“三高”油氣井溢流監(jiān)測(cè)方法研究

岳煒杰 孫偉峰 戴永壽 李立剛 張亞南

（中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東東營(yíng) 257061）

“三高”油氣井溢流監(jiān)測(cè)方法研究

岳煒杰 孫偉峰 戴永壽 李立剛 張亞南

（中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東東營(yíng) 257061）

井噴是鉆井過程中最為嚴(yán)重的鉆井事故，溢流是井噴的先兆，優(yōu)化溢流監(jiān)測(cè)方法，提高監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)鉆井具有重要意義。分析了溢流發(fā)生的原因及其表現(xiàn)形式，根據(jù)所采用的參數(shù)和監(jiān)測(cè)形式的不同將現(xiàn)有的溢流監(jiān)測(cè)方法總結(jié)為6類，對(duì)這6類監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用性以及所涉及到的數(shù)據(jù)處理方法作了深入剖析比較。在此基礎(chǔ)上，提出了一套基于隨鉆壓力測(cè)量、微流量監(jiān)測(cè)與綜合錄井參數(shù)的溢流先兆在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。最后對(duì)控壓鉆井技術(shù)、隨鉆測(cè)井技術(shù)和隨鉆壓力測(cè)量技術(shù)在溢流監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)做了展望，并指出了限制溢流監(jiān)測(cè)的主要因素。

溢流監(jiān)測(cè)；井噴；控壓鉆井；隨鉆測(cè)井；隨鉆壓力測(cè)量

防止井噴、監(jiān)控溢流是安全鉆井的前提和保證［1-5］。目前，一般通過監(jiān)測(cè)鉆井液池液位的變化來判斷溢流，以達(dá)到防止井噴的目的［6］。液位的監(jiān)測(cè)主要由作業(yè)人員坐崗和鉆井液液位監(jiān)測(cè)儀來完成，人工坐崗監(jiān)測(cè)雖然可行但是實(shí)時(shí)性和可靠性不能保證；液面監(jiān)測(cè)儀受鉆井液結(jié)垢等因素的影響可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)報(bào)和誤報(bào)。此外，鉆井液池液位的變化與實(shí)際的地層流體進(jìn)入井筒之間存在著較長(zhǎng)的時(shí)間延遲，當(dāng)鉆井液池液面變化達(dá)到一定高度時(shí)，實(shí)際的溢流已經(jīng)十分嚴(yán)重，井噴預(yù)測(cè)缺乏實(shí)時(shí)性。在天然氣鉆井中，出現(xiàn)液面變化到發(fā)生井噴的時(shí)間較短，大多數(shù)井從發(fā)現(xiàn)溢流到井噴時(shí)間只有5～10 min，有的時(shí)間更短，甚至溢流和井噴同時(shí)發(fā)生，幾乎沒有應(yīng)急處理的時(shí)間。溢流監(jiān)測(cè)的原理并不復(fù)雜，但是由于溢流現(xiàn)象的模糊性和不確定性，測(cè)量條件和設(shè)備的限制以及監(jiān)測(cè)方案的缺陷，使得溢流監(jiān)測(cè)達(dá)不到預(yù)期的效果。尤其是在高溫、高壓、高含硫地區(qū)的勘探開發(fā)過程中，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境使溢流頻繁發(fā)生；而且以高風(fēng)險(xiǎn)、高投資、高難度為特點(diǎn)的深水鉆井，溢流監(jiān)測(cè)的難度更大，形勢(shì)更加嚴(yán)峻［7-10］。筆者闡述了引發(fā)溢流的原因及其溢流發(fā)生后的表現(xiàn)形式。把現(xiàn)有的溢流監(jiān)測(cè)方法總結(jié)為6類：利用鉆井液相關(guān)參數(shù)的變化監(jiān)測(cè)溢流；通過綜合錄井儀采集的相關(guān)錄井參數(shù)監(jiān)測(cè)溢流；聲波氣侵監(jiān)測(cè)法；基于控壓鉆井技術(shù)監(jiān)測(cè)溢流；基于隨鉆井底測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)溢流；分析地層巖性和孔隙度進(jìn)行溢流預(yù)警，并具體分析其優(yōu)缺點(diǎn)、適用性。同時(shí)，歸納了應(yīng)用于溢流監(jiān)測(cè)的5種數(shù)據(jù)處理方法：閾值法、數(shù)學(xué)建模法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、貝葉斯判別分析。在此基礎(chǔ)上，提出了一套基于隨鉆壓力測(cè)量、微流量監(jiān)測(cè)與綜合錄井參數(shù)的溢流先兆在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。并指出了限制溢流監(jiān)測(cè)效果的主要原因。

