下套管安全施工參數(shù)計(jì)算軟件手機(jī)版的開(kāi)發(fā)

摘 要

摘要：為解決現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件不便于鉆井現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)計(jì)算施工參數(shù)的問(wèn)題，以下套管波動(dòng)壓力計(jì)算模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用J2ME手機(jī)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)解決軟件手機(jī)客戶端和服務(wù)器端數(shù)據(jù)交換等技
摘要：為解決現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件不便于鉆井現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)計(jì)算施工參數(shù)的問(wèn)題，以下套管波動(dòng)壓力計(jì)算模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用J2ME手機(jī)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)解決軟件手機(jī)客戶端和服務(wù)器端數(shù)據(jù)交換等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了手機(jī)版下套管安全施工參數(shù)計(jì)算軟件。該軟件利用手機(jī)作為客戶端，輸入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果，利用基地計(jì)算機(jī)作為服務(wù)端，計(jì)算和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了特殊環(huán)境下的分析計(jì)算問(wèn)題。這為手機(jī)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸提供了更為寬廣的應(yīng)用空間，對(duì)既需要計(jì)算、數(shù)據(jù)交換又不便于計(jì)算機(jī)使用的野外惡劣環(huán)境提供了解決問(wèn)題的新途徑。
關(guān)鍵詞：固井；套管；井漏；施工參數(shù)；設(shè)計(jì)；計(jì)算軟件
0 引言
下套管作業(yè)是鉆井施工的重要工作，在套管下入過(guò)程中，套管串的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)壓力。當(dāng)套管與套管或套管與井眼間隙狹窄[1]時(shí)，下套管時(shí)必須控制套管(尾管)的下入速度和加速度以及循環(huán)流量，否則會(huì)發(fā)生井漏等復(fù)雜情況。因此，現(xiàn)場(chǎng)需要可以隨時(shí)精確計(jì)算施工參數(shù)的軟件，而目前軟件都是計(jì)算機(jī)軟件，現(xiàn)場(chǎng)使用不方便?；诖耍P者介紹了所開(kāi)發(fā)的手機(jī)版下套管安全施工參數(shù)計(jì)算軟件。
1 軟件的主要功能
    1) 在下入套管過(guò)程中如何控制其下入速度。以壓力窗口作為控制條件，計(jì)算當(dāng)套管下入速度達(dá)到多大時(shí)，所引起的波動(dòng)壓力折算的當(dāng)量密度到達(dá)壓力窗口，以此作為現(xiàn)場(chǎng)施工控制管柱的下入速度。
    2) 下入過(guò)程中允許開(kāi)泵循環(huán)的最大流量。在下入套管過(guò)程中如果遇阻，需開(kāi)泵循環(huán)時(shí)，同樣以壓力窗口作為控制條件，計(jì)算當(dāng)開(kāi)泵流量達(dá)到多大時(shí)，所引起的波動(dòng)壓力折算的當(dāng)量密度達(dá)到壓力窗口值，以此作為現(xiàn)場(chǎng)施工中控制開(kāi)泵流量的依據(jù)。
    以上的問(wèn)題均涉及波動(dòng)壓力的計(jì)算問(wèn)題。
2 軟件的理論模型
    通常在窄間隙下套管施工設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)預(yù)測(cè)的下部薄弱地層的“壓力窗口”(即漏失壓力與孔隙壓力的差值)和使用的鉆井液流變參數(shù)，計(jì)算套管(尾管)下到不同井深時(shí)允許的套管下放速度和開(kāi)泵循環(huán)流量，對(duì)固井工程施工方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。在下套管施工作業(yè)過(guò)程中，以地層實(shí)際壓力窗口為約束條件，在不同井深處，根據(jù)實(shí)際鉆井液性能參數(shù)，隨時(shí)計(jì)算出允許的套管(尾管)最大下放速度和循環(huán)流量?；蛘吒鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，及時(shí)調(diào)整可控技術(shù)參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供指導(dǎo)。軟件開(kāi)發(fā)需要的功能如下：
    下套管波動(dòng)壓力(pz)包括由液體靜切力引起的波動(dòng)壓力(pw)、運(yùn)動(dòng)管柱慣性引起的波動(dòng)壓力(pg)、液體黏滯阻力引起的波動(dòng)壓力(psx)和管柱截面突然擴(kuò)大(pkd)以及突然縮小(psx)的局部阻力損失之和，計(jì)算理論可參考相關(guān)文獻(xiàn)[2～4]，計(jì)算式如下：
    pz=pw+pg+pj+pkd+psx    (1)
    為方便計(jì)算，將每根套管長(zhǎng)度統(tǒng)一取12.00m，每個(gè)套管接箍取0.27m，在下套管過(guò)程中，將管柱視為堵口管，且流體為不循環(huán)狀態(tài)。每根套管的波動(dòng)壓力為兩段(即本體部分11.73m與接頭部分0.27m)波動(dòng)壓力之和。接頭部分包括兩個(gè)局部阻力，即突然擴(kuò)大和突然縮小。兩段的波動(dòng)壓力分別由鉆井液靜切力引起的波動(dòng)壓力、運(yùn)動(dòng)管柱慣性引起的波動(dòng)壓力和鉆井液黏滯阻力引起的波動(dòng)壓力組成。軟件計(jì)算結(jié)果輸出可以在數(shù)據(jù)結(jié)果和圖形結(jié)果中任選其一。結(jié)果包括套管到達(dá)任何井深時(shí)，套管允許的最大下入速度(v)；套管到達(dá)任何井深時(shí)，折算的下入一根套管所允許的最短時(shí)間(t)；套管到達(dá)任何井深時(shí)，如果套管遇阻，開(kāi)泵循環(huán)的最大流量(Q)和循環(huán)一周所需的時(shí)間(tq)。
