智能测导地面测控系统研发设计.pdf
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1、录 井 工 程2023年6月智能测导地面测控系统研发设计杨 亮白庆杰李传伟曾晓英黄 梅(中国石油集团测井有限公司)基金项目:中国石油集团油田技术服务有限公司项目“智能导向系统研发”(编号:2022T005001)杨亮高级工程师,1982年生,2007年硕士毕业于西南石油大学机械电子工程专业,现在中国石油集团测井有限公司测井技术研究院主要从事测井仪器研究工作。通信地址:102206 北京市昌平区沙河镇西沙屯中石油科技园A12地块C座720北京测井技术研究院。电话:18049635091。Email:0引言在石油地质勘探技术领域,随着水平井钻井技术日益成熟,水平井钻探成本大幅降低,各大油气田都在推
2、广应用水平井开发,水平井的数量越来越多。但由于水平井工艺复杂、地层变化大等特点,在施工过程中往往出现许多不理想的状况,如目的层提前或滞后、目的层变薄或缺失、造斜率过大或过小、轨迹控制不合理等,致使油层钻遇率较低。智能测导地面测控系统是在井下利用“旋转导向+随钻测井”等工具实时控制井眼轨迹和获取井下实时测量的工程与地质参数。通过地面测控系统整摘要智能测导系统具有高轨迹控制精度、高造斜率等特点,近年来在大位移水平井的施工中应用比较广泛,为了实现其闭环控制,需研制与该系统相配套的地面测控系统。从数据采集层、传输层、数据层和应用层4个层级阐述了智能测导地面测控系统架构的分层设计原理,介绍了各层级的主要
3、功能以及系统整体的运作流程。根据系统架构的设计,针对每个层级,分别对现场数据采集与控制、数据融合与远程传输、地质导向等重要组成部分进行了详细的剖析,进而设计了相应的功能模块。通过现场施工应用表明,在四川页岩气区块油气层的钻遇率平均达到97%以上,提高了储层钻遇率,整个系统取得了较好应用效果。关键词智能测导系统数据采集指令下传远程传输地质导向中图分类号:TE 132.1文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.16729803.2023.02.012Design of IDS ground control systemYANG Liang,BAI Qingjie,LI Chuanwei
4、,ZENG Xiaoying,HUANG MeiChina National Logging Corporation,Beijing 102206,ChinaAbstract:In recent years,intelligent directive system(IDS)has been widely used in the construction of extended reachhorizontal wells because of its characteristics of high trajectory control accuracy and high construction
5、 slope.However,it isnecessary to develop the ground control system supporting IDS in order to realize the closedloop control of IDS.Firstly,thispaper provides the overall design of the IDS ground control system,expounds the hierarchical design principle of the systemarchitecture from the data acquis
6、ition layer,transmission layer,data layer and application layer,and describes the mainfunctions of each layer and the overall operation process of the system.Secondly,according to the design of the systemarchitecture,it gives a detailed technical description for each level including site data acquis
7、ition and control,data fusionremote transmission,geosteering and other important components,and discusses the design and implementation of eachfunction,and further designs the corresponding function module.Finally,the drilling rate of the reservoir is improved throughthe actual construction and appl
8、ication in the field.The drilling rate of the oil and gas reservoirs in Sichuan shale gas block isimproved to more than 97%on average,and the whole system has achieved good application effect.Key words:IDS,data acquisition,command download,remote transmission,geosteering引用:杨亮,白庆杰,李传伟,等.智能测导地面测控系统研发设