1 溢流發(fā)生的原因及表現(xiàn)形式

1.1 溢流發(fā)生的原因

溢流發(fā)生的直接原因是地層孔隙壓力大于井筒環(huán)空壓力，地層孔隙壓力升高或井筒環(huán)空壓力降低都有可能引發(fā)溢流。在實(shí)際鉆井過程中，引發(fā)溢流有以下原因［11］：

（1）鉆遇異常高壓地層，地層壓力驅(qū)使地層流體侵入井筒，引發(fā)溢流。

（2）地層壓力掌握不準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的鉆井液密度過低；下套管時(shí)，引發(fā)地層破裂。

（3）在井底壓力近平衡狀態(tài)時(shí)停泵，環(huán)空壓耗消失，地層流體侵入井筒，引發(fā)溢流。

（4）起下鉆時(shí)，抽汲作用引發(fā)溢流。

（5）起鉆時(shí)未按規(guī)定灌入鉆井液，使井筒液面下降，當(dāng)鉆井液液柱壓力降低到不能平衡地層壓力時(shí)，地層流體侵入井筒，引發(fā)溢流。

（6）井漏時(shí)鉆井液補(bǔ)充不足，使井筒液面下降或補(bǔ)充的鉆井液密度不足以平衡地層壓力，地層流體侵入井筒，引發(fā)溢流。

（7）鄰井采油實(shí)施注水開發(fā)，導(dǎo)致地層流體侵入本井。

（8）其他原因。中途測(cè)試控制不好，鉆到鄰井中去；以過快的速度鉆穿含氣的砂巖層，射孔時(shí)控制不住，固井時(shí)水泥的失重等情況都可能造成井內(nèi)的靜液柱壓力不足以平衡或超過地層壓力，引發(fā)溢流。

1.2 溢流的表現(xiàn)形式

當(dāng)溢流發(fā)生時(shí)，在地面上可以看到一些相關(guān)的征兆或者參數(shù)的變化，盡管這些征兆和參數(shù)變化不一定意味著有溢流發(fā)生，但預(yù)示著有潛在的溢流存在。其征兆和參數(shù)變化［11］有：

（1）鉆井液相關(guān)參數(shù)的變化，由于地層流體侵入井筒，井口返出液體不僅有鉆井液，還包括侵入井筒的地層流體，導(dǎo)致鉆井液出口流量增加，鉆井液池體積增加，鉆井液密度減小，鉆井液電導(dǎo)率升高或降低，鉆井液溫度升高或降低等。

（2）泵壓和立管壓力短時(shí)上升繼而下降，鉆開高壓層后，井底壓力增加，泵壓和立管壓力短時(shí)上升，但由于油、氣、水的侵入使鉆井液密度降低，泵壓和立管壓力轉(zhuǎn)而下降。

（3）大鉤負(fù)荷增加［2］，井內(nèi)液體對(duì)鉆具有浮力作用，當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入井筒后，鉆井液密度降低，浮力作用減小，大鉤負(fù)荷增加；當(dāng)?shù)貙恿黧w侵入量很大時(shí)，鉆具受到向上的推力，大鉤負(fù)荷會(huì)短時(shí)減小，是即將發(fā)生井噴的前兆。