    這些結(jié)果參數(shù)的計(jì)算均依賴于總的波動(dòng)壓力計(jì)算，總的波動(dòng)壓力值是關(guān)于鉆井液性能參數(shù)、井眼幾何參數(shù)、下入管柱的幾何參數(shù)和下入速度參數(shù)的復(fù)雜函數(shù)，從中無(wú)法解出關(guān)于結(jié)果參數(shù)的簡(jiǎn)單解析式，在計(jì)算中必須采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行循環(huán)求解。該軟件采用的是分段計(jì)算法，以每根套管長(zhǎng)度為計(jì)算點(diǎn)，在每一個(gè)計(jì)算段內(nèi)，采用循環(huán)迭代試算的方法進(jìn)行求解。
3 軟件的運(yùn)算模式
    由于該軟件采用循環(huán)迭代試算法求解，涉及的數(shù)據(jù)計(jì)算量較大。因此，主要計(jì)算功能無(wú)法用手機(jī)完成，需要與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，采用的方式如圖1所示。由手機(jī)客戶端提交計(jì)算參數(shù)，利用主控服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后利用計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生直觀的XY坐標(biāo)圖，再將圖片傳輸回手機(jī)并顯示。
 
   該方法不僅解決了數(shù)據(jù)計(jì)算速度問(wèn)題，而且計(jì)算結(jié)果可以保存在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以由多個(gè)手機(jī)客戶端反復(fù)調(diào)用，便于多名工程技術(shù)人員在不同地區(qū)、環(huán)境下共同參與指導(dǎo)、監(jiān)督工作，使現(xiàn)場(chǎng)在遇到復(fù)雜情況時(shí)可以及時(shí)得到油氣田資深專家的意見(jiàn)，人員之間的協(xié)調(diào)方式如圖2所示。
 
4 軟件的實(shí)現(xiàn)
    傳統(tǒng)的計(jì)算軟件往往基于PC機(jī)編寫，即使是移動(dòng)型的PC機(jī)，其移動(dòng)性也受到電池容量、使用環(huán)境和成本等的限制。并且野外環(huán)境往往比較惡劣，不利于PC機(jī)的使用與保養(yǎng)。該軟件從功能上分為客戶端和服務(wù)器端，客戶端即手機(jī)客戶端，而服務(wù)器端又分為前臺(tái)和后臺(tái)，前臺(tái)為編寫的服務(wù)器端程序，后臺(tái)為SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。
4.1 手機(jī)客戶端
    該軟件使用Java 2 Micro Edition(J2ME)編寫，需要MIDP2.0的支持。Java語(yǔ)言的特點(diǎn)是基于Java虛擬機(jī)運(yùn)行。因此，其跨平臺(tái)性能極其優(yōu)越。而現(xiàn)在非常普通的彩屏手機(jī)都支持MIDP2.0，已經(jīng)測(cè)試通過(guò)的手機(jī)型號(hào)包括Nokia 7610、Nokia N72以及Motorola V3等[5]。該軟件的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能是基于SOCKET編寫，使用UDP模式，它支持移動(dòng)GPRS和電信CDMA網(wǎng)。客戶端的功能是提交計(jì)算參數(shù)、計(jì)算結(jié)果的顯示和少量計(jì)算功能。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要技術(shù)難點(diǎn)及解決方案如下：
    1) UDP數(shù)據(jù)傳輸可能存在的丟包問(wèn)題。UDP傳輸是不基于連接的不可靠傳輸，當(dāng)手機(jī)客戶端遇到網(wǎng)絡(luò)不通暢、服務(wù)器負(fù)載過(guò)高等原因時(shí)，易造成數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題。傳輸計(jì)算數(shù)據(jù)不同于傳輸視頻、圖片等影像文件，即使是不嚴(yán)重的丟包也是不允許的。為了解決該問(wèn)題，采用在接收數(shù)據(jù)后增加了重發(fā)響應(yīng)機(jī)制代碼，即：發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包，當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)包后，立刻發(fā)送一個(gè)消息給發(fā)送端，表示其已經(jīng)收到數(shù)據(jù)，而發(fā)送端接收到該消息才繼續(xù)下一步，否則將重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。
    2) 比例尺不當(dāng)造成XY坐標(biāo)圖顯示效果不佳問(wèn)題。由于每次計(jì)算的情況不同，數(shù)據(jù)差異較大。計(jì)算結(jié)果變化范圍較大，如果采用固定的坐標(biāo)顯示范圍，在不同型號(hào)的手機(jī)上，就會(huì)造成圖像過(guò)大或過(guò)小，影響觀察效果。解決方法是將坐標(biāo)圖的比例尺乘以一個(gè)初始值為1的變量，當(dāng)用戶需要擴(kuò)大比例尺時(shí)則將該變量乘以2，縮小比例尺時(shí)除以2。而用戶可以通過(guò)手機(jī)上客戶端來(lái)控制比例尺的大小。
4.2 服務(wù)器端
    服務(wù)端軟件采用微軟C#2.0語(yǔ)言編寫，該語(yǔ)言具有面向?qū)ο?、封裝性好、支持多線程和網(wǎng)絡(luò)編程功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。服務(wù)器端的主要功能是完成主要計(jì)算任務(wù)，并將計(jì)算結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并將計(jì)算結(jié)果以XY坐標(biāo)圖形式傳輸回發(fā)出請(qǐng)求的客戶端。主要技術(shù)難點(diǎn)及解決方案如下：
