引用本文
杨亮, 白庆杰, 李传伟, 曾晓英, 黄梅. 智能测导地面测控系统研发设计[J]. 录井工程, 2023,34(2): 72-76.
YANG Liang, BAI Qingjie, LI Chuanwei, ZENG Xiaoying, HUANG Mei. Design of IDS ground control system[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(2): 72-76.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.02.012  
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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

作者简介：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。E-mail：80841546@qq.com

收稿日期: 2023-02-13
基金: 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：2022T-005-001）
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:TE132.1 文献标志码:A
Design of IDS ground control system
YANG Liang, BAI Qingjie, LI Chuanwei, ZENG Xiaoying, HUANG Mei
China National Logging Corporation, Beijing 102206, China
Abstract

In recent years, intelligent directive system（IDS） has been widely used in the construction of extended reach horizontal wells because of its characteristics of high trajectory control accuracy and high construction slope. However, it is necessary to develop the ground control system supporting IDS in order to realize the closed-loop control of IDS. Firstly, this paper provides the overall design of the IDS ground control system, expounds the hierarchical design principle of the system architecture from the data acquisition layer, transmission layer, data layer and application layer, and describes the main functions of each layer and the overall operation process of the system. Secondly, according to the design of the system architecture, it gives a detailed technical description for each level including site data acquisition and control, data fusion remote transmission, geosteering and other important components,and discusses the design and implementation of each function, and further designs the corresponding function module. Finally, the drilling rate of the reservoir is improved through the actual construction and application in the field. The drilling rate of the oil and gas reservoirs in Sichuan shale gas block is improved to more than 97% on average, and the whole system has achieved good application effect.

Keyword: IDS; data acquisition; command download; remote transmission; geosteering
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）。

图1 智能测导地面测控系统结构

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, 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。

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[2, 3]。

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传的目的[4, 5, 6], 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4~20 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, 从而实现阀片旋转角度的任意控制（图2）。

图2 旁通器

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。

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。

图3 实时数据传输技术架构

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的WITS0-WITS4系列数据传输规范, 构建多专业结构化与非结构化数据体系。实时数据库中数据顶层模型设计分为4个层次, 即工区-井-井眼-随钻/轨迹/录井/钻井。数据库功能需求主要有元数据管理, 负责元数据的编辑、导入、存储结构同步等功能; 时间数据管理主要负责时间数据的导入、回放、数据访问接口等; WITSML服务主要负责井/井眼的访问、各业务对存储数据的访问等; 系统管理主要负责用户的管理、权限管理、系统配置等; 数据传输负责对远程基于Web Service传输通道传输的数据进行接收解析与存储等; 数据管理主要负责时深转换、索引管理等; 深度数据管理主要负责深度数据回放、深度数据访问接口等; 成果资料管理主要实现邻井数据管理、钻后解释成果管理、导向日志管理等。

2.4 应用层设计

应用层是根据不同业务的需求, 对现场获取数据的具体应用, 包括地质导向、解释评价、工程监控、数据管理与成果发布等。在此主要介绍地质导向、数据管理与成果发布的实现。

2.4.1 地质导向

地质导向是通过采用现场采集的井下实时地质参数、工程数据等, 利用导向软件判断所钻遇的地质环境并预测将要钻遇的地层情况, 通过调整、修正井眼轨迹, 确保准确钻入目的层, 从而提高储层中靶率和钻遇率。在此, 采用LOGXD地质导向系统。LOGXD地质导向系统可以将邻井地质数据与MWD/LWD数据、综合录井数据等结合应用, 采用同步数据采集、处理、传输手段, 实现在钻井过程中远程地质模型的实时钻进模拟, 并在随钻过程中进行综合分析, 不断调整模型, 重新设计待钻轨迹, 以合理、高效的方式提高正钻水平（斜）井的着陆精度和钻遇率, 提高工作效率。通过参考WITSML规范, 结合实际需求, 形成了一套WITSML协议接口, 并开发了WITSML实时数据引擎, 实现了LOGXD软件访问实时数据库的功能（图4）。

图4 LOGXD软件访问实时数据库

2.4.2 数据管理与成果发布

数据管理与成果发布的主要功能是对存入数据库的数据进行浏览、查询等, 主要包括7大功能模块：井选择、钻前建模、实时监控、地质导向、钻后评价、数据管理、系统管理。数据管理平台采用Web服务, 是实现面向服务架构（SOA）的技术集成, 将运行在通过Internet/Intranet/Extranet 连接的分布式服务器上的应用程序整合到一起, 使服务整合更加方便安全; 支持施工作业中成果资料（邻井资料、钻后评价、钻前建模、地质导向、录井数据）的上传、下载及删除等功能, 将数据按井分别进行管理, 并可在浏览器上对数据资料进行预览; 同时按照工区-井-井次的层次结构提供了更加直观的管理界面, 支持工区、井、井次的增加、修改和编辑功能, 后台管理流程如图5所示。

图5 后台管理流程

3 现场应用

目前智能测导地面测控系统在四川页岩气区块优质高效地完成水平井施工超过200井次, 油气层钻遇率平均达到97%以上, 同时水平井施工技术得到用户的高度评价。以该系统在四川X井施工过程中的实际应用为例, 通过现场的实时数据采集、指令下传控制井下智能测导工具, 并实时将数据远程传输, 实现远程的地质导向, 及时控制仪器调整井眼轨迹, 使其穿行在目的层中, 具体施工过程如下所述。

在施工前对该区块地震剖面（图6）分析可以看出, 该区块属于由基底断层所控制的断层转折褶皱, 区域构造变化幅度大, 地层倾角变化快。区块整体断裂、微裂缝发育, 钻井安全施工难度大。钻前基于综合区域已钻井邻井测井曲线、分层数据建立地质构造模型, 确定A、B、C等多个靶点垂深、地层倾角横向变化、裂缝和挠曲发育位置并选取多个标志层; 钻中在较短距离内出现的地质构造剧变给导向工作带来极大挑战, 通过实时传输伽马数据, 判断仪器在目的层的位置[8], 及时调整了井眼轨迹; 最终实钻结果与设计误差角度最大不超过2° , 设计轨迹与实钻轨迹吻合较好（图7）。该井智能测导作业2 205 m, 水平段1 650 m, 出层长度0 m, 钻遇率100%。

图6 区块地震剖面

图7 X井井眼实时轨迹控制

4 结论与认识

通过智能测导地面测控系统实现了智能测导工具的实时控制, 分别从数据采集层、传输层、数据层、应用层等技术层面实现了现场数据的采集、仪器控制、数据的远程传输与存储、远程导向应用、成果发布等, 提高了勘探信息收集、管理、处理、分析评价的效率, 同时保证了井眼轨迹及时准确地延伸和调整, 实现了单井经济效益的最大化。

但是由于目前国内录井仪器、钻机种类繁多, 设备陈旧, 多元数据的融合与应用还任重道远, 今后随着人工智能技术的快速发展, 其推广应用前景必将更为广阔。

（编辑 孔宪青）

参考文献
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