综合录井模拟仿真与应用系统的设计与开发(编辑修改稿)

综合录井模拟仿真与应用系统的设计与开发(编辑修改稿)内容摘要：

，具有很高的经济效益，而且大大改善了录井人员的学习环境。 操作人员还能对异常情况进行总结并将特殊情况报告给系统开发者，有助于开发出适合各类事故的处理方案。 另外，利用仿真软件动态模拟 综合录井 现场实际应用还可以将该系统整体移植到综合录井平台上使用，不仅可以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可靠的实时资料。 因此，为了 实现综合录井现场实际应用 系统 的模拟仿真，本文设计和开发了一套综合录井模拟仿真与应用系统。 该软件系统 通过与虚拟技术 的 有机结合 ， 不仅能够与硬件实验平台相连接， 模拟仿真综合录井现场真实数据采集过程，并且还能够通过 软件的形式仿真 出井场传感器安装位置及地面管汇 形状， 使录井人员 熟悉录井每一个参数以及采集参数的内容。 可见，该系统 利用 模拟仿真数据的形式为录井工作人员提供 了 一个 培训应用 平台。 因而， 基于本文研制的综合录井模拟仿真与应用系统既可满足录井现场需求，又可满足综合录井教学需求，具有 重要 的理论研究价值、广泛的应用基础和巨大的市场潜力。 国内外综合录井 软件 的发展现状 国外发展现状 在国外，由于信息化发展很快，因此，许多知名的公司都自己研发录井软件系统。 例如：哈里伯顿公司研发的 HALLIBUTON 的 SDL 录井软件、 GEO ( ALS )系列录井软件、法国地质服务公司的 GeoserviceTDC 等。 DrillByte 软件是目前世界上最高端的录井软件系统，它是由 Baker Hughes Integ 公司以 Exlog 录井系统为基础，进而创新出的最新 型软件，具有功能齐全、稳定性好等优点，在国内的占有率比较高 [8]。 在这个基础上，国外公司的录井软件 在 服务理念上也在不断提升，从最初的只给甲方提供服务成果，开始向为作业公司提供软件工作平台发展，这样更方便为作业和石油公司开展施工评价。 例如美国的 Baker Hugesinteq 公司开发的 Drillbyte 和法国Geoservice 公司开发的 Geotop 软件，就已经为甲方公司设计了油藏描述、井控、钻井西南石油大学硕士研究生学位论文 3 时效分析、储层评价、地层压力评价、岩心以及测井应用、区域对比、地震等软件，甲方公司利用这些软件可以进行不同种类的 研究工作，充分发挥了软件的功能。 Baker Hugesinteq 公司开发设计的 Drillbyte 软件是以 UNIX 平台为基础开发的，采用先进的Versant OODBMS(Objectoriented database management system，面向对象数据库管理系统 )。 当前世界上唯一运用先进的工业化 OODBMS 的录井软件是 DrillByte，它可涵盖 MWD(Measurement while drilling，随量 录井 )/LWD(Logging while drilling，随钻录井 ) 、综合录 井等的信息采集处理，使之成 为 目前综合性最强的井场信息管理系统。 它的数据库操作包括数据库数据图形化编辑程序、数据库备份程序、钻井数据重计算程序、数据库编辑程序等。 在重要参数设置或录井状态切换时，如果出现误操作或其它原因造成使数据库 中记录了异常的数据时，数据操作人员通过对相关资料的查询，使其能正确编译 [9]。 二十世纪九十年代， 国外公司已经对钻井工程计算机仿真技术的基本结构及其主要功能作了详细报导 ,在美国钻井仿真技术已是一项比较成熟的技术。 当前，随钻测量资料的不断应用，对井下实际情况认识的进一步加深及实时监测与 决策科学性的显著提高是钻井仿真技术的发展趋势。 国内发展现状 近些年来， 国内的录井技术在上世纪末期的信息化浪潮推动下，从 地质、地化 、气测到综合录井已经全部实现了数控自动化技术，从最原始的手工录写、曲线记录到现在先进的计算机自动交换与存储的转变，国内的录井软件走过了一个从无到有、从弱到强、从少到多的一个漫长的发展经历。 目前国内的监控软件代表主要有气测录井、综合录井、钻时仪和地化录井软件。 现在国内占有比例较大的是综合录井监控软件。 但是 我国现目前还没有从国外引进一套比较完整的用于施工和学习的钻井系统仿 真软件。 在国内已经有很多油田和厂家投入大力量来研发综合录井仪与相关的产品。 