戴文潮 胡 亮 王 超 尹慧博

(中國石化石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

隨著油氣勘探開發(fā)不斷向深井、超深井以及深水領(lǐng)域邁進(jìn)，固井作業(yè)面臨著施工壓力高、作業(yè)危險(xiǎn)性大以及勞動強(qiáng)度高等實(shí)際問題，而井口注水泥裝置的人工操作存在的安全風(fēng)險(xiǎn)與隱患尤為突出。因此，采用自動控制技術(shù)、智能控制技術(shù)、信息化技術(shù)以及移動互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)固井作業(yè)及工具設(shè)備的遠(yuǎn)程智能操控，進(jìn)而減少或避免井口高壓危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人工作業(yè)的需求也日趨顯現(xiàn)。國外主流的石油工程技術(shù)服務(wù)廠商各自均有達(dá)到一定自動化程度的固井井口裝置，例如哈里伯頓公司的Commander 1000Top_Drive Cementing Head、貝克休斯公司的LaunchPRO Wireless TD Cement Head以及威德福公司的 Remote_Control Top_Drive Cementing Head，這些井口裝置通過可視化的遠(yuǎn)程遙控實(shí)現(xiàn)裝置的各種功能。近年來，國內(nèi)也開展了具備類似功能的井口裝置的研發(fā)[1-2]，但以自動化固井井口裝置為核心系統(tǒng)，集成入井工具在線監(jiān)測、管串連接扭矩自動檢測功能的智能化固井井口裝置的研究尚處空白。為此，本文開展了相關(guān)技術(shù)研究和探索。

1 固井井口裝置智能化功能分析

從傳統(tǒng)固井作業(yè)井口裝置出發(fā)，可實(shí)施智能化技術(shù)升級突破點(diǎn)較多，目前結(jié)合現(xiàn)場的需求主要從以下幾個(gè)方面開展：

(1)隨著油氣勘探開發(fā)從淺層、中深層向深層、超深層發(fā)展,鉆井難度越來越大，固井作業(yè)環(huán)境日趨復(fù)雜,面臨封固段長、注替量大以及施工泵壓高等難題[3-7]，井口操作人員人身安全風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，因此，實(shí)現(xiàn)井口機(jī)械裝置自動化和智能化操控是確保高壓環(huán)境下井口作業(yè)安全的關(guān)鍵。

(2)固井作業(yè)中入井工具類別較多，現(xiàn)場使用設(shè)備情況良莠不齊，如何確保入井工具嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)要求，充分掌握設(shè)備使用情況確保順利作業(yè)，也是確保作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

(3)固井管串連接過程中，通常僅通過液壓鉗扭矩測量判斷螺紋連接是否符合要求，然而實(shí)際作業(yè)中，單一扭矩檢測偏差較大，扭矩達(dá)到上扣扭矩要求而發(fā)生脫扣的情況也時(shí)有發(fā)生，因此采用多種檢測方式并行，是提高檢測準(zhǔn)確率的重要方式。

2 固井井口智能化系統(tǒng)整體方案

固井井口智能化系統(tǒng)主要包括井口自動注水泥裝置、入井工具在線檢測裝置、上扣檢測裝置、操控顯示系統(tǒng)以及其他數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—入井工具在線檢測裝置；2—上扣檢測裝置；3—井口自動注水泥裝置；4—操控顯示系統(tǒng)；5—其他數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

井口自動注水泥裝置主要實(shí)現(xiàn)固井作業(yè)時(shí)井口自動化操作，例如泵注管匯旋塞閥的開關(guān)、膠塞的投放以及憋壓球的投擲，用以降低井口作業(yè)勞動強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)質(zhì)量。固井井下工具在線檢測裝置利用物聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下入井內(nèi)的扶正器、分級箍及尾管懸掛器等工具參數(shù)信息的檢測和記錄，確保入井工具參數(shù)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)執(zhí)行，同時(shí)也便于后期油井?dāng)?shù)據(jù)管理。上扣檢測裝置采用圖像識別技術(shù)檢測入井工具螺紋連接狀態(tài)，保證連接可靠。操控顯示系統(tǒng)采用無線通信控制技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對泵注管匯中的電磁閥和自動化裝置上的驅(qū)動馬達(dá)等執(zhí)行器的控制以及作業(yè)過程采集信息的監(jiān)測、顯示和報(bào)警等功能，同時(shí)固井作業(yè)過程中所采集的所有參數(shù)，可通過操控顯示系統(tǒng)上的手持終端記錄并可被其他數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)共享使用。

