薛福利工程師

(大慶油田有限責(zé)任公司 質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評價(jià)中心，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

在進(jìn)行油田開采時(shí)，第一步需要完成鉆井工作，這一環(huán)節(jié)與后續(xù)開采的各項(xiàng)工作相比危險(xiǎn)性更高，需要更高的技術(shù)和精度。大部分油田鉆井深度超過1 500m，并且每一口油田鉆井都需要至少半個(gè)月時(shí)間。在進(jìn)行油田鉆修井作業(yè)過程中，若遇到巖洞會(huì)出現(xiàn)潤滑泥漿漏失，而在此過程中，一旦出現(xiàn)低壓區(qū)域壓力過高的現(xiàn)象，就會(huì)造成下部分泥漿不規(guī)則上涌。倘若沒有及時(shí)預(yù)測與處理，就會(huì)對工程施工作業(yè)造成嚴(yán)重影響，甚至還會(huì)使安全事故的發(fā)生概率提升。趙穎等[1]基于極限學(xué)習(xí)機(jī)，建立海上鉆井機(jī)械鉆速監(jiān)測模型，并以南海YL8-3-1井為例進(jìn)行驗(yàn)證與鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果大致吻合，可以對機(jī)械鉆速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；王江帥等[2]提出基于井下分離的作業(yè)監(jiān)測方法，通過實(shí)例對比氣侵發(fā)生后深水雙梯度鉆井和常規(guī)單梯度鉆井環(huán)空出口液相表觀速度和出口流量變化規(guī)律的差異性，分析不同井深、氣侵量、分離器位置、重/輕質(zhì)鉆井液密度差、排量及井口回壓條件下的環(huán)空出口流量變化，完成作業(yè)監(jiān)測。但該方法的作業(yè)監(jiān)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相差較大，無法保證作業(yè)人員安全問題。

而定位技術(shù)在施工作業(yè)安全監(jiān)管中具有重要作用。目前應(yīng)用于油田鉆修井作業(yè)的定位技術(shù)通常是采用超聲波定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)雖然在應(yīng)用中能夠有效降低功耗，并且具備良好的抗多徑效果，但非視距傳播影響較大，并且在復(fù)雜的鉆修井作業(yè)環(huán)境中無法保證較高的定位精度。因此，針對上述方法存在的問題，本文基于UWB定位技術(shù)開展對油田鉆修井作業(yè)安全監(jiān)測方法的設(shè)計(jì)研究，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法的有效性，以期為石油工業(yè)作業(yè)安全提供參考。

1 油田鉆修井作業(yè)安全監(jiān)測方法

1.1 UWB定位技術(shù)

超寬帶(Ultra-wide Band，UWB)定位技術(shù)是近幾年新興的一種定位技術(shù)，該技術(shù)主要是通過測距和測向的方式實(shí)現(xiàn)定位。目前UWB定位技術(shù)在變電站領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，不僅能夠很好地適應(yīng)變電站的復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)還能夠滿足變電站監(jiān)測的精度，實(shí)現(xiàn)低成本定位。

1.2 油田井下液位數(shù)據(jù)采集

在UWB定位技術(shù)中傳感器網(wǎng)絡(luò)是其重要的組成部分，為實(shí)現(xiàn)對油田鉆修井作業(yè)的安全監(jiān)測，本文首先結(jié)合液位傳感器實(shí)現(xiàn)對油田液位數(shù)據(jù)的采集[3]。在進(jìn)行油田鉆修井作業(yè)的過程中，可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測井下泥漿液位的方式，為后續(xù)鉆修井作業(yè)節(jié)點(diǎn)定位提供條件。由于油田鉆井現(xiàn)場通常都會(huì)有2個(gè)泥漿池，因此在選擇液位傳感器時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇2個(gè)性能較高且具有良好耐高溫性和耐腐蝕性的液位傳感器[4]。基于傳統(tǒng)安全監(jiān)測方法采用超聲波技術(shù)的優(yōu)勢，本文選用超聲波液位傳感器，將超聲波的接收裝置和發(fā)射裝置放置在水中，讓超聲波通過液體傳播。使用超聲波探測設(shè)備，結(jié)合在此過程中的發(fā)射時(shí)間，對傳播距離進(jìn)行推導(dǎo)，并輸出下述距離計(jì)算公式。

(1)