国内录井软件的研发人员在吸取进口录井软件的基础上，结合国内录井的实际状况，由油田 单位同大专院校和科研单位相结合，以局、部级科研项目的形式研发 出了很多国产的录井监控软件。 国内由上海神开科技工程有限公司为代表，研发出的 S KII 综合录井仪是由多模块化组成的软件，主要由钻井深度计算模块、数据采集模块、图形显示模块、数据处理模块、设备驱动模块、数据通讯模块等结构模块组成，在 的中文环境中，整个系统软件均用 Borland C++ 编译做成， 并采用汉字下拉式菜单的人机界面 【 10】。 虽然如此，国内的录井软件还有很多需要解决的问题存在 : （ 1） 各公司均拥有不同于其它公司的录井软件，这些软件都是各个公司自行研发的，但绝大部分都没有进行商标注册，形成自己的市场品牌，更没有涉及知识产权问题。 （ 2） 虽然各种录井专业软件也在不断的发展更新，但其发展的幅度不是很大，而且速度也很缓慢，因此难以满足现实的需要。 综合录井模拟仿真与应用系统的设计与开发 4 （ 3） 目前，国内录井软件的升级周期一般为 5 到 10 年，时间相对较长，而且一套软件的价钱一般在 3 到 8 万元之间甚至更高，价格比较昂贵。 （ 4）目前还没有把现场实际应用与仿真培训有机地结合起来的综合性录井软件，各种录井软件 均 是一种前台联机软件 ， 不能脱离录井仪工作，如果离开了录井仪，软件系统就无法运转，并且没有为录井人员提供录井学习的平台。 当前 ,和国外某些石油公司为代表的一些世界一流录井软件水平相比，国内的综合录井软件技术水平还存在一定的差距。 论文研究思路及主要内容 研究思路 本文在广泛调研国内外综合录井 软件 发展现状的基础上，结合现有的综合录井技术及配套装备， 对系统的整体架构以及物理架构、运行架构、逻辑架构和数据架构进行 分析设计。 设计一套满足录井现场需求的数据采集系统方案和数据库的选择建立。 基于LabVIEW 开发平台 开发 一套 综合录井 模拟仿真与应用系统 ， 该系统由能够满足录井现场需求的现场应用系统和能够满足综合录井教学培训需求的虚拟仿真应用系统两部分组成，通过数据源的切换，实现现场应用系统和教学培训系统的切换。 本文研究思路如图 11 所示。 综 合 录 井 系 统 组 成 分 析录 井 工 艺 的 需 求 分 析总 体 结 构 设 计数 据 采 集 系 统 设 计 数 据 库 选 择 建 立软 件 平 台 开 发 图 11 本文研究思路 主要研究内容 本文在广泛调研国内外综合录井 软件 发展现状的基础上， 为了 研制一套 综合录井 模西南石油大学硕士研究生学位论文 5 拟仿真与应用系统 ，主要从以下几个方面进行研究： （ 1）综合录井系统组成特点分析 通过对综合录井配套装备的研究，确定现有录井配套装备组成、传感器类型及安装位置以及软件系统的特点，为 综合录井 模拟仿真与应用系统 的设计和开发提供依据。 （ 2） 综合录井 模拟仿真与应用系统 数据采集 系统 的设计 数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁。 通过对数据采集卡的优选，设计了一套基于 RS485总线传输的数据采集系统，用 于仿真综合录井现场真实数据采集过程，实现带硬件系统的综合录井培训工作；通过设置虚拟仿真数据来实现无硬件系统的综合录井培训工作。 通过对套接字理论的学习，设计了一套基于 Winsock 实现的适用于录井现场的数据采集软件。 （ 3） 综合录井 模拟仿真与应用系统 软件设计 仿真软件的设计与实现是 综合录井 模拟仿真与应用系统 开发工作中的主要内容， 运用 LabVIEW、 SQL Server 2020 数据库等多个开发工具，设计和开发了一套基于计算机的模拟仿 真软件，该软件具备数据采集、数据处理、数据存储、数据输出 以及脱机培训等功能，既 能 满足录井现场需求，又能满足综合录井教学培训需求。 主要创新点 本文 应用 LabVIEW 开发了 一套 综合录井模拟仿真与应用系统，实现了 脱机 培训的目的，为大面积培训录井技术人员提供了应用平台。 综合录井模拟仿真与应用系统的设计与开发 6 第 2 章 综合录井系统组成特点分析 通过对综合录井配套装备的研究，确定现有录井配套装备组成、传感器类型及安装位置以及软件系统的特点，为 综合录井 模拟仿真与应用系统 的设计和开发提供依据。 