3 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 井口自動注水泥器

結(jié)合常規(guī)鉆桿水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)以及自動控制驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)，井口自動注水泥器主要由水泥頭機(jī)械本體、氣動系統(tǒng)、工控單元(上位機(jī))和無線操作終端(下位機(jī))組成[8-11]，如圖2所示。

1—水泥頭機(jī)械本體；2—?dú)鈩酉到y(tǒng)；3—工控單元(上位機(jī))；4—無線操作終端(下位機(jī))。

機(jī)械本體在常規(guī)鉆桿水泥頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要完成固井井口機(jī)械連接，循環(huán)管匯連接及通斷控制，憋壓球以及固井膠塞儲存和投放等功能。氣動系統(tǒng)由執(zhí)行氣缸和電磁閥換向閥等氣動元件組成，通過控制電磁閥的通斷，實(shí)現(xiàn)氣路換向控制，從而達(dá)到通過執(zhí)行氣缸動作驅(qū)動機(jī)械機(jī)構(gòu)完成水泥頭各項(xiàng)功能動作的目的。

工控單元(上位機(jī))、無線操作終端及其之間的通信模塊組成通信控制系統(tǒng)，作為遠(yuǎn)程控制水泥頭的“大腦”，進(jìn)行操作命令的獲取、解讀以及輸出控制信號，并控制氣動系統(tǒng)完成相應(yīng)動作，使機(jī)械機(jī)構(gòu)完成既定功能。

氣動系統(tǒng)和工控單元(上位機(jī))統(tǒng)一集成在防爆箱內(nèi)，安裝于機(jī)械本體上。無線操作終端(下位機(jī))采用便攜式電腦，通過人機(jī)交互的組態(tài)軟件，將人工操作命令通過遠(yuǎn)距離無線傳輸方式，與工控單元(上位機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到遠(yuǎn)程自動操控井口裝置實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的目的。

3.2 井下工具在線檢測

井下工具在線檢測系統(tǒng)主要由井口檢測裝置、標(biāo)簽信號采集器、PC機(jī)、寫卡器以及標(biāo)簽組成。標(biāo)簽信號采集器和寫卡器通過串口通信與PC機(jī)相連，工具出廠時(shí)，在PC機(jī)上運(yùn)行軟件程序，將工具類別、規(guī)格、型號和性能參數(shù)等信息通過寫卡器寫入標(biāo)簽內(nèi)，標(biāo)簽具有唯一身份編碼以及攜帶產(chǎn)品相關(guān)信息。工具入井通過井口采集裝置時(shí)，標(biāo)簽攜帶的信息通過標(biāo)簽信號采集器捕獲，同時(shí)在PC機(jī)上進(jìn)行顯示和記錄，保證入井工具按設(shè)計(jì)執(zhí)行，也便于油井?dāng)?shù)據(jù)后期維護(hù)。井下工具在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1—井口檢測裝置；2—標(biāo)簽信號采集器；3—PC機(jī)；4—寫卡器；5—標(biāo)簽。

