摘要：为解决现有的计算机软件不便于钻井现场随时计算施工参数的问题，以下套管波动压力计算模型为基础，运用J2ME手机软件开发技术，通过解决软件手机客户端和服务器端数据交换等技术，开发了手机版下套管安全施工参数计算软件。该软件利用手机作为客户端，输入数据和显示结果，利用基地计算机作为服务端，计算和储存数据，通过远程数据传输技术，实现了特殊环境下的分析计算问题。这为手机进行复杂计算和数据传输提供了更为宽广的应用空间，对既需要计算、数据交换又不便于计算机使用的野外恶劣环境提供了解决问题的新途径。
关键词：固井；套管；井漏；施工参数；设计；计算软件
0 引言
下套管作业是钻井施工的重要工作，在套管下入过程中，套管串的运动会产生波动压力。当套管与套管或套管与井眼间隙狭窄[1]时，下套管时必须控制套管(尾管)的下入速度和加速度以及循环流量，否则会发生井漏等复杂情况。因此，现场需要可以随时精确计算施工参数的软件，而目前软件都是计算机软件，现场使用不方便。基于此，笔者介绍了所开发的手机版下套管安全施工参数计算软件。
1 软件的主要功能
1) 在下入套管过程中如何控制其下入速度。以压力窗口作为控制条件，计算当套管下入速度达到多大时，所引起的波动压力折算的当量密度到达压力窗口，以此作为现场施工控制管柱的下入速度。
2) 下入过程中允许开泵循环的最大流量。在下入套管过程中如果遇阻，需开泵循环时，同样以压力窗口作为控制条件，计算当开泵流量达到多大时，所引起的波动压力折算的当量密度达到压力窗口值，以此作为现场施工中控制开泵流量的依据。
以上的问题均涉及波动压力的计算问题。
2 软件的理论模型
通常在窄间隙下套管施工设计时，需要根据预测的下部薄弱地层的“压力窗口”(即漏失压力与孔隙压力的差值)和使用的钻井液流变参数，计算套管(尾管)下到不同井深时允许的套管下放速度和开泵循环流量，对固井工程施工方案进行评估和优化。在下套管施工作业过程中，以地层实际压力窗口为约束条件，在不同井深处，根据实际钻井液性能参数，随时计算出允许的套管(尾管)最大下放速度和循环流量。或者根据现场需要，及时调整可控技术参数，为现场作业提供指导。软件开发需要的功能如下：
下套管波动压力(pz)包括由液体静切力引起的波动压力(pw)、运动管柱惯性引起的波动压力(pg)、液体黏滞阻力引起的波动压力(psx)和管柱截面突然扩大(pkd)以及突然缩小(psx)的局部阻力损失之和，计算理论可参考相关文献[2～4]，计算式如下：
pz=pw+pg+pj+pkd+psx (1)
为方便计算，将每根套管长度统一取12.00m，每个套管接箍取0.27m，在下套管过程中，将管柱视为堵口管，且流体为不循环状态。每根套管的波动压力为两段(即本体部分11.73m与接头部分0.27m)波动压力之和。接头部分包括两个局部阻力，即突然扩大和突然缩小。两段的波动压力分别由钻井液静切力引起的波动压力、运动管柱惯性引起的波动压力和钻井液黏滞阻力引起的波动压力组成。软件计算结果输出可以在数据结果和图形结果中任选其一。结果包括套管到达任何井深时，套管允许的最大下入速度(v)；套管到达任何井深时，折算的下入一根套管所允许的最短时间(t)；套管到达任何井深时，如果套管遇阻，开泵循环的最大流量(Q)和循环一周所需的时间(tq)。
这些结果参数的计算均依赖于总的波动压力计算，总的波动压力值是关于钻井液性能参数、井眼几何参数、下入管柱的几何参数和下入速度参数的复杂函数，从中无法解出关于结果参数的简单解析式，在计算中必须采用数值计算方法进行循环求解。该软件采用的是分段计算法，以每根套管长度为计算点，在每一个计算段内，采用循环迭代试算的方法进行求解。
3 软件的运算模式
由于该软件采用循环迭代试算法求解，涉及的数据计算量较大。因此，主要计算功能无法用手机完成，需要与服务器进行数据通讯，采用的方式如图1所示。由手机客户端提交计算参数，利用主控服务器进行计算，计算后利用计算结果产生直观的XY坐标图，再将图片传输回手机并显示。
该方法不仅解决了数据计算速度问题，而且计算结果可以保存在服务器的数据库中，可以由多个手机客户端反复调用，便于多名工程技术人员在不同地区、环境下共同参与指导、监督工作，使现场在遇到复杂情况时可以及时得到油气田资深专家的意见，人员之间的协调方式如图2所示。
4 软件的实现
传统的计算软件往往基于PC机编写，即使是移动型的PC机，其移动性也受到电池容量、使用环境和成本等的限制。并且野外环境往往比较恶劣，不利于PC机的使用与保养。该软件从功能上分为客户端和服务器端，客户端即手机客户端，而服务器端又分为前台和后台，前台为编写的服务器端程序，后台为SQL Server数据库。
4.1 手机客户端
该软件使用Java 2 Micro Edition(J2ME)编写，需要MIDP2.0的支持。Java语言的特点是基于Java虚拟机运行。因此，其跨平台性能极其优越。而现在非常普通的彩屏手机都支持MIDP2.0，已经测试通过的手机型号包括Nokia 7610、Nokia N72以及Motorola V3等[5]。该软件的网络传输功能是基于SOCKET编写，使用UDP模式，它支持移动GPRS和电信CDMA网。客户端的功能是提交计算参数、计算结果的显示和少量计算功能。软件开发过程中的主要技术难点及解决方案如下：
