在油气田勘探开发施工中, 钻修井作业是保障油田稳产、高产的必要手段和重要保障。随着各大油气田勘探开发进入中后期, 为了满足生产需要, 提高油气采出比, 钻修井作业及其相应的监测系统更显重要。钻修机是浅井钻井施工作业或油气生产井不能正常生产油气时进行修井作业的必要设备, 在其施工作业过程中各项参数的监测尤为重要, 只有掌握施工作业过程中各项参数的变化情况, 才能优质高效完成施工作业任务。在油气井修井作业过程中, 确保井控安全至关重要, 各技术服务单位为了实时了解各参数的情况, 都采取了相应的方式进行监测。传统的人工记录方式受人为、环境影响, 不但存在安全隐患, 而且费时费力, 降低了工作效率^[1]。随着非常规设备监测技术的快速发展, 相应的配套技术日益成熟, 开发自动化程度高的智能钻修机监测系统成为可能。为了进一步提升钻修井施工作业现场的服务质量, 提高钻修井施工作业现场数据的采集精度, 实现作业现场与基地数据同步、规模化管理、多方监测及决策, 确保施工作业安全, 研制一套智能钻修机监测系统是市场所需。在钻修井施工作业过程中, 该系统能够实时监测关键参数的变化, 发现参数异常及时采取相应处理措施, 保证钻修井施工作业快速、安全、高效、科学地进行。

目前国内市场的钻修机, 尚未配置参数齐全、功能强、性能优、智能化程度高的监测系统, 尚无针对钻修机专用的监测系统。较为常用的是在监测关键参数的相应部位安装相应的传感器, 从传感器或者配套的仪表上获得相应的参数, 然后人为观察或者手工进行相应的记录。该方法较为传统, 技术含量不高, 费时费力, 实时性较差, 人为影响因素大, 不能及时准确识别施工作业异常, 还需派专人负责记录、分析参数。

国内已有技术服务单位对关键的几个参数进行整合, 设计了“ 三参数仪” “ 四参数仪” , 初步实现了关键参数的实时记录, 为判断参数异常提供了依据^[2]。但该类参数仪缺点是功能单一, 安装拆卸费时费力, 智能化程度低, 获取参数不全, 有时无法对异常进行综合判断。此外, 该类参数仪对流量、悬重等参数的监测还达不到足够的精准, 误差较大, 对现场施工作业的指导和决策还不够科学。

目前仅有部分单位对550、650、750型等钻修机进行相应的技术配套, 在进行施工作业的钻修机上安装监测系统, 实现立管压力、悬重、扭矩、转速、出入口流量等关键参数的采集与监测, 具备所采集处理的数据能够实时回放和报警功能, 同时钻台区、工程师房和宿舍区采用有线网络布置显示终端。但是在智能钻修机监测系统方面, 目前国内尚为空白。国外技术服务公司所使用的钻修机主要来自美、德等国, 尤其美国生产的钻修机, 钩载和功率储备系数大, 传动系统合理紧凑, 绞车设计人性化, 运载车简单实用, 井口操作自动化程度高、故障率低、零部件互换性好、便于维修、操作方便、安全可靠, 同时自带简单的有线监测系统, 其整体水平代表着当今钻修机发展方向^[3]。

智能钻修机监测系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统由最前端的传感器及其后端的室外采集箱、室内采集箱、数据采集系统、报警输出、远程监测系统等组成, 室外采集箱和室内采集箱可根据施工作业现场实际条件设置, 相互间可根据施工作业环境采用无线模式或有线模式实施数据采集、传输。软件系统采用模块化设计, 模块化处理, 实现数据采集、数据存储、数据传输、输出控制、监控、资料处理等, 简单易学, 智能化程度高。

2.1 硬件设计

2.1.1 整体设计

智能钻修机监测系统的硬件由室外采集箱及室内采集箱组成, 整个箱体尺寸小, 重量轻, 移动方便, 安装简单快捷, 智能化程度高。室外采集箱可根据作业现场实际情况进行扩展, 分为一路箱体或两路箱体, 箱体供电采用双功能设计, 可以实现无线供电安装, 利用太阳能供电, 亦可进行有线供电安装, 确保系统正常工作^[4]。室外采集箱主要由金属箱体外壳、数据采集板、采集卡、太阳能供电装置、锂电池组、无线传输模块组及配套辅件等组成（图1）; 室内采集箱主要由箱体外壳、24 V直流电源（220 V交流转24 V直流）、采集卡、隔离转换器及相配套的辅件组成（图2）^[5]。

图1

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	图1 室外采集箱设计方案

图2

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	图2 室内采集箱设计方案

2.1.2 传输模式

（1）有线传输模式（图3）：当采用有线信号传输时, 现场所有传感器信号处理仪表作为一个节点连接至总线上, 各节点的数据独立采集, 通过总线传送到室内采集单元, 实现用一根电缆连接所有信号源。

图3

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	图3 有线传输模式

（2）无线传输模式（图4）：当采用无线信号传输时, 由室外采集模块将传感器信号无线发送至室内无线接收模块, 通过232串口连接到采集机, 供采集机读取传感器信号。

