煤层气新型钻井综合参数监测系统设计

梁海波 黄 明 张 泷 张 禾

(西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

煤层气新型钻井综合参数监测系统设计

梁海波 黄 明 张 泷 张 禾

(西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

煤层气是一种高效清洁能源，目前我国正在加大煤层气开发力度。目前，提高煤层气单井产量主要的技术手段是采用水平井钻井技术及能够减少地层伤害、提高钻速的欠平衡钻井工艺技术。设计开发了一套针对目前我国煤层气钻井现场实际情况的钻井综合参数监测系统。系统为定录一体化功能设计，能适应目前煤层气钻井的水平井、丛式井和远端对接井的钻井模式。简化和优化综合录井中复杂的传感器配套和采集系统配套降低了煤层气开发成本，有利于该系统在煤层气钻井现场大规模推广使用。

煤层气 钻井 参数监测 远程传输 CAN总线

0 引言

煤层气作为一种高效清洁能源，目前我国正在加大煤层气开发力度。到目前为止，为了提高煤层气单井产量，其主要技术手段是采用水平井钻井技术及能够减少地层伤害、提高钻速的欠平衡钻井工艺技术[1-3]。因此，在煤层气钻井施工过程中，开发一套针对目前我国煤层气钻井现场实际情况的钻井综合参数监测系统，对及时为现场决策提供可靠资料、提高钻井效率、确保煤层气钻井成功率尤为重要。

然而煤层气属于低成本开发，目前采用的综合录井设备本身和服务费用成本太高，并不适应煤层气低成本、大规模开发的需求。

针对上述问题，基于煤层气钻井工艺技术及现场配套装备的研究，简化和优化综合录井中复杂的传感器配套及采集系统配套，形成小型和简易的集钻井数据、气测数据与MWD数据采集、存储、显示、报警和传输于一体的煤层气开发专用钻井综合参数监测系统。该系统适用于不同煤层气钻井设备，实现现场快速安装与链接，降低煤层气开发成本；为钻井工程技术人员提供决策依据和技术支撑，从而实现科学钻井；对于保证煤层气钻井的安全、快速性具有重要意义。

1 监测参数优化

现场施工过程中，大量钻井参数为钻井的成功进行提供了有效的支持。而煤层气钻井大多数都采用水平井技术与欠平衡钻井技术。因此，针对煤层气钻井技术的特殊情况，优化钻井综合参数监测系统的采集参数，为煤层气卡层和解释评价提供第一手资料，对实现煤层气安全、快速钻井尤为重要。

通过优化研究，监测系统需要对以下参数进行监测。

① 钻井参数。如压力参数、流量参数、转盘转速、扭矩、泵冲等。有效利用这些参数异常预报，能及早采取有效的安全措施，提高煤层气钻井的安全性，保障施工安全。

② MWD参数。采集MWD参数，分析实时变化，优化技术措施，卡准目的层，为水平井钻井施工提供安全基础。

③ 气测参数。主要是全烃及甲烷参数的监测，应用钻时及烃类等参数显示异常，为煤层气钻井快速卡准煤层界面提供第一手资料。

2 工程适应性分析

目前，在煤层气钻井过程中，为了提高煤层气单井产量，其主要技术手段是采用水平井钻井技术。同时，鉴于煤层易塌、易受到污染的特性，其中大多采用了能够减少地层伤害、提高钻速的欠平衡钻井工艺技术；而采用传统的综合录井设备本身和服务费用成本太高，并不适应煤层气低成本大规模开发需求。因此，在煤层气钻井施工过程中，设计一套针对目前我国煤层气钻井实际情况的钻井综合参数监测系统，是目前煤层气钻井技术的关键问题。

现今国内已有的钻井参数仪，大多数是在常规钻井中应用，而无法适应煤层气钻井工艺。因此，需要设计一套煤层气新型钻井综合参数监测系统，以适用于不同煤层气钻井设备，实现现场快速安装与链接，降低煤层气开发成本[4-6]。

设计的系统能对钻井工况参数、MWD参数及气测参数进行实施监测，利用钻时、烃类显示异常等参数快速卡准煤层界面；定录一体化功能设计，适应目前煤层气钻井的水平井、丛式井和远端对接井的钻井模式；提供整套的数据分析处理报告，为专家决策提供可靠依据；专为煤层气开发设计，适应各种钻机的快速现场安装与链接，定录井参数的准确测量能够确保钻井的安全及快速性。

