鉆井遠程實時決策系統(tǒng)的開發(fā)與應用

徐術國等

摘要： 在構造復雜地區(qū)，累計發(fā)生鉆井復雜情況較高，實施安全鉆井就顯得非常重要。而鉆井遠程實時決策系統(tǒng)不僅可以及時對各種可能發(fā)生的鉆井復雜情況進行提前決策分析，還可以在后方通過圖文并茂的方式實時顯示現(xiàn)場情況，這樣后方專家就可以利用該系統(tǒng)進行多井遠程實時決策和現(xiàn)場技術支持。該系統(tǒng)首先實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)的實時采集、統(tǒng)計分析已鉆井資料總結出異常數(shù)據(jù)變化規(guī)律、并提出新的灰色關聯(lián)理論計算方法，并對元壩272H井進行了應用測試，決策界面美觀清晰，測試結果顯著，得到了工程院專家的認可。

Abstract： It is very important to implement safety drilling in the area with complex structure because drilling complex situation is higher. Drilling remote real-time decision-making system can early warn and analyze various kinds of drilling complex situations. It can real-time graphic display the site condition， so experts can remote real-time decision-making and technical support using this system. This system realized collecting the remote real-time data and studying in the drilled wells and a new gray relation theory and analyze drilling complex situations. This system applied and tested Yuanba 272H well and the testing result is significant， the interface is very aesthetics， the experts accepted.

關鍵詞： 安全鉆井；遠程實時；決策分析；新的灰色關聯(lián)理論

Key words： safety drilling；remote real-time；decision-making；a new gray relation theory

中圖分類號：TP3；TE28 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）22-0070-03

0 引言

鉆井工程都是在不可見的地下施工，而地下的情況具有不確定性、隨機性、模糊性和不可預見性，要實現(xiàn)對油氣資源的安全開采，就得鉆過各種未知的復雜地層，這樣就會出現(xiàn)意想不到的復雜情況。

目前現(xiàn)場復雜情況的決策，主要靠的是有經(jīng)驗的技術人員和專家來解決的，但實際中一般不能滿足現(xiàn)場的需要，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：其一，鉆井現(xiàn)場一般地處較偏遠地區(qū)，一旦現(xiàn)場發(fā)生復雜情況，專家趕往現(xiàn)場決策處理，在路程上會耽誤寶貴的決策時間；其二，即使專家駐井或能夠及時到達現(xiàn)場，也只能對當前井做支持，不可能對再繼續(xù)指導其它井；其三，這種決策支持模式難以集中利用眾多專家的智慧同時對多口井進行決策支持。就不可能利用經(jīng)驗及時發(fā)現(xiàn)其它井的復雜情況，因此，目前的工作模式有很大的局限性，利用鉆井遠程實時決策系統(tǒng)在后方實時決策現(xiàn)場情況，后方專家可以利用該系統(tǒng)進行多井遠程實時監(jiān)測、復雜情況決策分析和現(xiàn)場技術支持。

1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的分析與設計首先從鉆井專業(yè)領域以及公司專業(yè)人員的需求入手介紹構建系統(tǒng)的總體結構。本文提出如圖1所示的系統(tǒng)結構，其基本構架可分為三個層次：輸入層、輸出層和數(shù)據(jù)層。

輸入層：采集現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)：實時數(shù)據(jù)的全面采集模塊；初始數(shù)據(jù)：輸入理論方法所需計算用到的相關參數(shù)及獲取鉆井現(xiàn)場相關數(shù)據(jù)。

輸出層：數(shù)據(jù)計算模塊：遠程實時決策理論方法；顯示模塊：決策結果的曲線顯示；數(shù)據(jù)庫管理模塊：管理數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)；遠程傳輸模塊：把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)、現(xiàn)場的文字報告等文本傳輸?shù)交胤罩行腫1]。

數(shù)據(jù)層：鉆井過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，有效地存儲和管理這些數(shù)據(jù)對于鉆井復雜情況的決策有很大的幫助。

2 系統(tǒng)關鍵技術

鉆井遠程實時決策系統(tǒng)主要原理是：在現(xiàn)有綜合錄井儀的基礎上，利用遠程數(shù)據(jù)庫傳輸，對原始數(shù)據(jù)進行處理與分析，通過決策理論模型與遠程實時監(jiān)測，系統(tǒng)與專家可以同時對鉆井過程即將發(fā)生的復雜情況和故障進行決策，提前采取措施防止故障的發(fā)生，達到防患于未然[2]。