式中：

h—傳導(dǎo)設(shè)備與井下泥漿的距離，m；

v—監(jiān)測介質(zhì)中，超聲波可實(shí)現(xiàn)的傳播速度，m/s；

t—波長反射時(shí)間，s。

根據(jù)上述公式可得出超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程，以此進(jìn)一步推導(dǎo)出鉆修井作業(yè)時(shí)井下液位的高度為：

h=(s2-a2)0.5

(2)

式中：

h—鉆修井作業(yè)時(shí)井下液位高度，cm；

s—反射距離，cm；

a—傳感器在井下的間距，cm。

超聲波在傳播過程中受到環(huán)境溫度的影響，在實(shí)際油田鉆修井作業(yè)過程中溫度是在不斷發(fā)生變化的，因此還需要結(jié)合超聲波傳播速度與溫度之間的關(guān)系，對公式(1)中的v值進(jìn)行選擇，見表1。

利用液位傳感器對油田液位數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和采集，假定在獲取數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)井下的溫度變化趨勢較不顯著，可以認(rèn)為在此種條件下，介質(zhì)的傳播速度基本不發(fā)生變化。如果此時(shí)終端對獲取數(shù)據(jù)的要求較高，便可通過補(bǔ)償溫度的方式，對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次校正，以此確保輸出的數(shù)據(jù)信息可滿足監(jiān)測需求[5]。一般使用條件下液位傳感器測量誤差為0.1%，液位數(shù)據(jù)采集范圍在1×10-2～1×104m，若油田井下液體存在大量氣泡或液位波動(dòng)幅度較大，則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。為進(jìn)一步提高液位數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，本文在選擇超聲波傳感器時(shí)，選用PROBE15-180型號(hào)一體化超聲液位傳感器，該型號(hào)傳感器能夠充分滿足油田鉆修井作業(yè)復(fù)雜環(huán)境的高測量精度需要。PROBE15-180型號(hào)一體化超聲液位傳感器運(yùn)行電源為16～25V，測量范圍在0.25～4.5m以內(nèi)。該型號(hào)傳感器在對鉆修井作業(yè)中油田井下液位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)可自動(dòng)對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高液位數(shù)據(jù)采集的精度。

1.3 基于UWB定位技術(shù)的鉆修井安全作業(yè)節(jié)點(diǎn)定位

UWB定位技術(shù)根據(jù)不同定位精度可分為2個(gè)參考點(diǎn)定位和3個(gè)參考點(diǎn)定位，為進(jìn)一步提高油田鉆修井作業(yè)的安全性，實(shí)現(xiàn)對其高精度監(jiān)測，本文選擇采用3個(gè)參考點(diǎn)的定位方法實(shí)現(xiàn)對鉆修井作業(yè)節(jié)點(diǎn)的定位[6]。利用上文選擇的PROBE15-180型號(hào)一體化超聲液位傳感器，對液位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，完成從固定位置參考點(diǎn)向移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)的功能，基于UWB定位技術(shù)的鉆修井作業(yè)節(jié)點(diǎn)定位示意圖，如圖1。

圖1 基于UWB定位技術(shù)鉆修井作業(yè)節(jié)點(diǎn)定位圖Fig.1 The node location diagram for drilling and workover operation based on the UWB positioning technology

獲取到相應(yīng)信號(hào)的時(shí)間以及固定參考點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間可通過直接測量的方式獲得，根據(jù)圖1所示內(nèi)容，進(jìn)一步計(jì)算出2點(diǎn)之間的距離，其計(jì)算公式為：

r=(t-t')c

(3)