图4

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	图4 无线传输模式

2.1.3 整体连接

智能钻修机监测系统前端传感器通过有线模式（该模式信号稳定性更加可靠, 目前多采用该模式）或者无线模式（该模式信号稳定性稍差, 同时需要采用无线传感器）与近端区域采集箱体或者远端区域采集箱体关联, 正常情况下采集箱供电来自太阳能供电装置, 亦可通过更换充电电池的方式进行供电（充满电的电池替换无电的电池）, 另外特殊情况下可采用在线电源供电模式。然后通过无线发射装置发射信号, 数据采集处理单元接收, 经过数据采集计算机进行所有的信号采集, 由采集软件根据自定义软硬件通道一致性统一输出, 输出分为数字数据输出、图形数据输出、报警输出、远程云监控输出等^{[6, 7]}, 智能钻修机监测系统整体连接流程见图5。

图5

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	图5 智能钻修机监测系统整体连接流程

2.2 软件设计

2.2.1 软件功能设计

智能钻修机监测系统的软件由数据采集模块、数据存储模块、数据传输模块、输出控制模块、监控模块、资料处理模块组成（图6）, 软件整体结构简洁、清晰、条理性强。数据采集模块进行数据采集和采集软件功能设计、软件内部代码定义、传感器标定设计、参数运算、报警与报警输出; 数据存储模块进行采集数据的存储, 分为时间基数据和深度基数据的存储; 数据传输模块实施数据传输功能; 输出控制模块实施数据输出控制; 监控模块实施数据监控功能; 资料处理模块实施后台资料的处理功能。

图6

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	图6 软件功能设计

2.2.2 软件界面设计

界面上部为固定标题栏显示软件名称及井信息, 依次为工具菜单栏和参数显示界面; 在参数界面左侧为状态动画窗口, 主要显示轻重载, 图中都为重载状态, 轻载时下方绿框为红色, 中间黑柱不显示; 右侧为参数界面, 界面参数以文本、图形两种方式显示（图7）。数据界面的调用设计：在界面的空白处点击鼠标的右键即弹出参数选择菜单, 对参数进行选择设定, 显示方式可选择文本和仪表。曲线界面的调用设计：设计12个曲线栏, 每个栏内设两项参数, 上部为参数, 通过下拉菜单选择, 中间为曲线, 下部为参数数据显示。

图7

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	图7 软件界面设计

2.2.3 数据库设计

智能钻修机监测系统数据库设计采用Office 2003版ACCESS, 数据库后缀.mdb, 分为数据库井的基础信息库、时间基数据库、深度基数据库。数据存储要求实时数据存储, 实时数据按存储间隔进行记录, 按存储间隔求均值, 按存储间隔记录该段内的最大值。深度数据存储按设置的深度间隔, 每过一个深度点存储一组所有数据, 钻时存入该间隔的累加值。

智能钻修机监测系统的硬件设计结合用户需求和实际情况, 实施小型化采集箱设计、隔爆触摸屏设计; 服务器软件数据库采用简单通用的ACCESS数据库, 便于安装和操作, 且界面直观显示主要关键参数, 便于用户操作。严格进行测试, 包括硬件原理样机设计及测试、样机测试、软件的全面测试。完善了软件说明书的编写, 保证了说明书的实用性和适用性。结合现场实际情况, 从用户使用角度出发, 结合钻修机的特点, 进行了采集箱、触摸屏及各类传感器的现场定制一次性安装, 避免不必要的重复拆卸。

智能钻修机监测系统安装免拆卸, 采集参数精度及准确度高, 软件操作简单直观易懂, 提高钻修井过程中现场操作人员对各个作业环节的参数把控, 大幅提高了钻修机的安全系数, 既提升了生产进度, 更保障了现场人员及设备设施的安全。智能钻修机监测系统的成功研制, 弥补了国内钻修机上参数采集监测系统的空白, 适应目前对安全、质量、效益发展的要求, 图8为智能钻修机监测系统的监测界面。

图8

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	图8 智能钻修机监测系统监测界面

设备专业制造部门应根据施工作业现场实际及自身的行业特点, 紧密结合制约行业发展的难点, 积极开展专用设备制造业科技创新, 同时建立和完善一套符合本专业工作实际的专用设备科技创新机制, 加强石油专用设备的科技创新项目研究与应用, 积极开展石油专用设备的研发设计工作。

本文重点阐述智能钻修机监测系统的设计及研制, 突破了传统繁琐的有线模式, 同时在特殊情况下可恢复有线模式, 既解决了施工作业现场费时费力的安装难题, 又实现了系统前端的智能数据采集及数据的前后方共享, 减少了人为影响因素, 采集精度高, 误差小, 为施工作业现场钻修机数据采集的准确性、可传递性、可溯源性提供了可靠的依据, 同时该智能钻修机监测系统操作简单, 实用性强, 自动化程度高, 既省时又省力, 为石油专用设备监测技术的创新与发展做出了贡献。

(编辑 卜丽媛)