下套管安全施工參數(shù)計算軟件手機版的開發(fā)

摘 要

摘要：為解決現(xiàn)有的計算機軟件不便于鉆井現(xiàn)場隨時計算施工參數(shù)的問題，以下套管波動壓力計算模型為基礎，運用J2ME手機軟件開發(fā)技術(shù)，通過解決軟件手機客戶端和服務器端數(shù)據(jù)交換等技
摘要：為解決現(xiàn)有的計算機軟件不便于鉆井現(xiàn)場隨時計算施工參數(shù)的問題，以下套管波動壓力計算模型為基礎，運用J2ME手機軟件開發(fā)技術(shù)，通過解決軟件手機客戶端和服務器端數(shù)據(jù)交換等技術(shù)，開發(fā)了手機版下套管安全施工參數(shù)計算軟件。該軟件利用手機作為客戶端，輸入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果，利用基地計算機作為服務端，計算和儲存數(shù)據(jù)，通過遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了特殊環(huán)境下的分析計算問題。這為手機進行復雜計算和數(shù)據(jù)傳輸提供了更為寬廣的應用空間，對既需要計算、數(shù)據(jù)交換又不便于計算機使用的野外惡劣環(huán)境提供了解決問題的新途徑。
關(guān)鍵詞：固井；套管；井漏；施工參數(shù)；設計；計算軟件
0 引言
下套管作業(yè)是鉆井施工的重要工作，在套管下入過程中，套管串的運動會產(chǎn)生波動壓力。當套管與套管或套管與井眼間隙狹窄[1]時，下套管時必須控制套管(尾管)的下入速度和加速度以及循環(huán)流量，否則會發(fā)生井漏等復雜情況。因此，現(xiàn)場需要可以隨時精確計算施工參數(shù)的軟件，而目前軟件都是計算機軟件，現(xiàn)場使用不方便?；诖耍P者介紹了所開發(fā)的手機版下套管安全施工參數(shù)計算軟件。
1 軟件的主要功能
    1) 在下入套管過程中如何控制其下入速度。以壓力窗口作為控制條件，計算當套管下入速度達到多大時，所引起的波動壓力折算的當量密度到達壓力窗口，以此作為現(xiàn)場施工控制管柱的下入速度。
    2) 下入過程中允許開泵循環(huán)的最大流量。在下入套管過程中如果遇阻，需開泵循環(huán)時，同樣以壓力窗口作為控制條件，計算當開泵流量達到多大時，所引起的波動壓力折算的當量密度達到壓力窗口值，以此作為現(xiàn)場施工中控制開泵流量的依據(jù)。
    以上的問題均涉及波動壓力的計算問題。
2 軟件的理論模型
    通常在窄間隙下套管施工設計時，需要根據(jù)預測的下部薄弱地層的“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)，計算套管(尾管)下到不同井深時允許的套管下放速度和開泵循環(huán)流量，對固井工程施工方案進行評估和優(yōu)化。在下套管施工作業(yè)過程中，以地層實際壓力窗口為約束條件，在不同井深處，根據(jù)實際鉆井液性能參數(shù)，隨時計算出允許的套管(尾管)最大下放速度和循環(huán)流量?；蛘吒鶕?jù)現(xiàn)場需要，及時調(diào)整可控技術(shù)參數(shù)，為現(xiàn)場作業(yè)提供指導。軟件開發(fā)需要的功能如下：
    下套管波動壓力(pz)包括由液體靜切力引起的波動壓力(pw)、運動管柱慣性引起的波動壓力(pg)、液體黏滯阻力引起的波動壓力(psx)和管柱截面突然擴大(pkd)以及突然縮小(psx)的局部阻力損失之和，計算理論可參考相關(guān)文獻[2～4]，計算式如下：
    pz=pw+pg+pj+pkd+psx    (1)
    為方便計算，將每根套管長度統(tǒng)一取12.00m，每個套管接箍取0.27m，在下套管過程中，將管柱視為堵口管，且流體為不循環(huán)狀態(tài)。每根套管的波動壓力為兩段(即本體部分11.73m與接頭部分0.27m)波動壓力之和。接頭部分包括兩個局部阻力，即突然擴大和突然縮小。兩段的波動壓力分別由鉆井液靜切力引起的波動壓力、運動管柱慣性引起的波動壓力和鉆井液黏滯阻力引起的波動壓力組成。軟件計算結(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)果包括套管到達任何井深時，套管允許的最大下入速度(v)；套管到達任何井深時，折算的下入一根套管所允許的最短時間(t)；套管到達任何井深時，如果套管遇阻，開泵循環(huán)的最大流量(Q)和循環(huán)一周所需的時間(tq)。
    這些結(jié)果參數(shù)的計算均依賴于總的波動壓力計算，總的波動壓力值是關(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)的復雜函數(shù)，從中無法解出關(guān)于結(jié)果參數(shù)的簡單解析式，在計算中必須采用數(shù)值計算方法進行循環(huán)求解。該軟件采用的是分段計算法，以每根套管長度為計算點，在每一個計算段內(nèi)，采用循環(huán)迭代試算的方法進行求解。
3 軟件的運算模式
    由于該軟件采用循環(huán)迭代試算法求解，涉及的數(shù)據(jù)計算量較大。因此，主要計算功能無法用手機完成，需要與服務器進行數(shù)據(jù)通訊，采用的方式如圖1所示。由手機客戶端提交計算參數(shù)，利用主控服務器進行計算，計算后利用計算結(jié)果產(chǎn)生直觀的XY坐標圖，再將圖片傳輸回手機并顯示。
 