式中：

r—固定參考點(diǎn)到標(biāo)簽位置上的距離，m；

t—獲取到相應(yīng)信號(hào)的時(shí)間，s；

t'—固定參考點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間，s；

c—本文上述超聲波的傳播速度，m/s。

根據(jù)圖1中3個(gè)參考點(diǎn)到標(biāo)簽的距離，按照公式(3)計(jì)算得出標(biāo)簽的實(shí)際位置，以此實(shí)現(xiàn)基于UWB定位技術(shù)的鉆修井作業(yè)節(jié)點(diǎn)定位[7]。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到UWB定位技術(shù)的高精度要求，將測量數(shù)據(jù)的誤差控制在0.01范圍內(nèi)。因此，針對這一問題還需要在3個(gè)參考點(diǎn)上分別設(shè)置2個(gè)雙曲線，并取其焦點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)的定位。油田井下范圍較廣，僅憑借各個(gè)參考點(diǎn)可能無法實(shí)現(xiàn)對鉆修井作業(yè)節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。針對這一問題，利用移動(dòng)終端設(shè)備，在每隔一個(gè)固定距離上隨機(jī)分布一個(gè)參考點(diǎn)，使其始終保持與其周圍鉆修井區(qū)域內(nèi)和固定超聲波傳感器之間的有效通信，從而對移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)定位。在按照上述公式(3)獲取各個(gè)參考點(diǎn)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離后，隨機(jī)抽取其中3個(gè)距離相對較近的數(shù)值進(jìn)行距離矩陣計(jì)算，并采用三邊法對其進(jìn)行定位。針對定位過程中存在的誤差累加問題，本文以計(jì)算得出的標(biāo)簽坐標(biāo)與各個(gè)參考點(diǎn)之間的距離和已知距離差的平方和為目標(biāo)，引入數(shù)值最優(yōu)概念，對當(dāng)前定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行修正。最后，對修正后的坐標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)或平移，得到最終高精度的鉆修井安全作業(yè)定位節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定位誤差補(bǔ)償，確保最終得出的定位結(jié)果滿足安全監(jiān)測的定位精度。

1.4 劃分鉆修井作業(yè)安全范圍及動(dòng)態(tài)監(jiān)測報(bào)警

利用UWB定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆修井安全作業(yè)節(jié)點(diǎn)定位后，還應(yīng)當(dāng)對作業(yè)人員的作業(yè)范圍進(jìn)行設(shè)定，確保作業(yè)人員始終在安全范圍內(nèi)完成鉆修井作業(yè)任務(wù)。劃分鉆修井作業(yè)安全監(jiān)控動(dòng)態(tài)預(yù)警范圍是進(jìn)行安全監(jiān)測預(yù)警的重要前提條件。針對當(dāng)前常見的集中預(yù)警范圍劃分方法，本文結(jié)合油田內(nèi)泥漿液位變化規(guī)律及鉆修井作業(yè)安全需要，選用專家劃分法實(shí)現(xiàn)。在對臨界區(qū)域進(jìn)行明確時(shí)，根據(jù)油田井下液位數(shù)據(jù)，確定鉆修井作業(yè)安全水平的值域，并且針對每個(gè)值域劃分不同的危險(xiǎn)等級。油田鉆修作業(yè)的安全水平可劃分為5個(gè)不同等級，分別為安全、基本安全、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)和非常危險(xiǎn)。根據(jù)泥漿液位實(shí)際變化規(guī)律，對5個(gè)不同安全水平的值域進(jìn)行劃分。

將PROBE15-180型號(hào)一體化超聲液位傳感器與監(jiān)控中心通過無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信連接，利用無線電波實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與傳感器位置的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送[8]。在明確鉆修井作業(yè)安全監(jiān)控動(dòng)態(tài)預(yù)警范圍的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間向作業(yè)人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，引入報(bào)警器芯片和報(bào)警顯示燈，安裝在PROBE15-180型號(hào)一體化超聲液位傳感器上。

在實(shí)際開展油田鉆修井作業(yè)時(shí)，安全監(jiān)控報(bào)警流程為：當(dāng)傳感器監(jiān)測到泥漿液位可能存在異常變化或UWB定位技術(shù)定位得出的鉆修井作業(yè)節(jié)點(diǎn)超出安全范圍時(shí)，立刻將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機(jī)，并由上位機(jī)通過與數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行對比，判斷油田鉆修井作業(yè)人員是否存在安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，若存在則立即將返回信號(hào)傳輸?shù)絺鞲衅?，由傳感器上的?bào)警裝置發(fā)出報(bào)警聲，并顯示紅燈；若不存在則報(bào)警燈顯示綠燈，并且不發(fā)出任何報(bào)警聲，作業(yè)人員可繼續(xù)開展作業(yè)[9-10]。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)鉆修井作業(yè)狀態(tài)的進(jìn)一步細(xì)化，可在綠燈與紅燈之間設(shè)置藍(lán)燈、黃燈和橙燈3種不同顏色的警燈。當(dāng)藍(lán)燈亮起時(shí)，表示油田鉆修井作業(yè)過程中存在較多危險(xiǎn)因素，并且各個(gè)影響因素之間相互干擾造成了安全流失率提升，整個(gè)鉆修井作業(yè)從安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)黃燈亮起時(shí)，表示危險(xiǎn)進(jìn)一步發(fā)展，整個(gè)鉆修井作業(yè)已經(jīng)由風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥{狀態(tài)；當(dāng)橙燈亮起時(shí)，表示危險(xiǎn)處于即將爆發(fā)的狀態(tài)，整個(gè)油田鉆井作業(yè)從風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到危機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)安全事故。根據(jù)上述設(shè)定內(nèi)容，在實(shí)際鉆修井作業(yè)過程中，根據(jù)警燈顯示情況，井下作業(yè)人員可對自身所處安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，確保作業(yè)安全，以此實(shí)現(xiàn)油田鉆修井作業(yè)安全監(jiān)測。

