥浆时系统开始监测，每 采集一次数据，实时记录了注浆、压塞、替浆过程中的压力、流量和水泥浆密度数据，计算分析了井底当量循环密度（）、关注点 和关注点流速、真空段长度等数据，并在系统界面上实时绘制曲线。系统监测得到的压力、密度和流量曲线如图、图、图 所示，系统计算分析得到的井底 曲线如图 所示，当井下出现异常时，系统能够对异常进行及时预警。固井施工反馈情况该井二开固井施工时，在灌浆、顶通、循环及测排量后，注入密度为 的前置液，注入排量为 ，井口压力 ；然后注入密度为 的领浆，继续注入密度为 的中间浆，继续注入密度为 的尾浆，注入排量为 ，井口压力由 降至 。图 固井施工压力监测曲线石 油 地 质 与 工 程 年 第 期图 固井水泥浆密度监测曲线图 固井施工排量监测曲线图 井底 分析曲线 然后，注入密度为 的压塞液 ，注入排量为 ，井口压力为；最后开始替浆，替入密度为 的钻井液 ，替浆排量为 ，替浆至 时井口压力升高至 ，替浆至 时环空井口失返，井口压力从 降至 ，然后降低排量至 替浆，井口压力逐渐回升至 ，碰压压力为，稳压 后压力无下降，放回水不倒返。从图 所示的固井施工压力监测曲线可知，固井施工结束时的系统监测井口压力与固井施工反馈压力基本一致，从图 所示的井底 分析曲线可知，在 时系统针对井底漏失进行了及时预郑双进等 固井施工全过程监测预警系统研制与应用警，表明系统对固井参数监测和分析具有较高的准确性，可用于指导固井施工作业，降低作业风险。结论（）研制的固井施工全过程监测预警系统可对固井注浆、压塞、替浆过程中的水泥浆密度、井口注入压力和井口注入流量进行实时监测，并通过 无线模块将数据无线传输至上位机进行分析，可对憋堵、井漏、溢流等井下风险进行预警，解决了现场固井监测手段匮乏、监测过程不完整、缺乏预警功能等问题。（）研制的固井施工全过程监测预警系统在樊页 等井成功应用，成功监测了固井施工全过程的水泥浆密度、井口注入压力和井口注入流量参数，并提前预警了井下漏失风险，具有数据采集准确、信号传输稳定、分析预警可靠、现场使用方便等特点，为保障固井作业安全与提高固井质量提供了技术手段。（）未来开发方向：在该系统基础上扩展数据传输功能，将现场数据实时上传至云端，实现现场与云端双监测；基于 计算机视觉开发井下三维动态模型，实现固井可视化；面临井下复杂情况时，结合云端大数据分析实现智能决策及远程指挥；施工结束后实现一键数据反演，辅助用户分析井下复杂及固井质量；资料归档时从云端下载数据实现一键生成井史，提高归档效率。参考文献 赵云龙，王显诚，丁保刚，等 固井施工监测技术 石油钻采工艺，（）：王保记，岳建，李晓平，等 固井计算机优化设计与实时监测系统 石油学报，（）：陈会年，邹德永，邢世奇 便携式固井施工参数检测仪的研制及应用 石油机械，（）：沈家训 便携式固井施工实时采集系统研究 荆州：长江大学，苏海波 固井优化设计与施工监测 中国石油和化工标准与质量，（）：樊恒，刘萌，陈佳，等 基于 的固井水泥浆密度监测系统 现代电子技术，（）：李耀兴，郑恭明 基于 技术的云平台楼宇火警监测系统设计 消防科学与技术，（）：李峰 基于时钟芯片的硬件看门狗电路设计与实现 电子技术与软件工程，（）：吴瑞基 惠斯登电桥在称重传感器中的应用 电工技术，（）：吴凌慧，徐冬 一种耐高温、耐恶劣环境大压力传感器的设计 应用科技，（）：邱召运，李述香，范应元，等 霍尔效应传感器的特殊应用 电子技术，（）：刘梅，杨刚炜 涡轮流量计系数不确定度分析 计量与测试技术，（）：陈锦聪 科里奥利质量流量计的测量原理及应用 青岛科技大学学报（