9、计J.录井工程,2023,34(2):7276,82.YANG Liang,BAI Qingjie,LI Chuanwei,et al.Design of IDS ground control systemJ.Mud Logging Engineering,2023,34(2):7276,82.72第34卷第2期杨亮等:智能测导地面测控系统研发设计合并一体化应用“测井、地质、工程”等各种信息,进行实时地质导向,根据实时的决策信息,采用指令下传系统,调整井下工具的工作状态,从而达到实时调整井眼轨迹,提高地质中靶和储层钻遇率的目的。2020-2022年采用该系统分别在四川页岩气、长庆苏里格、辽河等
10、区块进行了共计33口井的现场试验与工程技术服务,系统各项功能趋于完善,可靠性、稳定性大幅提高,最终达到了产业化水平。1系统总体设计智能测导地面测控系统主要划分为数据采集层、传输层、数据层和应用层(图1)。数据采集层(包括智能测导、录井、钻井数据的采集处理)主要负责现场数据的采集与处理,以及井下测导工具的控制;传输层主要负责各项业务数据的收集与融合,实现数据的标准化,并将数据存储到实时数据库;数据层主要负责数据的一体化存储,实现多业务数据的统一管理,根据业务需求采用现场实时数据库和基地数据中心数据库的存储模式;应用层(包括地质导向、解释评价、工程监控、数据管理与成果发布等)负责采集数据的综合应用
11、,其中地质导向与解释评价系统采用C/S软件架构,既可调取现场实时数据库数据,也可通过远程操控调用基地数据中心数据,工程监控和数据管理与成果发布系统采用B/S软件架构,通过浏览器实现各种数据的实时监控与远程发布。2系统核心技术2.1数据采集层设计数据采集层主要功能是实现井场各业务数据的采集与处理,包括旋转导向/随钻测井、录井、钻井等数据,同时还包含指令下传控制系统,来实现对测导工具的实时控制。由于业务划分的原因,钻井、录井数据主要采用原有的采集系统进行集成应用,在此主要介绍智能测导的地面数据采集系统。2.1.1嵌入式数据采集系统智能测导地面数据采集系统采用嵌入式系统,主要功能是采集地面各种传感器
12、信号,包括立压传感器、钩载传感器、绞车传感器、泵冲传感器等,将其数字化并进行滤波处理,然后通过以太网发送给上位机采集软件进行解码,从而获取井下仪器测量的各种参数,实现上行通信;同时负责接收下传控制软件的指令,实现旁通器动作控制1。该系统采用ST公司的STM32F429IGT6芯片,具有256 KB的片内SRAM,FLASH 1024 KB,支持SDRAM,同时内部自带网络MAC控制器,外加一个PHY芯片,即可实现网络通信功能。我们这里选择的是TI DP83848I芯片,支持auto mdix(可自动识别交叉/直连网线)功能,与网络变压器的RJ45接口,一起组成一个10 M/100 M自适应网卡
13、。2.1.2指令下传控制系统指令下传控制系统是地面控制井下仪器,实现下行通信的关键,其工作原理是通过对立管中钻井液的泄流来改变井下仪器发电机的涡轮转速,实现下传控制指令的编码。该系统主要由旁通器及其指令下传控制软件组成23。旁通器的主要功能是通过分流钻井立管钻井液排量,以达到改变发电机转速,从而实现指令信号下图1智能测导地面测控系统结构 73录 井 工 程装备2023年6月传的目的46,其主要控制原理是通过气动控制器转动两片阀片使其相对转动,控制泄流面大小,实现立管排量的变化。该装置主要是通过电子限位器接收420 mA 控制信号,电子限位器控制压缩空气阀门开闭,线性控制气动执行器进行旋转,从而
14、实现阀片旋转角度的任意控制(图2)。指令下传控制软件主要功能是实现井下仪器控制指令的编码,按照编码控制时序驱动旁通器有序工作。该软件具体功能模块包括:旁通器管理模块、指令控制模块、指令下传模块、指令追踪模块、指令报告模块、日志管理等。目前该软件可以通过下传装置发送16种不同工作指令,分别用来控制测导工具的不同工作模式。2.2传输层设计传输层主要功能是实现现场不同业务数据的收集,根据需求从实时数据库读取所需数据,并按照业务链融合的思路,打破专业界限,实现石油工程业务数据的标准化,达到现场数据一体化存储的目的;同时通过远程传输系统将数据传输到基地数据中心,实现现场实时数据与基地数据中心数据的同步。
15、2.2.1数据收集融合井场各项石油工程业务的信息传输大多采用WITS0通信格式,包括旋转导向/随钻测井、录井、钻井,为现场数据的融合提供了便利,但也存在部分综合录井仪采用自己定制的传输语言,在一定程度上阻碍了井场信息的共享与应用。为应对这种情况,根据仪器的型号设计不同的数据接口,每个数据接口解析相应格式的实时数据,并转化成统一数据标准,然后通过数据映射关系将数据存储到实时数据库中。2.2.2数据远程传输井场实时数据的远程传输采用 Web Service 技术,通过 Web 通信协议和信息格式的开发标准(HTTP、SOAP)来完成数据传输服务。该服务的体系结构是基于服务提供者、服务请求者、服务注
16、册中心(UDDI)3个角色,以及发布、发现、绑定3个动作构建的。服务提供者就是服务的拥有者,该服务耐心等待为其他服务和用户提供自己已有的功能;服务请求者就是服务功能的使用者,该服务利用SOAP消息向服务提供者发送请求以获得服务;服务注册中心的作用是注册、查找和使用Web服务的中枢组织,充当管理者的角色,把服务请求者与合适的服务提供者联系在一起7。实时数据传输技术架构如图3所示。2.3数据层设计根据业务需求,系统分别在井场和基地中心部署有实时数据库,存储的数据主要分为设备采集的实时数据和人工描述整理形成的成果数据。数据库的设计围绕井筒工程作业过程形成的信息,参考国际钻井承包商协会信息传输分会制定
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