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1、1 绪论1 绪 论1.1 本课题的研究意义 1.1.1钻井工程仪表的重要意义 在复杂层段和新探区，凭经验打井往往事故不断，造成资金和时间的巨大浪费。而钻井参数监测仪提供了丰富的钻井工程信息，不仅可对钻井工况及有关参数进行实时监测，而且可及时预报可能出现的复杂情况和钻井事故，从而为钻井工程技术人员的现场决策提供了可靠的实时资料。 提高了钻井安全性。 钻井参数监测仪检测异常地层压力，掌握了比较准确的地层压力资料，就可以正确地选用钻井液密度和适当的套管程序，实现平衡钻井，防止油层污染，保护产层。在钻井过程中，监视钻井液总体积、立管压力、转盘扭矩等参数及其异常各类工程事故，实现安全作业。 提高钻井效率
2、，降低钻井成本。 应用钻井参数监测仪资料，可以选择合理的钻井液密度、套管下入深度、钻头类型、确定最优化钻井技术措施，提高钻压传递效率，选择最佳起钻时间，以及日常工程事故预报，从可以缩短建井周期、降低钻井成本，提高了钻井效率。 提高了钻井作业的自动化程度和数据可信度。 钻井参数监测仪配置有各种精度高、可靠性好的传感器，大大丰富了它的功能。可以在线连续测量的参数很多，又采取集中监测、显示和记录，从而大大方便了钻井作业中各种参数的综合评价和应用。随着电子基础产品的性能不断提高，仪器得到足够的硬件、软件支持，有效利用率可达90%。 获取的钻井信息量大，提高了钻探井的可观测性和可控制性。 传统的钻井作业
3、，各工种分工很细，各类参数(钻井参数、钻井液参数、气体参数、地质参数、井身参数等)通常由几个作业面分别测量和记录，因此，钻井新技术需要对它们进行相关分析和综合评价十分不便，尤其是许多参数采用人工离线测量读数，准确性和实时性差，数据处理能力弱，致使钻井软科学和地质评价的先进成果难以应用。钻井参数监测仪的各种配备了微型计算机数据采集处理系统，实时采集的功能很强，又可以通过系统配置的各种应用软件完成钻井工程CAD和成果解释，可以实时打印、屏幕显示、记录和回放各种数据和资料，直接指导钻井施工作业。 便于实现井场信息的网络通讯，推广应用各种专家系统，提高油气藏早期评价能力。 钻井信息的获取、处理和共享，
4、是当前进一步提高钻井效率，降低钻井成本的关键。建立计算机网络和数字通讯，是我国石油勘探开发中推广应用计算技术的内容。钻井参数监测仪作为井场数据采集系统，可实现作业点与油田中心站有效的通讯联系，共享油田中心站拥有的软件资源，对地层特性和油气构造进行早期预测和评价，指导钻井施工，及时预报和发现异常情况，保证钻井作业顺利进行。 有利于整个钻井过程的科学化、实时化和网络化。 油气井大多在交通不方便的野外，井队主管部门和有关上级部门的领导和技术人员要了解钻井进度和工况很不方便。本系统提供了Modem对连方式，通过内部电话线拨号上网，处于不同地理位置的井队主管部门和有关上级部门可及时掌握钻井现场的情况，从
5、而及时进行科学指导。 为国家节约大量外汇 目前我国不少井队使用的钻井监测系统是从美国马丁和加拿大的DATALOG等公司引进的，价格昂贵，每套约130万元，比我们自行开发的这套系统贵60万元(近1倍)。显然，若系统得到成功的推广应用，可大大减少引进，为我国节约大量外汇。 可提高我国钻井参数仪表的技术水平，占领国内市场，打入国际市场。 本系统由于在参数测量数学模型上有很大改进，再加上采用客户/服务器、现场总线、数据库等技术，使系统的技术水平处于国内领先并赶上了世界先进水平，为系统占领国内市场，打入国际市场创造了很好的条件。1.2 钻井工程仪表的研究现状1.2.1 钻井工程仪表的发展历史 钻井工程有