3.3 上扣扭矩檢測

上扣扭矩檢測系統(tǒng)主要由安置在套管鉗上的扭矩傳感器、高清攝像頭、信號采集卡以及PC機(jī)組成。通過扭矩傳感器監(jiān)測上扣過程中套管與套管、工具與套管之間螺紋連接強(qiáng)度是否達(dá)到螺紋連接要求，同時(shí)通過置于井口旁的高清攝像頭對螺紋連接部位實(shí)時(shí)拍照，獲取上扣狀態(tài)圖片信息，扭矩信息結(jié)合圖片信息經(jīng)信號采集卡傳送到PC 機(jī)上，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測以及圖像識別軟件綜合判斷上扣操作是否符合連接強(qiáng)度要求。上扣扭矩檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上扣扭矩檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 研究及應(yīng)用進(jìn)展

4.1 井口自動注水泥裝置

中國石化石油工程技術(shù)研究院所研制的井口自動注水泥裝置在傳統(tǒng)水泥頭機(jī)械機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)施結(jié)構(gòu)改造，例如投膠塞的螺旋銷、投放憋壓球的投球器以及管匯通道的旋塞芯軸均采用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動。自動注水泥裝置本體通過集成氣動控制系統(tǒng)以及電子控制系統(tǒng)，采用電控氣驅(qū)的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)上驅(qū)動馬達(dá)動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置動作的功能。

2018年在河北任丘某地?zé)峋F(xiàn)場試驗(yàn)測試過程中，井口安裝自動注水泥裝置，總氣源管線連接至立管旁0.8 MPa鉆機(jī)氣源接口。在遠(yuǎn)離井口5 m位置，操作水泥頭控制終端，依次操作下由壬旋塞閥、投球氣缸、投塞旋轉(zhuǎn)氣缸以及上由壬旋塞閥，均正常動作?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，井口自動注水泥器能夠?qū)崿F(xiàn)固井作業(yè)井口裝置自動化操控的目的，基本達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求。

圖5 井口自動注水泥裝置

4.2 井下工具在線檢測裝置

RFID讀寫器連接至計(jì)算機(jī)上，將廠商信息、扶正器規(guī)格、材質(zhì)和產(chǎn)品參數(shù)等信息通過讀寫器寫入標(biāo)簽內(nèi)。當(dāng)扶正器出廠時(shí)，將抗干擾能力的標(biāo)簽鉚釘在扶正器上，同一批次扶正器除共同信息外，每一扶正器均只有唯一一個(gè)身份ID。在線檢測裝置坐在井口防溢管上(?244.5 mm套管)，通過四路信號線連接到標(biāo)簽信號采集器上。井下工具在線檢測裝置及運(yùn)行軟件如圖6所示。

圖6 井下工具在線檢測裝置及運(yùn)行軟件

在室內(nèi)試驗(yàn)過程中，將標(biāo)簽貼至扶正器上，模擬套管下入速度(約0.3 m/s)，緩慢通過檢測裝置，讀取到53組數(shù)據(jù)；1 m位置下落，4.5 m/s速度通過檢測裝置，信息讀取數(shù)量12組；2 m位置下落，6.3 m/s速度通過檢測裝置，信息讀取數(shù)量5組；標(biāo)簽與天線成45°角下放或變角度下放，標(biāo)簽信息也能完全讀取(天線分布檢測無死角區(qū)域)。

通過試驗(yàn)測試，證明井下工具在線檢測裝置信息讀取率和可靠性較高，同時(shí)該裝置的天線采集頻率和天線功率可調(diào)，能進(jìn)一步提高檢測系統(tǒng)可靠性，充分保證現(xiàn)場入井工具植入的信息讀取準(zhǔn)確。

4.3 扭矩在線檢測系統(tǒng)

室內(nèi)測試中，通過將高清相機(jī)、鏡頭和光源集成在一個(gè)檢測箱內(nèi)，將捕獲的圖像信息傳送至工控機(jī)，在工控機(jī)上利用圖像識別軟件，進(jìn)行圖像處理識別可得到?jīng)]有擰進(jìn)去螺紋扣長度。圖像處理識別用VC編程能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測功能，圖像處理檢測精度為0.2 mm。

