无线钻井参数测量仪器的研究现状及发展趋势

李永钊

(中国石油长城钻探工程公司工程技术研究院 辽宁 盘锦 124010)

·综 述·

无线钻井参数测量仪器的研究现状及发展趋势

李永钊

(中国石油长城钻探工程公司工程技术研究院 辽宁 盘锦 124010)

总结了钻井参数测量仪器发展的三个阶段：机械式、液压式仪表阶段，自动化、集成化阶段和信息化、智能化阶段。针对国内外钻井参数测量仪器有线连接、可移动性差，维护困难，易受干扰的问题，介绍了目前无线钻井参数测量仪器的研究现状。通过构建井场无线传输网络，利用低功耗电子技术改造传感器，解决了无线钻井参数测量系统数据采集和传输问题。指出了该技术的未来发展趋势：向多学科、多技术集成方向发展；向钻井参数动态优选、智能控制方向发展。指出无线钻井参数测量仪器将成为下一代钻井现场数据采集系统的重要部分。

钻井参数； 无线传输网络；低功耗；研究现状； 发展趋势

0 引 言

钻井参数仪、录井工程参数测量仪等仪器仪表可以对钻井工况及工程参数进行实时监测，及时预报可能出现的复杂情况和钻井事故，是钻井工程监测钻进过程、保证钻井安全、提高钻井效率、降低钻井成本的重要工具[1]。

钻井工程参数测量仪器通过传感测量技术、实时数据量化分析方法和科学快速的专家决策能力，分析钻井过程中钻井工程参数和钻井液参数的异常变化，对井涌、井漏、井塌、卡钻、刺钻具、掉牙轮、堵水眼、掉钻具等钻井事故及时给以早期预警，最大限度地降低损失，这对风险性高、耗资巨大的石油钻探工程意义重大。

1 钻井参数测量仪器的发展历程

钻井参数测量仪器的发展可以分为三个阶段：一是机械式、液压式仪表阶段，二是自动化、集成化阶段，三是信息化、智能化阶段。

在油气勘探开发的早期，钻井参数测量仪器是钻机上配备的机械式、液压式钻井仪表，主要是指重表和立管压力表，陆续增加泵冲、转盘转速表等，这些参数显示在司钻操作台表盘上，通过人工观察、手工录入的方式来进行数据分析，时效性和准确性很差。到了钻井参数测量自动化、集成化的前期阶段，出现了集成化的钻井参数仪器，如六道参数仪、八道参数仪、液面报警器和第一代面板式录井仪，能测量显示钻机在作业过程中的大钩悬重和钻压﹑转盘扭矩﹑立管压力﹑吊钳扭矩﹑转盘转速﹑泵冲、钻井液池体积等参数的变化情况。随着微电子、单片机、传感技术和计算机技术的发展，出现了脱机式、联机式综合录井仪和独立的钻井参数仪，达到了钻井参数自动采集、存储、集成显示的水平，该阶段成为钻井作业的常规工具。随着水平井、多分支井、欠平衡井等特殊复杂井的大量推广，要求预防钻井事故更快、更准，优选钻井参数更加科学，建立钻井专家决策系统实现智能控制钻井，顺应需求，新一代的钻井参数测量仪器采用CANBUS总线模式来提高传输效率，使钻井参数测量与钻井工程构成一个全闭环的控制系统，向着信息化、智能化阶段发展[2]。

目前国际上各大钻井服务公司都有代表性的仪器，如贝克休斯的DrillByte、Advantage，哈里伯顿的SDL9000，Geoservices的ALS-2，马丁戴克公司的M/Drill Watch等。测量的参数包括：井深、钻时、大钩负荷、转盘转速、转盘扭矩、立管压力、套管压力、泵冲、钻井液出入口密度、钻井液出入口温度、出口流量、钻井液池体积等[3,4]。

我国自二十世纪八十年代引进法国Geoservices生产的TDC综合录井仪以后，经过不断的科研探索，研发的钻井参数测量仪器已经具有国际先进水平，其中中国电子科技集团公司第22研究所的ACE型，上海神开的SK系列钻井参数仪，渤海钻探公司的德玛钻井参数仪各有特色。目前的钻井参数测量仪器主要有分线制和CAN总线模式两种，均采用有线布置的方式。前者每一类传感器都有一路电缆联接，提供标准的 24 V直流电压，传感器输出4～20 mA电流信号或0～5 V电压信号，通过数据采集模块进行分时多路采集，最后通过接线箱进入存储控制系统；后者采取CAN总线模式，用一根CAN总线将所有的传感器引入控制系统。在现场的大量应用中这些仪器暴露出了很多问题：