6、着悠久的历史，它的发展过程及技术特征基本可分为两个时期。 顿钻时期 最古老的钻井方式是顿钻。其技术特征是：用重的钻头，靠重力冲击岩石，使之破碎；而后起出钻头，下捞砂筒捞砂；如此反复地操作，使井加深。当井下遇到复杂情况时，下入套管，而后再冲、再捞；直至钻达目的层，下入套管后完井。由上可见，顿钻时期，破碎岩石和清除岩屑是明显的两个不同的工艺过程，当时人们还不懂得洗井，是一个无仪表的时期，司钻本人靠耳听、目睹、嗅觉、感觉等进行直接监测钻井情况；一切工作全凭经验判断，由于钻井效率极低，对付不了流砂层等，其不得不被旋转钻井工艺所取代。 旋转钻井时期 由旋转钻井概念的形成发展到今天的钻井水平，经历了八十多
7、年的历史，从美国钻井工艺发展过程来看，其间可分为四个发展阶段。 1) 概念形成阶段(19001920年) 旋转钻井的原理启蒙于1900年，在美国的Mpindletop地区，曾用顿钻打井，由于流砂层的坍塌。井眼无法加深下去，无意间用搅混的泥浆灌入井眼，结果坍塌现象明显减轻，使井得以加深下去。由此得到两个启发：a.粘土浑浊液，可以减轻坍塌现象；b.浑浊液可以带出部分岩屑，从此开始把钻井和洗井两个工艺结合在一起。1908年，Hughes公司开始研制旋转钻井用的钻头刮刀钻头。1904年1910年间，哈里波顿公司(Halliburton)开始用水泥封固套管的工艺。1914年1916年间，National
8、 lead co.开始研究泥浆。大体在1920年左右，形成了完整的旋转钻井概念。在此之间，由于井斜造成事故，导致地下产权的纠纷；所以要求测井斜，于是1920年前后，产生了第一个虹吸测斜仪。 2) 缓慢发展阶段(19201948年)这阶段的技术特征，是给钻机配备了较强的动力；研制出了各种类型的刮刀钻头和牙轮钻头；改善了固井的工艺；有了专用的泥浆。在仪表方面(19251936年间)，一系列的基础仪表陆续地研制出来，如美国马丁戴克公司(Martin Decker Co.)于1930年前后就拿出了用于现场的指重表(1926年)、泵压表、转速表等，直至今天，该公司的钻井仪表在钻井界仍有相当的地位。此阶段
9、由于只知道打井拿油，不重视钻井科学的研究工作，在美国也延续了28年的漫长时间。 3) 科学化阶段(19481968年) 这阶段的主要技术特征是大力开展了钻井的科学研究工作。采用了水力喷射的原理，有效地改进了钻头,如镶齿,封密轴承,喷咀等三合一钻头；改善了泥浆工艺,如选用低固相，无固相，不分散体系等，在弄清楚每个影响钻进效果的因素之后，归纳和发展成了最优化钻井工艺。 与此时期工艺发展需要相适应的钻井仪表从单一仪表发展成了成套仪表，将多种参数的仪表汇集在一起，采用多笔记录，以备分析和作为下一口井设计的借鉴，如美国MartinDecker公司的八参数仪就属此例。 这个阶段的经济效益十分显著，二十年来
10、,尽管每口井的总成本是逐年上升的(二十年间上长了14%),但进尺成本是逐年下降的(同时期下降了7%)。 4) 自动化阶段(19701989年) 本阶段的主要技术特征在于采用自动化钻机；采用液动、气动、自动闭锁、自动维持压力、采用自动化的泥浆管理(固相控制、压力控制)；闭环计算机操作(用计算机控制执行机构的操作)；钻井参数的全面控制(主要的技术参数)；全盘计划钻井(统一考虑钻井中每个细小工作，由开钻到完钻，按计划执行)。与此阶段相适应的仪表已由一般的现场式(基地式)仪表发展为全计算机控制的完整的仪表系统，它不但能提供理想数据，还能将检测、记录到的数据进行分析或“思考”。其测量的参数范围也不仅限于