（4）硫化氫濃度、烴類或氯根含量增高，氣體檢測(cè)出現(xiàn)單根峰值增大，氣體基值升高，后效氣升高，停泵氣顯示升高［12-13］。

（5）井底參數(shù)的變化，井底環(huán)空壓力升高，井底環(huán)空溫度升高或降低［14］。

（6）鉆速突然增加，鉆壓、扭矩和鉆時(shí)突然下降、懸重突升，即出現(xiàn)放空現(xiàn)象，這說明可能鉆遇異常高壓地層或油、氣、水層。

（7）停泵后鉆井液外溢。

（8）起鉆時(shí)井內(nèi)流體外溢或鉆井液的減少量小于上提鉆具的體積。

（9）下鉆和下套管時(shí)，返出的鉆井液量大于鉆具的排潛量。

（10）返出的鉆井液中有油花、氣泡，這是進(jìn)入油氣層的直接標(biāo)志。

2 溢流監(jiān)測(cè)方法

最原始的溢流監(jiān)測(cè)是人工坐崗制，監(jiān)測(cè)鉆井液成分和鉆井液池液位的變化，完全憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷是否發(fā)生溢流。隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，為溢流監(jiān)測(cè)提供了更多的途徑和方法，現(xiàn)有的溢流監(jiān)測(cè)方法可總結(jié)為以下幾類。

2.1 利用鉆井液相關(guān)參數(shù)的變化來監(jiān)測(cè)溢流［15-17］

鉆井液相關(guān)參數(shù)包括總池體積、分離器液面、井口導(dǎo)管液面、環(huán)空液面、密度（井口、井底）、溫度、流量、流速（進(jìn)、出口，井下環(huán)空）。其中，通過對(duì)井口導(dǎo)管流量及分離器液面進(jìn)行監(jiān)測(cè)的微流量監(jiān)測(cè)技術(shù)可靠性好、監(jiān)測(cè)精度高，基于微流量參數(shù)的溢流監(jiān)測(cè)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)取得了較好的應(yīng)用效果；此外，在起鉆等鉆井液停止循環(huán)的工況下，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井筒環(huán)空液位的變化判斷溢流也取得了較為理想的效果。

（1）基于鉆井液總池體積的溢流監(jiān)測(cè)。這種方法在溢流監(jiān)測(cè)的早期被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，實(shí)施方便。但是監(jiān)測(cè)不夠靈敏，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期微量溢流，實(shí)時(shí)性差，具有很明顯的滯后，可靠性不高。

（2）微流量溢流監(jiān)測(cè)［18-19］。這是近期興起的溢流監(jiān)測(cè)新方法之一，能夠發(fā)現(xiàn)早期溢流，技術(shù)成熟。但是需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，在與井口防溢管相連的導(dǎo)管處旁引一個(gè)L型的支管，在支管上安裝聲納探測(cè)裝置；或者，在與井口防溢管連接的導(dǎo)管上安裝流量計(jì)，通過測(cè)量返出鉆井液流量的變化實(shí)現(xiàn)深井早期微量溢流監(jiān)測(cè)。高精度流量計(jì)要比聲納探測(cè)裝置價(jià)格高，在長(zhǎng)期工作過程中計(jì)量精度會(huì)受到影響。這種監(jiān)測(cè)方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明實(shí)時(shí)性較好，當(dāng)溢流發(fā)生時(shí)，井口導(dǎo)管處鉆井液流量或液面會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)變化。

（3）基于環(huán)空液面的溢流監(jiān)測(cè)。實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)表明，起下鉆過程中發(fā)生溢流的概率占溢流發(fā)生總量的55%，這種方法最大的優(yōu)勢(shì)是能夠監(jiān)測(cè)起鉆過程中的溢流情況。同樣也需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，在套管閥處安裝環(huán)空液位檢測(cè)傳感器，一般為非接觸測(cè)量傳感器。1998年Schubert［20］提出在套管閥處安裝聲波液位傳感器，監(jiān)測(cè)起鉆過程中環(huán)空液面的變化，并將其投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。結(jié)果表明，實(shí)時(shí)性較高，當(dāng)溢流發(fā)生時(shí)，環(huán)空液位上升或者其降低量小于所起出鉆具體積對(duì)應(yīng)的降低量；可靠性較高。