高清相機(jī)通過對油管上扣過程中狀態(tài)圖像的實(shí)時(shí)捕獲，將圖像傳送至電腦，通過電腦上運(yùn)行的圖像識別軟件，對捕獲的圖像內(nèi)上、下兩條橫線位置距離進(jìn)行識別，結(jié)合扣型螺距判斷上扣是否到位。實(shí)際運(yùn)用過程中，結(jié)合液壓鉗扭矩儀的輸出扭矩，綜合判斷實(shí)際上扣操作是否復(fù)合設(shè)計(jì)扭矩要求，檢測程序處理流程如圖7所示。

圖7 程序處理流程

4.4 通信操控顯示系統(tǒng)

通信控制系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)采用無線通信方式進(jìn)行操控信息交互。其中，上位機(jī)采用西門子可編程邏輯控制器(PLC),完成氣動系統(tǒng)中各電磁閥的驅(qū)動和動作反饋顯示，上位機(jī)集成在自動注水泥裝置機(jī)械本體上，下位機(jī)采用工業(yè)便攜PC電腦預(yù)裝Wince操作系統(tǒng)。上位機(jī)與下位機(jī)采用成熟的433 MHz的無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)和下位機(jī)與無線模塊之間采用RS485接口進(jìn)行通信，2個(gè)均可串口發(fā)射與串口接收，保證上位機(jī)和下位機(jī)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確性。所有元器件均采用蓄電池供電，系統(tǒng)操控顯示界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)操控顯示界面

5 技術(shù)展望

(1)固井作業(yè)井口裝置從自動化向智能化方向發(fā)展。例如井口遠(yuǎn)程控制水泥頭通過作業(yè)參數(shù)(施工壓力和鉆井液密度等)自動調(diào)節(jié)泵注排量，形成帶參數(shù)反饋的閉環(huán)自動智能控制。

(2)單一裝置自動化到多種裝置協(xié)調(diào)配合，形成作業(yè)系統(tǒng)智能化。例如將具備自動控制的井口注水泥裝置、水泥漿泵注設(shè)備、鉆井泵、鐵鉆工以及固井作業(yè)中各種參數(shù)檢測系統(tǒng)聯(lián)合一起，采用智能控制專家系統(tǒng)一起協(xié)同作業(yè)，極大地改善現(xiàn)場作業(yè)工況，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)數(shù)據(jù)信息化更深入，作業(yè)前通過系統(tǒng)中存儲的設(shè)備信息，了解評價(jià)設(shè)備健康狀況，降低潛在風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)過程中通過獲取井下工具信息，了解評價(jià)工具性能情況，作業(yè)結(jié)束后通過對設(shè)備、工具及工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)的管理，對油井作業(yè)信息有據(jù)可查，同時(shí)隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，給以后作業(yè)提供極有價(jià)值的作業(yè)參考。

(4)人機(jī)交互更加靈活，利用現(xiàn)在發(fā)展極為迅速的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)技術(shù)，將固井作業(yè)中所有信息和參數(shù)通過數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行收集、管理，并通過PC和手機(jī)等移動終端進(jìn)行動態(tài)化實(shí)時(shí)展示和查詢。

6 結(jié)論及建議

(1)自動化、智能化以及信息化技術(shù)的發(fā)展，帶來傳統(tǒng)作業(yè)裝備、作業(yè)工藝以及作業(yè)工況的升級，改善作業(yè)條件、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)以及提高作業(yè)質(zhì)量也是技術(shù)發(fā)展的趨勢。

(2)結(jié)合現(xiàn)在固井作業(yè)井口及工況，開展了井口自動注水泥器、井下工具信息采集系統(tǒng)以及扭矩檢測系統(tǒng)的探索研究，對固井作業(yè)中部分裝置及工藝的自動化和智能化具有一定的效果。

(3)單一裝置具備閉環(huán)控制的智能化，多裝置聯(lián)合智能化作業(yè)以及參數(shù)信息化和數(shù)據(jù)共享等方面的研究目前并未開展，因此可將其作為固井井口智能化技術(shù)下一步發(fā)展的突破口，建議開展相關(guān)研究工作。