11、工程参数，还包括一些气测参数。由以上讲的旋转钻井的四个发展阶段不难看出，钻井工艺是朝着最优化和全盘计划的方向发展的；钻井设备是朝着闭环自动控制方向发展；钻井仪表也由现场人员“耳目”朝着高层次的“参谋部”发展，同时也可以看出，随着钻井工艺本身的发展，钻井仪表已不再是可有可无的助手，而是必须予以高度重视的重要环节，是一直接关系到整个工艺是否能顺利向前发展的关键。 5) 智能化阶段 但随着90年代石油工业的发展及各种高新技术的出现，人工智能技术逐渐被引进到钻井行业，从而产生一个全新的概念：人工智能钻井，即运用最新最先进的人工智能钻井技术与装备，为找到更多的油藏和提高油井产能服务，这就是广义的人工智能
12、钻井(狭义的人工智能钻井是指钻井自动化或称全自动化钻井作业)的含义。它几乎包括石油科学的整个体系，从石油地质、物探、测井，到钻井、采油、油藏工程以及机械、自动化、计算机等专业在线地联合起来，组成一个有机的整体协同作战。其主要过程为：由地质和物探部门提出地质条件和油藏的物理特性描述，组成特定的人工智能钻井专家系统，在先进的钻井测控技术支持下，利用当前较为成熟和正在发展的5W(MWD、LWD、SWD、PWD、FEWD)作为手段，结合导向钻井及井下闭环控制技术，在钻进过程中实时地随钻随测控(随钻测量各种参数，随钻测井，随钻地震)，及时地把井眼周围及钻头前方的各种地质、地层、环境信息以及钻进状态等数据
13、采集进井下计算机，结合事先已知的地质勘探资料，进行智能判断，从而发现目标油气藏，并精确确定其位置、大小、形态、厚度、及走向，以获得最大产能为目标函数，优化各种工艺参数，自动钻进寻找最佳轨迹穿过油气层，完成钻进任务。并给出初步的最佳采油方式和油藏描述的结果，以及实际的井眼轨迹和各段井眼状态。而且钻进时就可以直接取得最接近实际情况的第一手资料，而这在过去是根本不可能实现的。1.2.2 国内研究现状 国内在有关钻井参数监测系统的研究中，文献9开发的是一种可连续监测、记录、修正地层可钻性指数(指数)的监测仪，该监测仪可同时随钻绘制指数、钻压、泥浆密度以及泵压条曲线，其硬件电路由测量仪表、电子电路、单板
14、计算机、绘图机及电源等部分组成。文献2开发了一种钻井参数测试仪，该仪器可测试转盘转速、泵冲、大钩高度、悬重、立管压力、扭矩等直测参数和钻压、钻时、井深、钻头累计进尺、累计工作时间、钻井泵累计工作时间、接单根时间等间接测量参数，该测试仪的功能主要是上述参数的测试和显示。文献11开发的钻探微机多功能监测系统由电源、各类传感器、接口电路、工业现场控制微机、荧光屏、打印机(或绘图仪)、磁带机等系统组成，系统可实时采集、监测与显示(1次秒)钻压、钻速等9个钻探参数，可同时显示其中的16条回次过程曲线，对钻压、钻速等5个主要参数可设置上、下报警限，超限时以声光报警，可辅助打印班报表。文献10的钻井参数仪采
15、用光栅、微处理机技术以及发光二极管型阵列模拟显示和数字显示方式来实现钻进参数的监测，六个主要钻进参数的测量精度为4。文献13的钻探微机智能监测系统可随机监测和记录钻压、扭矩等9个钻进参数，绘制46条回次过程曲线。文献14是江汉石油仪器厂开发的钻井八参数仪。文献15是上海神开科技工程有限公司开发的钻井工程参数仪，由各种专用传感器、通讯串口、数据处理单元、前台工控机、实时彩色打印机、防爆接线柜、数据处理软件等组成，该仪器实现了表盘与数字显示的统一，可显示多种参数。文献16是荆鹏软件开发有限公司2000年最新开发的钻井数据采集系统，该系统采用WINDOWS风格操作界面，服务器采用586以上工控机，可通过计算机局域网连接CRT监视器，具有参数采集、动画显示、实时打印报表回放、参数异常报警、实时报表、实时绘图等功能，数据管理采用文件管理方式。文献9是山东煤田地质局开发的钻井参数监测系统，可实时自动检测和记录、显示孔深、钻压等10个钻进参数和泥浆密度、PH值参数；所采集的数据自动生成文件名和回次序号并存入硬盘，可对钻压等超限进行声光及文字报警，实时显示打印钻压、泥浆消耗量动态参数变化曲线。文献1822是有关钻井参数监测仪的有关论文，均停留在钻井参数的