2.2 通過由綜合錄井儀采集的相關(guān)錄井參數(shù)監(jiān)測(cè)溢流［21-24］

常用的錄井參數(shù)有鉆壓、大鉤負(fù)荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、鉆井液進(jìn)出口流量、立管壓力、鉆井液密度、烴類濃度等。綜合錄井可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井工程異常的連續(xù)監(jiān)測(cè)和量化的分析判斷，國(guó)內(nèi)外在地面獲取錄井參數(shù)的技術(shù)比較成熟，成本低，可準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)和預(yù)報(bào)工程異常，此方法被廣泛采用。但是由于鉆柱與井壁相互作用復(fù)雜，間接獲取參數(shù)精度較差，會(huì)對(duì)溢流監(jiān)測(cè)結(jié)果有所影響?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，這種方法的實(shí)時(shí)性較高，錄井參數(shù)可對(duì)井底變化做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。綜合錄井儀一般以1 Hz的采樣頻率對(duì)錄井參數(shù)進(jìn)行采集，從錄井參數(shù)獲取到對(duì)溢流做出判斷需要的時(shí)間包括：參數(shù)采集時(shí)間（1s）+網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間+計(jì)算時(shí)間，應(yīng)該可以控制在秒級(jí)；依靠單個(gè)參數(shù)所做出的結(jié)論可靠性較差，需要綜合多個(gè)錄井參數(shù)進(jìn)行綜合判斷。

2.3 聲波氣侵監(jiān)測(cè)法

聲波在氣液兩相流中傳播速度明顯低于在純鉆井液中的速度，在立管處和井口環(huán)空處分別安裝聲波脈沖發(fā)生器和聲波脈沖接收器，通過測(cè)量聲波傳播時(shí)間來檢測(cè)氣侵情況［25-27］，這種方法理論上能夠發(fā)現(xiàn)早期氣侵。但是聲波信號(hào)易受鉆井現(xiàn)場(chǎng)存在的鉆具旋轉(zhuǎn)等干擾的影響，降低聲波氣侵檢測(cè)精度；鉆井液壓力脈沖隨著井深的增加衰減很快，適應(yīng)井深有限；而且在實(shí)時(shí)性方面存在一定的延遲，聲波在純鉆井液中的傳播速度達(dá)到每秒上千米，而在含氣鉆井液的氣液兩相流中的傳播速度卻僅有每秒幾十米，從發(fā)生溢流到發(fā)現(xiàn)溢流的時(shí)間延遲在分鐘量級(jí)。此方法在實(shí)際應(yīng)用中可靠性不高。Bang［25］于1994年提出這種方法，并做了相關(guān)的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)效果比較理想，但是并沒有投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2.4 基于隨鉆的井底測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)溢流

基于隨鉆壓力測(cè)量（PWD）和隨鉆測(cè)井（LWD）技術(shù)的相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)溢流［10，28-29］，地層流體侵入井眼，必將引起井底環(huán)空壓力、溫度和鉆井液組份、性能的變化，改變鉆井液的溫度、密度和電導(dǎo)率，因此可以利用這些參數(shù)進(jìn)行溢流早期監(jiān)測(cè)。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量井底參數(shù)，溢流監(jiān)測(cè)最為直接，但是井底參數(shù)的測(cè)量和傳輸仍存在一定的問題。首先，壓力與溫度傳感器受井下高溫、高壓條件限制，國(guó)內(nèi)井底壓力與溫度傳感器的最高工作溫度為 150 ℃，最高承受壓力為 105 MPa［30］，國(guó)外性能良好的井下工程參數(shù)測(cè)量?jī)x，適應(yīng)環(huán)境壓力為140 MPa，環(huán)境溫度為 150 ℃［31］。其次，受傳輸速度及解碼速度影響，實(shí)時(shí)性不高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中一般通過鉆井液脈沖進(jìn)行信息傳輸，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品信息上傳速率只有0.5～5 b/s，國(guó)外最高也只有10 b/s。以此上傳速率計(jì)算，PWD參數(shù)的傳輸時(shí)間國(guó)內(nèi)可控制在1 min之內(nèi)，國(guó)外最快可控制在30 s之內(nèi)。若采用電磁隨鉆傳輸，上傳速率可以達(dá)到200 b/s，但是電磁隨鉆傳輸?shù)挠行疃纫话悴荒艹^6 000 m，而且不同地層時(shí)環(huán)井電阻率存在很大差異以及鉆桿與鉆桿連接螺紋存在接觸電阻，接觸電阻在鉆井過程中因振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生變化從而影響鉆柱中信號(hào)電流的穩(wěn)定性，使傳輸質(zhì)量變差［5］。LWD和PWD參數(shù)測(cè)量可靠性較高，但是實(shí)際鉆井過程中受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，此種溢流監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用較少，未見應(yīng)用效果較好的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)道。