    1) UDP打洞問(wèn)題。軟件在運(yùn)行時(shí)服務(wù)端是運(yùn)行在有公共網(wǎng)IP服務(wù)器上的，而客戶端則是運(yùn)行在處于某移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)關(guān)之內(nèi)的特定手機(jī)上的，也就是說(shuō)服務(wù)端與客戶端的數(shù)據(jù)交換是在外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)之間進(jìn)行的。因此，筆者采取客戶端的接受端口使用其發(fā)送端口相同的端口號(hào)。即當(dāng)客戶端向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求后，服務(wù)端記錄客戶端的遠(yuǎn)程端口-RemotePort，當(dāng)服務(wù)端接收到客戶端請(qǐng)求后直接向該RemotePort發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣網(wǎng)關(guān)、路由器會(huì)自動(dòng)映射該RemotePort至客戶端，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
    2) 多客戶端連接問(wèn)題。該問(wèn)題主要是如何保證一個(gè)服務(wù)端同時(shí)接受多個(gè)客戶端請(qǐng)求而不沖突。筆者采用的解決方案是一個(gè)Winsock配合多線程的方式。所使用的Winsock控件只有一個(gè)，當(dāng)客戶端A、B同時(shí)向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其數(shù)據(jù)包A、B中包含有各自的用戶標(biāo)識(shí)，服務(wù)端分別記錄其用戶標(biāo)識(shí)A、B，客戶端端口A、B以及IP地址A、B。并分別建立線程A、B，線程A、B分別負(fù)責(zé)IP地址A、B的數(shù)據(jù)傳輸。該模式的優(yōu)點(diǎn)是只占用一個(gè)端口，缺點(diǎn)是當(dāng)同時(shí)請(qǐng)求連接的用戶過(guò)多時(shí)響應(yīng)速度下降?？紤]該軟件使用的實(shí)際情況，一般每秒向服務(wù)器請(qǐng)求連接的客戶端數(shù)量不會(huì)超過(guò)10個(gè)，因此該方案完全可行。
4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)
    該軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)端運(yùn)行在遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)器上。數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟SQL Server2000系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、穩(wěn)定及支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍匦?。該系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)表包括：用戶列表、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算結(jié)果、Image等。其中Image用來(lái)記錄相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果生成的XY圖像，圖像字段的數(shù)據(jù)類型為image型。當(dāng)用戶所提交的計(jì)算參數(shù)已經(jīng)存在相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果時(shí)，軟件可以按照用戶的意愿直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的XY圖像，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。
5 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)將開(kāi)發(fā)的軟件在江漢、南陽(yáng)兩油氣田現(xiàn)場(chǎng)使用，實(shí)現(xiàn)了軟件的全部功能。由此得出以下結(jié)論：
    1) 窄間隙下套管過(guò)程中產(chǎn)生的附加波動(dòng)壓力，易產(chǎn)生井漏等復(fù)雜情況，需要在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算分析。
    2) 該軟件利用手機(jī)作為客戶端，輸入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果，利用基地計(jì)算機(jī)作為服務(wù)端，計(jì)算和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了特殊環(huán)境下的分析計(jì)算問(wèn)題。該軟件可以為鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工提供下套管技術(shù)參數(shù)，為安全鉆井提供技術(shù)保障。
    3) 該軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)為手機(jī)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸提供了更為寬廣的應(yīng)用空間，對(duì)既需要計(jì)算、數(shù)據(jù)交換又不便于計(jì)算機(jī)使用的野外惡劣環(huán)境提供了新的方法。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：王越之 鐘文建 于志強(qiáng) 程波 甘新星 “油氣鉆采工程”湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)江大學(xué))