2 對比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合油田實(shí)際開采情況和開采要求，本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用原則，制定油田鉆修井方案，為驗(yàn)證上文提出的基于UWB定位技術(shù)的油田鉆修井作業(yè)安全監(jiān)測方法，在鉆修井作業(yè)區(qū)域內(nèi)，分別設(shè)置遮擋區(qū)域Ⅰ、遮擋區(qū)域Ⅱ、電磁干擾區(qū)域Ⅰ、電磁干擾區(qū)域Ⅱ和無遮擋無干擾區(qū)域共5個(gè)不同區(qū)域。在進(jìn)行實(shí)際油田鉆修井作業(yè)過程中，確保作業(yè)方式、作業(yè)人員、作業(yè)環(huán)境等實(shí)驗(yàn)條件均在相同情況下，完成對比實(shí)驗(yàn)。

將本文安全監(jiān)測方法與傳統(tǒng)基于超聲波技術(shù)的監(jiān)測方法應(yīng)用于該鉆修井工作中，通過油田鉆修井作業(yè)監(jiān)測界面獲取油田鉆修作業(yè)人員的位置，針對該位置，對其安全作業(yè)進(jìn)行監(jiān)測和判斷。在已知鉆修井作業(yè)位置坐標(biāo)的情況下，將其作為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，選擇將2種安全監(jiān)測方法的定位結(jié)果橫縱坐標(biāo)誤差作為評價(jià)指標(biāo)，對比2種監(jiān)測方法的精度。油田鉆修井作業(yè)對作業(yè)人員的安全監(jiān)控主要是在結(jié)合井下液位變化的基礎(chǔ)上，判斷作業(yè)人員是否在安全的作業(yè)區(qū)域內(nèi)完成各項(xiàng)操作任務(wù)，并判斷作業(yè)人員是否在場，是否與泥漿位置保持安全距離。這些監(jiān)控要求，均要求安全監(jiān)測方法達(dá)到一定的定位精度。為確保油田鉆修井作業(yè)中人員的安全，對安全監(jiān)測方法提出的定位精度誤差上限應(yīng)不超過20cm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為更加直觀地對2種安全監(jiān)測方法進(jìn)行對比，利用Excel軟件將得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄并分析，見表2。

表2 2種監(jiān)測方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表Tab.2 The comparison of experimental results using two kinds of monitoring method 單位：cm

y表示為2種方法給出的監(jiān)測定位結(jié)果縱軸坐標(biāo)誤差

從表2可以看出，在無遮擋無干擾區(qū)域內(nèi)，2種監(jiān)測方法定位誤差均滿足油田鉆修井作業(yè)的定位精度要求。但在其他區(qū)域內(nèi)，由于傳統(tǒng)基于超聲波的監(jiān)測方法不具備抗干擾能力，并且沒有為定位提供補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制，因此產(chǎn)生較大的定位誤差，并且在遮擋區(qū)域I、遮擋區(qū)域II和電磁干擾區(qū)域I內(nèi)，定位誤差均超過油田鉆修井作業(yè)安全監(jiān)測的高精度定位要求。因此，通過對比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于UWB定位技術(shù)的油田鉆修井作業(yè)安全監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中具備更高的安全監(jiān)測精度，能夠?qū)崿F(xiàn)對鉆修井作業(yè)的高精度定位，確保作業(yè)人員的安全。

3 結(jié)論

(1)本文針對油田鉆修井作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測問題進(jìn)行深入探究，并結(jié)合UWB定位技術(shù)提出一種全新的安全監(jiān)測方法。

(2)通過將該監(jiān)測方法應(yīng)用于實(shí)際，證明該方法能夠有效減小監(jiān)測定位誤差，為作業(yè)人員提供更加安全的鉆修井作業(yè)條件。

(3)但由于研究時(shí)間有限，本文提出的監(jiān)測方法仍然存在很多不足，例如在進(jìn)行安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測報(bào)警時(shí)，數(shù)據(jù)的通信有效性還有待進(jìn)一步提高，針對鉆修井作業(yè)現(xiàn)場的其他參數(shù)還需要進(jìn)行更加全面的監(jiān)測等。因此，在后續(xù)研究中，針對這些問題還將進(jìn)行更加深入的研究。