1) UDP数据传输可能存在的丢包问题。UDP传输是不基于连接的不可靠传输，当手机客户端遇到网络不通畅、服务器负载过高等原因时，易造成数据丢包问题。传输计算数据不同于传输视频、图片等影像文件，即使是不严重的丢包也是不允许的。为了解决该问题，采用在接收数据后增加了重发响应机制代码，即：发送端发送数据包，当接收端接收到数据包后，立刻发送一个消息给发送端，表示其已经收到数据，而发送端接收到该消息才继续下一步，否则将重复发送数据包。
2) 比例尺不当造成XY坐标图显示效果不佳问题。由于每次计算的情况不同，数据差异较大。计算结果变化范围较大，如果采用固定的坐标显示范围，在不同型号的手机上，就会造成图像过大或过小，影响观察效果。解决方法是将坐标图的比例尺乘以一个初始值为1的变量，当用户需要扩大比例尺时则将该变量乘以2，缩小比例尺时除以2。而用户可以通过手机上客户端来控制比例尺的大小。
4.2 服务器端
服务端软件采用微软C#2.0语言编写，该语言具有面向对象、封装性好、支持多线程和网络编程功能强大等特点。服务器端的主要功能是完成主要计算任务，并将计算结果和相关数据存入数据库，并将计算结果以XY坐标图形式传输回发出请求的客户端。主要技术难点及解决方案如下：
1) UDP打洞问题。软件在运行时服务端是运行在有公共网IP服务器上的，而客户端则是运行在处于某移动运营商网关之内的特定手机上的，也就是说服务端与客户端的数据交换是在外网与内网之间进行的。因此，笔者采取客户端的接受端口使用其发送端口相同的端口号。即当客户端向服务端发送请求后，服务端记录客户端的远程端口-RemotePort，当服务端接收到客户端请求后直接向该RemotePort发送数据。这样网关、路由器会自动映射该RemotePort至客户端，并转发数据。
2) 多客户端连接问题。该问题主要是如何保证一个服务端同时接受多个客户端请求而不冲突。笔者采用的解决方案是一个Winsock配合多线程的方式。所使用的Winsock控件只有一个，当客户端A、B同时向服务端发送数据时，其数据包A、B中包含有各自的用户标识，服务端分别记录其用户标识A、B，客户端端口A、B以及IP地址A、B。并分别建立线程A、B，线程A、B分别负责IP地址A、B的数据传输。该模式的优点是只占用一个端口，缺点是当同时请求连接的用户过多时响应速度下降。考虑该软件使用的实际情况，一般每秒向服务器请求连接的客户端数量不会超过10个，因此该方案完全可行。
4.3 数据库
该软件的数据库和服务端运行在远离施工现场的服务器上。数据库采用微软SQL Server2000系统，该系统具有功能强大、稳定及支持网络传输等特性。该系统的主要数据表包括：用户列表、计算参数、计算结果、Image等。其中Image用来记录相应的计算结果生成的XY图像，图像字段的数据类型为image型。当用户所提交的计算参数已经存在相应的计算结果时，软件可以按照用户的意愿直接从数据库中调用相应的XY图像，从而节省计算时间。
5 结束语
通过将开发的软件在江汉、南阳两油气田现场使用，实现了软件的全部功能。由此得出以下结论：
1) 窄间隙下套管过程中产生的附加波动压力，易产生井漏等复杂情况，需要在设计和施工过程中，根据具体情况进行计算分析。
2) 该软件利用手机作为客户端，输入数据和显示结果，利用基地计算机作为服务端，计算和储存数据，通过远程数据传输技术，实现了特殊环境下的分析计算问题。该软件可以为钻井现场施工提供下套管技术参数，为安全钻井提供技术保障。
3) 该软件开发技术为手机进行复杂计算和数据传输提供了更为宽广的应用空间，对既需要计算、数据交换又不便于计算机使用的野外恶劣环境提供了新的方法。
参考文献
[1] 王越之，段异生，王友华，等.南海高温高压气井固井存在的问题及对策[J].中国海上油气：工程，2002，14(2)：35-37.
[2] 樊洪海，褚元林，刘希圣.起下钻时井眼内动态波动压力的预测[J].石油大学学报：自然科学版，1995，19(5)：36-41.
[3] 管志川，宋洵成.波动压力约束条件下套管与井眼之间环空间隙的研究[J].石油大学学报：自然科学版，1999，23(6)：33-35.
[4] 钟兵，施太和.小井眼侧钻水平中波动压力计算模型[J].西南石油学院学报，1999，21(1)：52-55.
[5] 于志强，王越之，刘魁威，等.基于J2ME的超移动钻井软件开发[J].石油工业计算机应用，2007，16(4)：36-38.
(本文作者：王越之 钟文建 于志强 程波 甘新星 “油气钻采工程”湖北省重点实验室 长江大学)
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