2.5 基于控壓鉆井技術(shù)監(jiān)測(cè)溢流

基于控壓鉆井技術(shù)監(jiān)測(cè)溢流［32-35］是通過分析實(shí)時(shí)采集的鉆井液的流量、密度、質(zhì)量、井口回壓等參數(shù)判斷是否發(fā)生溢流，這種方法能在2 min內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)到地層流體侵入并且加以控制，使地層流體侵入總量限制在0.24 m3以內(nèi)［34］。相對(duì)其他的溢流監(jiān)測(cè)方法更加準(zhǔn)確、及時(shí)。但是這種方法需要對(duì)鉆井設(shè)備做出很大的改造，其關(guān)鍵技術(shù)：隨鉆壓力測(cè)量（PWD）、地層壓力預(yù)測(cè)與隨鉆測(cè)量、水力學(xué)計(jì)算模型、控制機(jī)構(gòu)和軟件控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)均有較大的難度。目前，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好的有Weatherford公司的MFC系統(tǒng)、Schlumberger公司的DAPC系統(tǒng)、Halliburton公司的MPD系統(tǒng)，溢流監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性好，可靠性高。

2.6 分析地層巖性和孔隙度，進(jìn)行溢流預(yù)警

如果能夠得到所鉆區(qū)域的地質(zhì)資料、地震資料、鄰井資料，則系統(tǒng)中可對(duì)這些資料進(jìn)行分析，確定可能發(fā)生溢流的層位和井段進(jìn)行鉆前異常預(yù)報(bào)。

3 溢流監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法

3.1 閾值法

閾值法是通過采集的相關(guān)參數(shù)與設(shè)定的閾值相比較，從而得出是否發(fā)生溢流的結(jié)果。其特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但是功能過于單一，只能監(jiān)測(cè)參數(shù)的閾值，不能綜合分析多個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)和規(guī)律，而且若溢流監(jiān)測(cè)完全依賴于參數(shù)的閾值，會(huì)產(chǎn)生較高的誤報(bào)和嚴(yán)重的滯后。然而，作為溢流監(jiān)測(cè)的有效數(shù)據(jù)處理方法之一，可以將其與其他數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合應(yīng)用于溢流監(jiān)測(cè)。

3.2 數(shù)學(xué)建模法

數(shù)學(xué)建模的方法主要是針對(duì)溢流監(jiān)測(cè)這個(gè)問題建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過多個(gè)相關(guān)參數(shù)的變化得出所建模型的結(jié)果。其特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，比單一閾值法有所改進(jìn)，但是由于溢流的復(fù)雜性以及不確定性，很難建立一個(gè)公認(rèn)比較準(zhǔn)確的、時(shí)效性比較高的數(shù)學(xué)模型用于溢流監(jiān)測(cè)。梅大成［27］曾提出一種溢流監(jiān)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證具有一定的監(jiān)測(cè)效果。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［5］

BP網(wǎng)絡(luò)是目前研究最多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，具有逼近任意非線性函數(shù)的能力，所以可以有效地監(jiān)測(cè)溢流。但監(jiān)測(cè)溢流時(shí)也存在一定的問題。首先，需要大量的錄井?dāng)?shù)據(jù)來訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境的差異，用當(dāng)?shù)氐你@井?dāng)?shù)據(jù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)模型不一定適用于其他地區(qū)的溢流監(jiān)測(cè)。限制了BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。除此之外，BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也缺少一定的理論支持，例如，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的選取、學(xué)習(xí)效率的設(shè)置完全是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而確定，沒有合理的計(jì)算和精確的推導(dǎo)。