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)的采集與傳輸是進行鉆井復雜情況監(jiān)測與決策的基礎，采用最新的數(shù)據(jù)壓縮技術、多線程編程技術及斷點續(xù)傳技術，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，使得利用中石化內部網(wǎng)進行井場和基地的實時信息交流成為現(xiàn)實。

2.2 決策理論模型的建立

決策理論模型除可進行原始單參數(shù)的決策外，還可通過計算后的數(shù)據(jù)進行決策，實現(xiàn)多參數(shù)與多種方法進行復雜情況決策?，F(xiàn)場實時數(shù)據(jù)和理論分析完全一體化，使鉆井專家不到井場的情況下更有效分析數(shù)據(jù)，最終做出更好的決策來指導現(xiàn)場操作，并且可以進行多井決策，可幫助實現(xiàn)安全效率鉆井。

2.2.1 數(shù)據(jù)的分析處理

在實際鉆井工程中，可以知道發(fā)生某一復雜情況后，就會有異常參數(shù)的出現(xiàn)?？墒怯捎诂F(xiàn)場傳感器偶爾不靈敏等原因造成現(xiàn)場數(shù)據(jù)不準確，這樣就需要對原始數(shù)據(jù)進行處理。原始數(shù)據(jù)的變化可以分為假數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)突變、連續(xù)弱異常等。對原始數(shù)據(jù)的處理方式有平均值處理、方差或標準差處理。均值濾波處理。動態(tài)大平均值處理等方法[3]。

2.2.2 理論模型的建立

鉆井故障灰色關聯(lián)技術[4]是以部分參數(shù)與故障有關，部分參數(shù)與故障無關的小群體為研究對象，通過對錄井參數(shù)與故障有關的錄井數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，總結出有價值的關聯(lián)性，實現(xiàn)對鉆井故障的提前決策。

據(jù)鉆井常識可知，鉆井復雜情況的判斷難點在于如何綜合考慮現(xiàn)場發(fā)生的實際狀況，有效利用現(xiàn)場發(fā)生的多種異常參數(shù)才能正確的判斷鉆井復雜情況。參考文獻[5]的標準故障模式的建立僅僅局限于錄井數(shù)據(jù)的變化，未考慮鉆井液對鉆具的影響，鉆頭尺寸及井深對扭矩的影響等。本文綜合考慮現(xiàn)場各種影響因素并建立鉆井復雜情況判斷矩陣。

收集了元壩地區(qū)近幾年總共40口的已鉆井資料，包括錄井數(shù)據(jù)、鉆井液，鉆具和鉆頭數(shù)據(jù)等。對發(fā)生過復雜情況井的數(shù)據(jù)和資料進行整理分析，并對所有參數(shù)的變化進行統(tǒng)計，從中提取最有價值的變化規(guī)律。首先，根據(jù)專家經(jīng)驗統(tǒng)計出各參數(shù)正常鉆進時的平均值，然后與發(fā)生復雜情況時的異常參數(shù)進行對比，當增減變化量超過平均值時，即認為參數(shù)發(fā)生了變化[6]。參考值的方法可簡單的設置為：1表示增大，-1表示減小，2表示無變化。很難用某一數(shù)據(jù)具體數(shù)值的大小來定義其對可能發(fā)生故障的貢獻率，只有該數(shù)值的發(fā)生頻率對研究才是有意義的。統(tǒng)計發(fā)生頻率最后得出所謂的權值。統(tǒng)計分析后得出表1。

X1-標準扭矩變化監(jiān)測：利用實時扭矩值及其變化量作為判斷鉆頭失效及斷鉆具的主要依據(jù)。為了減少鉆頭尺寸及井深對扭矩值的影響，對實時扭矩進行標準化處理：將實時扭矩值標準化為8-1/2″鉆頭1000米井深的扭矩，稱為標準扭矩，通過監(jiān)測該值的變化情況來判斷鉆頭失效及斷鉆具等復雜情況。

X2-總池體積凈變化量計算：利用實時的總池體積計算總池體積變化量，利用井內鉆柱體積計算井內鉆柱體積變化量，利用井深變化計算井眼加深減少的總池體積，三者的算術和為由于人為增減泥漿、井涌、井漏引起的總池體積的凈變化量。以此來判斷井涌、井漏事故。