   該方法不僅解決了數(shù)據(jù)計算速度問題，而且計算結(jié)果可以保存在服務器的數(shù)據(jù)庫中，可以由多個手機客戶端反復調(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、監(jiān)督工作，使現(xiàn)場在遇到復雜情況時可以及時得到油氣田資深專家的意見，人員之間的協(xié)調(diào)方式如圖2所示。
 
4 軟件的實現(xiàn)
    傳統(tǒng)的計算軟件往往基于PC機編寫，即使是移動型的PC機，其移動性也受到電池容量、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機的使用與保養(yǎng)。該軟件從功能上分為客戶端和服務器端，客戶端即手機客戶端，而服務器端又分為前臺和后臺，前臺為編寫的服務器端程序，后臺為SQL Server數(shù)據(jù)庫。
4.1 手機客戶端
    該軟件使用Java 2 Micro Edition(J2ME)編寫，需要MIDP2.0的支持。Java語言的特點是基于Java虛擬機運行。因此，其跨平臺性能極其優(yōu)越。而現(xiàn)在非常普通的彩屏手機都支持MIDP2.0，已經(jīng)測試通過的手機型號包括Nokia 7610、Nokia N72以及Motorola V3等[5]。該軟件的網(wǎng)絡傳輸功能是基于SOCKET編寫，使用UDP模式，它支持移動GPRS和電信CDMA網(wǎng)?？蛻舳说墓δ苁翘峤挥嬎銋?shù)、計算結(jié)果的顯示和少量計算功能。軟件開發(fā)過程中的主要技術(shù)難點及解決方案如下：
    1) UDP數(shù)據(jù)傳輸可能存在的丟包問題。UDP傳輸是不基于連接的不可靠傳輸，當手機客戶端遇到網(wǎng)絡不通暢、服務器負載過高等原因時，易造成數(shù)據(jù)丟包問題。傳輸計算數(shù)據(jù)不同于傳輸視頻、圖片等影像文件，即使是不嚴重的丟包也是不允許的。為了解決該問題，采用在接收數(shù)據(jù)后增加了重發(fā)響應機制代碼，即：發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包，當接收端接收到數(shù)據(jù)包后，立刻發(fā)送一個消息給發(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，否則將重復發(fā)送數(shù)據(jù)包。
    2) 比例尺不當造成XY坐標圖顯示效果不佳問題。由于每次計算的情況不同，數(shù)據(jù)差異較大。計算結(jié)果變化范圍較大，如果采用固定的坐標顯示范圍，在不同型號的手機上，就會造成圖像過大或過小，影響觀察效果。解決方法是將坐標圖的比例尺乘以一個初始值為1的變量，當用戶需要擴大比例尺時則將該變量乘以2，縮小比例尺時除以2。而用戶可以通過手機上客戶端來控制比例尺的大小。
4.2 服務器端
    服務端軟件采用微軟C#2.0語言編寫，該語言具有面向?qū)ο?、封裝性好、支持多線程和網(wǎng)絡編程功能強大等特點。服務器端的主要功能是完成主要計算任務，并將計算結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并將計算結(jié)果以XY坐標圖形式傳輸回發(fā)出請求的客戶端。主要技術(shù)難點及解決方案如下：
    1) UDP打洞問題。軟件在運行時服務端是運行在有公共網(wǎng)IP服務器上的，而客戶端則是運行在處于某移動運營商網(wǎng)關(guān)之內(nèi)的特定手機上的，也就是說服務端與客戶端的數(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。即當客戶端向服務端發(fā)送請求后，服務端記錄客戶端的遠程端口-RemotePort，當服務端接收到客戶端請求后直接向該RemotePort發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣網(wǎng)關(guān)、路由器會自動映射該RemotePort至客戶端，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