综合录井系统硬件组成特点 钻井工程是一项系统工程，它 的 顺利实施需要大量的钻井参数和地下地质信息的支持。 综合录井仪作为井场 信息服务平台，为钻井的安全优质高效钻进和有效保护油气层提供服务。 综合录井主要是应用综合录井仪器进行随钻录井，能够直接 监测钻井、钻井液、气体等多项参数，可以连续监测钻井施工的全过程， 可以尽早发现事故隐患，节约钻井成本，降低钻井风险；在处理异常情况中，能够正确地反映、预报钻井参数异常情况，可以为处理工程异常赢得宝贵时间，使井下复杂情况得到有效的控制，减少经济损失，提高工程时效，保障钻井施工的安全进行。 因此，综合录井需要监测的工程参数主要有： 大钩负荷、大钩高度、转盘扭矩、立管压力、套管压力、转盘转速、泵冲速率、泥 浆池体积、出入口钻井液密度、出入口钻井液温度、出入口钻井液电导率、出入口钻井液流量等。 被测参数 按其 性质及实时性可分为实时参数和迟到参数， 而 迟到参数 可 根据现场施工情况进行测量。 综合录井传感器 优选 及安装位置 传感器的主要作用是把现场的录井参数转化为电量，并对其进行初步处理 [11]。 传感器是综合录井仪 中 最基础 的 部分， 所以 其性能的好坏 将 直接影响数据采集的质量。 录井传感器的工作环境比较恶劣，所以对传感器的特性选择要求比较严格 ，必须 能够耐腐蚀、耐压、耐高温， 高精度。 鉴于传感器 种类繁多，下面 将对本设计中所 主 要 使用到 的 传感器 进行优选 [12][13]： （ 1） 大钩负荷传感器 大钩负荷 是游车大钩所承受的载荷， 其变化直接反映了钻压的变化。 大钩负荷测量系统由死绳固定器、拉力传感器、指示仪、阻尼器、排气阀和液压软管等组成。 大钩负荷传感器测量的参数可以用于判断大钩轻载，大钩重载 等钻井状态，并 可以 通过换算得到其他参数。 并且 该参数 在 众多钻井参数中 也是 十分重要的参数之一。 1）测量原理 大钩负荷传感器实际上是一个压力传感器， 它 由一套惠斯登电桥 和 一个用于传输油压的柱状液压油仓 组成。 惠斯登电桥的测量电阻是一块压力感应膜片。 当悬吊系统 的 重量发生变化时，利用半导体的压阻效应 ， 作用于死绳上的拉力将 随之 发生变化，这种拉力的变化又 会 转化为液压油仓油压的变化，油压的变化迫使感应膜片变形，测量电阻阻西南石油大学硕士研究生学位论文 7 值发生变化，最终破坏电桥平衡而产生电压信号。 通过外接电阻等，将电压信号最终转化成标准的电流信号输出。 2） 传感器优选 在综合参考了国内多 个 厂家生产的大钩负荷传感器后， 本文 最终选择了西安天聚工贸有限公司生产的 GJY06 大钩负荷传感器。 该传感器 其敏感元件采用了干式陶瓷压阻芯片。 由于陶瓷是一种抗腐蚀，抗磨损和 抗冲击的材料，陶瓷的热稳定性及其厚膜电阻可以使它工 作温度范围达 40～ 85℃ ,具有很强抗腐蚀、抗冲击、抗磨损的特性，它的敏感膜片可以与绝大多数的介质直接接触。 其稳定性高达每年优于 %FS,温度影响通常优于 %FS/℃。 碱性度可以达 %FS，纯净的陶瓷基体，无任何填充液，不会产生工艺污染。 因此， TJY06 系列压力传感器可以被广泛地应用在工业控制、矿山、油田、食品、汽车、医用秒表等众多行业。 该产品的输出统一采用了 4～ 20mA 二线制的工业标准，其外壳采用耐腐蚀不锈钢以及德国 Hirschmann 接头。 防护等级可达 IP65。 3）传感器主要技术指标 ① 电源电压 ： 15～ 30VDC ② 输出信号： 4～ 20mA ③ 连 接：二线制 ④ 线性和迟滞：≤ %FS（ 25℃） ⑤ 工作温度范围 ： 40～ 85℃ ⑥ 电气线路保护：极性保护和过电流保护 图 21 大钩负荷传感器 4）安装位置 大钩负荷传感器与钻机指重表并接在死绳固定器的液压变送器上。 录井房获得大钩负荷是通过大钩负荷传感器提供的。 图 22 大钩负荷传感器安装位置示意图 综合录井模拟仿真与应用系统的设计与开发 8 （ 2）泵冲速传感器 泵冲速是指泥浆泵在单位时间内作用的次数，不仅是计算泥浆迟到时间及泥浆入口排量的重要参数， 而且对于判断泵障碍，结合立管压力等综合参数分析判断井下钻具事故具有重要意义。 当泥浆泵的 处在正常工作 时，泥浆入口流量等于泥浆泵 活塞缸 容积和泵冲数的乘积。 因而，将采集的泵冲数据 经过一定的处理， 即 可根据用户的需要 计算出泥浆泵累计泵冲数、泥浆入口流量、泥浆总注入量等参数。 1）测量原理 泵冲速率传感器包括一 个长柱形外壳和邻近探头。 当泥浆泵工作时，传感器。