3.4 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是根據(jù)人們?cè)谀骋活I(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)而建立的解決問題和做決策的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，能對(duì)復(fù)雜問題給出專家水平的決策結(jié)果。專家系統(tǒng)也需要大量的專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)所有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。溢流是一個(gè)復(fù)雜的、模糊的綜合體，影響因素很多，變異性和時(shí)空差異大，在不同工況下溢流的表現(xiàn)形式也不是完全相同。然而，當(dāng)前的專家系統(tǒng)在建模中多是利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)回歸模型，這些模型一般只考慮了部分反映溢流的因素，如何把多因素綜合考慮到建模中，僅依靠現(xiàn)在常用的方法是達(dá)不到要求的［36］。所以僅靠專家系統(tǒng)并不能完全準(zhǔn)確地反映溢流的發(fā)生，但是可以把專家系統(tǒng)作為一種輔助以及驗(yàn)證系統(tǒng)加入到溢流監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)多種方法的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，提高智能化水平和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，從而使智能系統(tǒng)能不斷豐富積累知識(shí)，并完善系統(tǒng)性能，提高診斷的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性［37］。

3.5 貝葉斯判別分析［7］

貝葉斯判別分析的理論基礎(chǔ)是貝葉斯定理

貝葉斯判別分析法同樣需要大量的鉆井?dāng)?shù)據(jù)訓(xùn)練判別模型，但是相對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)貝葉斯判別分析更能充分地利用先驗(yàn)知識(shí)，減少誤判。而且貝葉斯判別分析給出的溢流監(jiān)測(cè)結(jié)果是一個(gè)概率形式，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的是或否的結(jié)果，司鉆可以通過概率值變化的趨勢(shì)進(jìn)一步確認(rèn)是否發(fā)生溢流。

在以上5種數(shù)據(jù)處理方法中，閾值法和數(shù)學(xué)建模法原理比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)也比較容易，所以應(yīng)用最為廣泛。但是由于這2種方法本身的缺陷，在現(xiàn)有條件下溢流監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性較低。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、貝葉斯判別分析這3種智能算法存在一個(gè)共同的局限性，即在使用前均需要大量的先驗(yàn)知識(shí)或訓(xùn)練數(shù)據(jù)；而且溢流監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性完全受限于先驗(yàn)知識(shí)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

4 基于PWD、微流量監(jiān)測(cè)與綜合錄井參數(shù)的溢流監(jiān)測(cè)方案

綜合分析溢流監(jiān)測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)之后，提出了一套基于PWD、微流量監(jiān)測(cè)與綜合錄井參數(shù)的溢流先兆在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在溢流監(jiān)測(cè)方法方面以監(jiān)測(cè)井底環(huán)空壓力、溫度等井底參數(shù)的變化為基礎(chǔ)，并結(jié)合鉆井液進(jìn)出口流量和相關(guān)綜合錄井參數(shù)的變化，在地層流體還沒有返到地面時(shí)，提前發(fā)現(xiàn)溢流，提高井噴預(yù)警的時(shí)效性；在數(shù)據(jù)處理方法方面采用以貝葉斯判別分析為核心，以專家決策系統(tǒng)為輔助，并結(jié)合以閾值法綜合判斷是否發(fā)生溢流，溢流監(jiān)測(cè)的結(jié)果以一個(gè)概率的形式給出。其原理如圖1所示。

圖1 溢流先兆在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，從綜合錄井儀服務(wù)器、鉆井液進(jìn)出口流量計(jì)、PWD地面解碼系統(tǒng)分別采集相關(guān)錄井參數(shù)。在溢流判別分析方面，首先，由閾值法判斷鉆井液總池體積等參數(shù)是否超出所設(shè)定的報(bào)警值；然后，由專家決策系統(tǒng)中所設(shè)定的規(guī)則模式判斷是否發(fā)生溢流；若均沒有監(jiān)測(cè)到反映溢流發(fā)生的異常數(shù)據(jù)，最后由貝葉斯判別法，通過所選取的用于溢流監(jiān)測(cè)的屬性變量的取值給出發(fā)生溢流可能性的大小。表1是由川慶鉆探工程有限公司提供的龍崗7井的錄井?dāng)?shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之一。