1)两种方式都需要在井场进行复杂长距离的布线，安装、拆卸受井场环境制约、劳动强度大、安全风险高；传感器的工作电压较大，必须使用沉重的隔爆箱。这些问题对工厂化钻井和从式井组钻井尤为不便。

2)分线制方式输出模拟信号，电流或电压信号容易受井场复杂电磁环境的干扰，干扰操作人员对钻井状况的正确判断；一旦信号中断，故障排查困难。

3)CAN总线模式，一定程度上减少了布线的繁琐，但是某一个传感器的异常可能会影响到整个传感器系统[5,6]。

2 无线钻井参数测量仪器的研究现状

在井场应用日趋成熟的短距离无线传输网络技术和微电子技术可以解决上面的问题，很多科研机构和仪器研制厂家都在致力于开发无线钻井参数采集系统，常见结构如图1所示。目前无线钻井参数测量仪在抗干扰能力、传输网络结构设计、低功耗传感器改造等方面还存在薄弱点[7]。

图1 钻井参数监测系统结构示意图

2.1 通信方式的选择

钻井现场有多种大型电气设备，电磁环境复杂，在正常钻井作业中, 使用场强计监测干扰信号的数据表明，现场干扰信号频段主要集中在 200～260 MHz、330～500 MHz和800～1 100 MHz。常用的短距离无线通信技术主要有： ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、无线局域网802.11b(Wifi)、无线433 MHz、915 MHz频段等，几种通信方式特点见表1[8]。

表1 各种通信方式的特点

通过以上比较, 从现有的短距无线通信方式来看, ZigBee技术和无线433 MHz、915 MHz通信技术适合组建钻井井场无线传感器网络，这也是目前无线钻井参数采集系统研究的两个方向。如中国电子科技集团公司第22研究所开发了基于zigbee协议的无线钻井参数监测系统，上海神开研发的采用433 MHz和915 MHz双通道的无线液面报警系统，长城钻探工程院研发的采用433 MHz通信的无线低功耗钻井参数仪以及加拿大中加国际发展公司研制的基于无线传感局域网络的钻井多参数监测系统，工作频率为 433 MHz、915 MHz或2.4 GHz。这些无线传感器网络钻井现场应用的大胆尝试，克服了现场电机等设备对无线传感网络信号采集的干扰，证明了无线传感网络系统运行稳定，数据可靠。

2.2 无线传输网络结构

钻井参数测量仪器工作的钻井现场，井场范围以中控室为中心最大距离不超过100 m，现场使用的传感器数量在30个以下，且集中分布在钻台、钻井液入口、钻井液出口3个区域，传感器之间一般不需要相互通信。因此不需要太复杂的网络结构，首先达到稳定、可靠、实用，且便于维护[9]。

中国电子科技集团公司第22研究所研制的无线钻井监测系统采用了非同步树状结构，引入了中继节点，如图2所示。中继节点在自身加入主节点创建的网络后, 可实现接纳传感器节点加入网络、转发传感器节点及主节点间的数据传输功能。传感器节点可以根据自身与主节点和中继节点的连接情况判断数据是直接发送至主节点还是经中继节点转发。在通信条件发生变化时, 可以及时转变传输路径, 保证数据传输[10]。

长城钻探工程院、加拿大中加国际发展公司研制的无线低功耗钻井参数仪采用星型结构，信号接收节点为中心节点，无线低功耗传感器为子节点，信号接收节点通过轮询的方式访问子节点，子节点回馈信息，这种结构便于集中控制、避免传感器数据发生碰撞[10]，如图3所示。

图3 星型结构

2.3 低功耗传感器改造

对于无线钻井参数测量仪器，采用电池供电或太阳能电池板供电的低压低功耗传感器是必须解决的实际问题，否则将失去无线传输网络的意义。

试验测试数据表明，传感器模块和控制器模块的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线传输模块上。无线传感器节点各部分功耗占节点总功耗的百分比如图4所示。