    2) 多客戶端連接問題。該問題主要是如何保證一個服務端同時接受多個客戶端請求而不沖突。筆者采用的解決方案是一個Winsock配合多線程的方式。所使用的Winsock控件只有一個，當客戶端A、B同時向服務端發(fā)送數(shù)據(jù)時，其數(shù)據(jù)包A、B中包含有各自的用戶標識，服務端分別記錄其用戶標識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分別負責IP地址A、B的數(shù)據(jù)傳輸。該模式的優(yōu)點是只占用一個端口，缺點是當同時請求連接的用戶過多時響應速度下降?？紤]該軟件使用的實際情況，一般每秒向服務器請求連接的客戶端數(shù)量不會超過10個，因此該方案完全可行。
4.3 數(shù)據(jù)庫
    該軟件的數(shù)據(jù)庫和服務端運行在遠離施工現(xiàn)場的服務器上。數(shù)據(jù)庫采用微軟SQL Server2000系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有功能強大、穩(wěn)定及支持網(wǎng)絡傳輸?shù)忍匦?。該系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)表包括：用戶列表、計算參數(shù)、計算結(jié)果、Image等。其中Image用來記錄相應的計算結(jié)果生成的XY圖像，圖像字段的數(shù)據(jù)類型為image型。當用戶所提交的計算參數(shù)已經(jīng)存在相應的計算結(jié)果時，軟件可以按照用戶的意愿直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應的XY圖像，從而節(jié)省計算時間。
5 結(jié)束語
    通過將開發(fā)的軟件在江漢、南陽兩油氣田現(xiàn)場使用，實現(xiàn)了軟件的全部功能。由此得出以下結(jié)論：
    1) 窄間隙下套管過程中產(chǎn)生的附加波動壓力，易產(chǎn)生井漏等復雜情況，需要在設計和施工過程中，根據(jù)具體情況進行計算分析。
    2) 該軟件利用手機作為客戶端，輸入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果，利用基地計算機作為服務端，計算和儲存數(shù)據(jù)，通過遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了特殊環(huán)境下的分析計算問題。該軟件可以為鉆井現(xiàn)場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) 該軟件開發(fā)技術(shù)為手機進行復雜計算和數(shù)據(jù)傳輸提供了更為寬廣的應用空間，對既需要計算、數(shù)據(jù)交換又不便于計算機使用的野外惡劣環(huán)境提供了新的方法。
參考文獻
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[2] 樊洪海，褚元林，劉希圣.起下鉆時井眼內(nèi)動態(tài)波動壓力的預測[J].石油大學學報：自然科學版，1995，19(5)：36-41.
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[5] 于志強，王越之，劉魁威，等.基于J2ME的超移動鉆井軟件開發(fā)[J].石油工業(yè)計算機應用，2007，16(4)：36-38.
 
(本文作者：王越之 鐘文建 于志強 程波 甘新星 “油氣鉆采工程”湖北省重點實驗室 長江大學)