表1 溢流監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1中的數(shù)據(jù)可得，在03:39:19時(shí)刻出口流量明顯大于入口流量，該系統(tǒng)給出一個(gè)較高的溢流概率，在此時(shí)刻之后出口流量仍明顯大于入口流量而且池體積已有較明顯的增加，所以基本可以確認(rèn)發(fā)生溢流，給出100%的溢流概率。但在此之前，03:38:49時(shí)刻立壓下降，懸重增加，該系統(tǒng)捕捉到此溢流先兆，給出18%的溢流概率，并隨立壓和懸重的異常變化增加溢流概率。經(jīng)實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確快速地監(jiān)測(cè)溢流，因?yàn)辇垗?井的錄井?dāng)?shù)據(jù)中沒有提供井底環(huán)空壓力，所以上述實(shí)驗(yàn)中沒有應(yīng)用該參數(shù)，但依然收到較好的監(jiān)測(cè)效果。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是把PWD參數(shù)、微流量監(jiān)測(cè)參數(shù)與綜合錄井參數(shù)相結(jié)合應(yīng)用于溢流監(jiān)測(cè)，從井底和地面2個(gè)方位監(jiān)測(cè)溢流；可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供參數(shù)的實(shí)際情況，靈活組合，實(shí)現(xiàn)溢流監(jiān)測(cè)；以閾值法作為最基本的數(shù)據(jù)處理方法，并結(jié)合貝葉斯判別和專家決策系統(tǒng)2種智能算法處理采集的溢流監(jiān)測(cè)參數(shù)，提高溢流監(jiān)測(cè)的時(shí)效性；溢流監(jiān)測(cè)的結(jié)果以一個(gè)概率的形式給出，通過概率的大小和變化趨勢(shì)能夠起到預(yù)警溢流和確認(rèn)溢流的作用。而且，目前綜合錄井儀和高精度流量計(jì)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)被廣泛應(yīng)用，PWD技術(shù)也日臻成熟，國(guó)內(nèi)已有較多的應(yīng)用，所以此方案的實(shí)施在現(xiàn)有條件下是切實(shí)可行的。

5 溢流監(jiān)測(cè)展望

隨著鉆錄井技術(shù)的發(fā)展，近期興起的鉆錄井領(lǐng)域的前沿技術(shù)：控壓鉆井（MPD）、隨鉆測(cè)井（LWD）、隨鉆壓力測(cè)量（PWD），在溢流監(jiān)測(cè)方面均有良好的應(yīng)用前景。尤其是MPD技術(shù)，能夠較為準(zhǔn)確快速地監(jiān)測(cè)溢流，還可以進(jìn)一步抑制溢流的發(fā)生［38］。但是MPD技術(shù)中涉及到的隨鉆壓力測(cè)量（PWD）、地層壓力預(yù)測(cè)與隨鉆測(cè)量、水力學(xué)計(jì)算模型、控制機(jī)構(gòu)和軟件控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面尚有欠缺，且實(shí)現(xiàn)難度較大。倘若能夠進(jìn)一步完善上述關(guān)鍵技術(shù)，提高井底環(huán)空壓力、地層壓力等參數(shù)獲取的實(shí)時(shí)性和精確度，控壓鉆井的效果將會(huì)得到進(jìn)一步改善，溢流監(jiān)測(cè)也會(huì)更加準(zhǔn)確快速。LWD和PWD技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，使得在隨鉆過程中可以獲取大量的地層參數(shù)和工程參數(shù)，同時(shí)也為使用LWD和PWD技術(shù)監(jiān)測(cè)溢流提供了可能。但是由于井下測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性和各種干擾因子的存在以及參數(shù)較長(zhǎng)的傳輸時(shí)間問題，基于LWD、PWD技術(shù)的溢流早期監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。所以，基于LWD、PWD技術(shù)的溢流早期監(jiān)測(cè)實(shí)施的關(guān)鍵在于提高參數(shù)獲取的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