图4 无线传感器节点各部分功耗百分比

传感器的低功耗改造是一项综合硬件和软件的技术[11]，硬件电路一般采用以下几项措施：

1)传感器上的各个元器件芯片都采用低功耗的芯片；

2)降低微处理器工作频率可以有效减小工作电流而降低功耗；

3)选用支持休眠模式的芯片。

程序控制上对传感器进行能耗管理，包括：

1)合理制定通信协议，减少数据包无用信息，有效缩短数据长度，减少发送时间，降低功耗；

2)使用错误检测和校正机制可以在给定误码率的条件下有效减少数据包的重传；

3)软件控制不需要采样的时候掐断传感器模块的电能供应减少功耗。

经过低功耗改造的传感器已经在钻井现场成功应用，数据表明采用20 Ah的电池连续工作时间超过100天，而且这种本安型低功耗传感器也不会对现场的安全性构成威胁。

但是由于低压低功耗传感器属于非标产品，市面这种产品较少。目前仅有为数不多的公司在低压低功耗传感器方面做了一定的尝试，相信随着无线传感网络的成熟应用，会有更多的厂家研制生产钻井低压低功耗传感器。

3 无线钻井参数仪的发展趋势

3.1 向多学科、多技术集成方向发展

钻井工程的过程参数包括压力类、应力类、井深类、计数类以及钻井液温度电导率等，测量过程涉及到力学、微电子工程科学、新材料、物联网技术、数据库等各种学科和技术，是一项复杂的系统工程。今后无线钻井参数测量仪器的发展还要结合不断涌现的新科技、新材料，以钻井工程测量技术为纽带，实现多学科、多技术的交叉集成，不断提高创新能力。

3.2 向钻井参数动态优选、智能控制方向发展

顺应钻井工程信息化、智能化的发展要求，钻井参数动态优选、智能控制是一个重要的发展方向。钻井三要素包括钻压、转速、排量，选择合理的钻井参数、钻井液性能、水力参数是提高钻井速度、实现安全钻井的关键。无线钻井参数测量仪器的发展，一方面要保证无线钻井参数仪参数采集的频度和准确度，建立完善的钻井参数数据库，做好钻井大数据优化分析的数据基础；另一方面利用最优化理论优化上位机软件的数学模型，根据钻头使用情况结合地层岩性特征实时地进行钻井参数的优选设计，选择合理的钻井参数，实现钻井现场动态实时、智能优选钻井参数[12]。

4 结 论

1)无线钻井参数测量仪器在井场的成功应用，表明了无线传输网络和低功耗传感器可以适应钻井现场的复杂环境；并且使钻井工程工作人员摆脱了传统仪器布线的繁琐，仪器的搬运、安装、拆卸变得更加灵活；降低了维护和人员成本。预示着下一代数据采集模式将由有线布局向无线传感模式发展。

2)无线传输网络在井场的使用，改变了对人们对钻井参数测量仪器工作原理的认识，使钻井设备模块化、小型化成为可能，为下一代钻井现场数据采集系统的研制与开发提供了实际经验和依据，甚至改变现在钻井的业务模式。

3)这是无线传输网络技术和微电子技术在钻井参数测量领域的重大突破，拓宽了人们对钻井工程测控领域的认识，充分说明钻井工程要不断吸纳新技术、新工艺，提高科学化水平。

[1] 吕维民.钻采仪表的现状及发展方向[J].石油仪器, 1996，10(1)：9-13.

[2] 沈忠厚.现代钻井技术发展趋势[J].石油勘探与开发，2005,32(1)：89-91.

[3] 鹿志文，王传伟，唐 莉.钻井仪表应用技术现状及发展思路[J].中国仪器仪表, 2007,17(5):29-31.

[4] Francis Enejo Idachaba,Godwin Okuns,Esther Wokoma,Bola Awobamise. Remote Pipeline Pressure Monitoring Using Low Power Wireless Transmission, SPE Nigeria Annual International Conference and Exhibition, 5-7 August, Lagos, Nigeria 2014.

[5] 肖高棉，邢会民.无线网络技术在综合录井仪中的应用[J].数字技术与应用, 2014,32(2)：41-41.

[6] 高 岩. 一种基于无线传感局域网络的钻井参数监测系统的现场应用[J].录井工程, 2007, 18( 2) ：54-59.

[7] 张 策,甄 建,季 艳.综合录井仪传感器信号无线传输方法探讨[J].录井工程, 2010, 21(2)：64-67.

[8] 刘 剑,马同奇,沈 铁,等.无线钻井参数监测系统的设计与实现[J].录井工程,2011,22(1):52-55.

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[10] 孙利民,李建中,陈 渝,等.无线传感器网络[M]．北京:清华大学出版社，2005：88-95.

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[12] 沙林秀.钻井参数优化技术的研究现状与发展趋势[J].石油机械, 2016,44(2)：29-33.

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

李永钊，男， 1986年生，工程师，2012年硕士毕业于中国石油大学(华东)油气井工程专业，现在长城钻探工程技术研究院从事无线低功耗钻井参数仪的研发工作。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 编辑：姜 婷)