3 监测系统设计

3.1 硬件方案设计

系统采用分布式数据采集架构，由传感器模块、数据采集模块和传输模块3个部分组成[7-8]，如图1所示。

图1 硬件架构设计Fig.1 Hardware architecture design

传感器数据采用CAN总线数字信号传输，经网络交换机连接上位机，而MWD数据与气测数据都采用标准WITS接口进行侦听。上位机对采集数据进行存储、分析、显示和处理。

3.2 软件系统设计

本文采用SQL Server 2008数据库平台和C#程序语言完成煤层气新型钻井综合参数监测软件系统的开发[9-10]。

① 监测系统主界面设计

煤层气新型钻井综合参数监测系统主界面如图2所示。在界面的左侧可以实时观测钻井工程参数以及当前时间的MWD数据，中间为气测及硫化氢监测数据，右侧可以查看当前钻井工况。这就为煤层气钻进决策提供了生动、直观的信息，体现了系统的优越性。

图2 监测系统主界面Fig.2 Main interface of monitoring system

② 趋势曲线及曲线回放模块设计

趋势曲线能够形象地描述在钻井各工况中各参数值的变化趋势，并实时更新；还可自主配置当前工况下需要的趋势曲线，进行显示及对比分析。

曲线回放模块反映了监测系统历史时间的各监测参数值的变化情况，并可应用其进行对比分析，方便后期整理及管理。

③ 仪表仿真监测模块与报警记录模块设计

仪表仿真监测模块对各钻井工程参数以表盘的形式进行监测，方便工作人员观察。

报警记录模块对各监测参数按施工要求设定报警限制。若当前钻井过程中出现异常情况，即进行报警提示，并实时记录，以便施工事后查询分析。

④ 数据远程传输模块设计

系统选择基于CDMA无线网络来实现钻井综合监测数据的远程传输。CDMA无线网络传输方式可以不受距离及位置的限制，能够大大提高钻井综合监测数据传输效率，将井场采集数据实时传输到基地指挥中心，实现了井场与基地信息共享，使得基地指挥中心能够对现场采集数据及时进行分析判断并做出相应的决策。远程数据无线传输网络拓扑结构如图3所示。

图3 远程数据无线传输网络拓扑结构Fig.3 Topological structure of remote data wireless transmission network

4 结束语

煤层气钻井综合参数监测系统利用C#集成软件系统，通过图形界面及相应数据显示，直观反映出煤层气钻井现场实时作业情况；能将采集数据实时传输到基地指挥中心，实现井场与基地信息共享，使得基地指挥中心能够对现场采集数据及时进行分析判断并做出相应的决策。实际应用表明，该系统可满足煤层气钻井工艺需求，降低成本，提高钻井效率。

[1] 崔树清，王风锐，刘顺良，等.沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井工艺[J].天然气工业，2011，33(18)：18-21.

[2] 蒋磊晶.谈欠平衡钻井综合录井技术的应用[J].中国化工贸易，2014，6(8)：58.

[3] 符党替，崔迎春，王成彪.煤层气井储层保护钻井工艺[J].煤田地质与勘探，2001，29(3):62-64.

[4] 韩性礼，赖勇，沈俊侠，等.SK-2Z16钻井参数仪的研制与应用[J].石油机械，2008，36(11)：42-44.

[5] 潘祥光.钻井多参数监测系统的设计[J].自动化仪表，2010，31(5)：31-33.

[6] 陶青龙，甄建，李特，等.DML钻井参数仪[J].石油科技论坛，2011，17(3)：56-58.

[7] 单成伟.基于CAN总线的钻参仪设计[J].工矿自动化，2014，40(3)：25-27.

[8] 陈程.基于CAN总线的分布式远程测控系统设计[J].计算机测量与控制，2011，19(4)：782-784.

[9] 李加国.钻井参数仪的现状及发展趋势[J].江汉石油职工大学学报，2009，24(43)：31-32.

[10]敬代和，周玉丰，李涛.基于主机/DAQ数据源结构钻井参数监测系统的软件开发[J].石油矿场机械，2011，40(11)：32-36.

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年毕业于西南石油大学油气田开发专业,获博士学位，讲师；主要从事油气井工程方面的研究。

TH7

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506010

山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程(二期)项目(编号：2011ZX05061)。

修改稿收到日期：2014-12-08。