以上提及的控壓鉆井、隨鉆測(cè)井和隨鉆壓力測(cè)量技術(shù)是在鉆錄井領(lǐng)域中的一種發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)闊o論是從溢流監(jiān)測(cè)的角度出發(fā)，還是基于整個(gè)鉆井過程的需要，若能夠得以成功應(yīng)用，均能帶來較好的效果。然而，這絕不意味著有關(guān)溢流監(jiān)測(cè)的其他技術(shù)和方法不需要繼續(xù)發(fā)展和探索，事實(shí)上，為了進(jìn)一步提高溢流監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性，還有很多工作要做，無論基于哪種溢流監(jiān)測(cè)方法，隨著“三高”地區(qū)和深水鉆井等鉆井難度的增加，溢流監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性還有待進(jìn)一步提高。

6 結(jié)論

（1）溢流監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)并不在于監(jiān)測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理方法的選取或改進(jìn)，參數(shù)的獲取問題才是限制溢流監(jiān)測(cè)效果的主要因素。

（2）在現(xiàn)有的設(shè)備條件和技術(shù)水平下采集的參數(shù)會(huì)存在一定的誤差或延遲。誤差的產(chǎn)生是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾因素過多以及設(shè)備本身的精度制約，存在延遲的原因主要是因?yàn)榧夹g(shù)水平的限制。若能保證采集的鉆井液進(jìn)出口流量值的精度很高，單一閾值法便可以達(dá)到理想的溢流監(jiān)測(cè)效果。又假若井底環(huán)空壓力和溫度能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地獲取，閾值法也完全能夠達(dá)到預(yù)期的溢流監(jiān)測(cè)效果。

（3）文中分析了溢流發(fā)生的原因及其表現(xiàn)形式，并將現(xiàn)有的溢流監(jiān)測(cè)方法根據(jù)其所采用的參數(shù)和監(jiān)測(cè)形式的不同總結(jié)為6類，同時(shí)深入剖析比較這6類監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用性以及所涉及到的數(shù)據(jù)處理方法。

（4）提出了一套基于隨鉆壓力測(cè)量、微流量監(jiān)測(cè)與綜合錄井參數(shù)的溢流先兆在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)此系統(tǒng)的原理、優(yōu)點(diǎn)、可行性及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用做了簡(jiǎn)要說明。

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（修改稿收到日期 2013-06-16）

Survey of research on kick detection methods on “Three High” wells

YUE Weijie, SUN Weifeng, DAI Yongshou, LI Ligang, ZHANG Ya' nan
（College of Information and Control Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China）

Blowout is the most serious accident during drilling process. Kicking is the forerunner of blowout, hence it is significant to optimize kick detection method and to improve the monitoring instantaneity and reliability for realizing safe, efficient and economic drilling. The paper analyzed the causes and signs of kicking, and classified the existing kick detection methods into six categories according to the differences of detecting parameters and forms. And it made deep analysis and comparisons about the advantages and disadvantages, applications suitability and relative algorithms of the methods. Based on the above it proposed an online monitoring and warning system for kick forerunning based on PWD, micro-flux detection and comprehensive logging parameters. At last, the prospect was described on the application and development of MPD, LWD, PWD in kick detection field, and the main factors restricting kick detection were pointed out.

kick detection; blowout; MPD; LWD; PWD

岳煒杰，孫偉峰，戴永壽，等. “三高”油氣井溢流監(jiān)測(cè)方法研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：58-64.

TE249

：A

1000–7393（2013） 04–0058–07

國(guó)家自然科學(xué)基金“基于高階累計(jì)量和ARMA模型的高精度地震子波提取方法研究”（編號(hào)：40974072）。

岳煒杰，1987年生。在讀碩士研究生。電話：18667311807。E-mail：yueweijie@126.com。

〔編輯 薛改珍〕