X3-流量差值計算：利用實測的出口與入口流量的差值監(jiān)測井涌或井漏事故。

X4-鉤載變化量（遇阻遇卡）監(jiān)測：利用大鉤載荷、鉆壓、浮重的差值監(jiān)測遇阻遇卡事故。

X5-鉆具在裸眼中靜止時間監(jiān)測：監(jiān)測鉆具在裸眼中的靜止時間，以防靜止時間過長而卡鉆。

X6-鉆壓變化監(jiān)測：利用實時鉆壓值監(jiān)測鉆壓的變化情況，監(jiān)測鉆壓與大鉤位置和鉆頭直徑差值作為判斷是否發(fā)生溜鉆事故的主要依據(jù)。

X7-機械比能值：單位時間破碎體積巖石所需的機械能，即機械比能（MSE，Mechanical Specific Energy）。機械比能可以監(jiān)測井下常見的鉆頭鈍化、鉆頭泥包及井底泥包等故障類型[7-8]。

X8-立管壓力：判斷斷鉆具、井漏等復雜情況的重要參數(shù)。

X9-鉆時：判斷卡鉆、溜鉆的重要參數(shù)。

Y1-鉆頭失效，Y2-斷鉆具，Y3-井漏，Y4-井涌，Y5-遇阻遇卡，Y6-溜鉆。

利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)后所得到的變化規(guī)律，運用各種理論知識和工程經(jīng)驗獲得以上的決策理論模型，對鉆井狀態(tài)進行監(jiān)測和實時決策。以美觀的界面顯示給專家，以便專家及時做出遠程決策，對現(xiàn)場進行指導。

3 系統(tǒng)在元壩井區(qū)的應用

元壩井區(qū)地質條件相對復雜，復雜情況頻發(fā)，因此選用元壩井區(qū)的元壩272H井進行應用研究。元壩272H井為一口超深水平井，水平段完鉆垂深6700米、斜深7597米。元壩272H井鉆到5496米，專家通過詢問現(xiàn)場人員確定沒有人為的減少泥漿，沒有地面損失，利用系統(tǒng)得出池體積凈增量減少，這樣專家判斷可能是井漏了。通過錄井數(shù)據(jù)變化現(xiàn)象，流量差增大，總池體積減小，專家可以判定可能發(fā)生井漏。最后通過理論模型的計算與匹配，得出井漏的關聯(lián)度0.89超出了井漏關聯(lián)度門限，因此井漏的進度條顯示為紅色，可以判定為井漏。專家通過系統(tǒng)決策后及時通知現(xiàn)場發(fā)生井漏，并通過遠程通訊模塊指導現(xiàn)場進行處理。決策界面如圖2。

4 結語

通過在元壩超深井遠程決策試驗，實現(xiàn)了基地與現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)連接，對系統(tǒng)所有模塊進行了全面測試，系統(tǒng)運行正常。本次應用驗證了從原始數(shù)據(jù)的計算機獲取→資料自動處理及人機交互處理→決策理論模型的計算→決策提示的整個流程，人工資料處理工作量很少，符合實際決策業(yè)務特點。通過對元壩272H井異常數(shù)據(jù)的決策判斷，決策結果吻合程度較高，決策準確率高，可提高鉆井的安全性。后方專家可以利用該系統(tǒng)同時進行多井監(jiān)測與決策，對重點關注井做出及時分析與指導，可大大降低施工風險。該系統(tǒng)在以后的推廣應用中，應注意根據(jù)不同地區(qū)的地質特點和鉆井經(jīng)驗，科學確定決策門限值，切忌照搬其他井的參數(shù)。

參考文獻：

[1]樊洪海.鉆井工程實時監(jiān)測與井場信息系統(tǒng)開發(fā)[J].石油鉆探技術，2003，31（5）：17-19.

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[3]劉瑞文，郭學增.鉆井過程中的在線故障檢測與診斷[J].石油鉆探技術，2004，32（4）：84-86.

[4]Peng Qi， Fan Honghai， Xu Shuguo ，et al.A real-Time warning system for identifying drilling accidents[C]//SPE Annual Caspian Technical Conference and Exhibition，Astana，2014.Kazaknstan： Society of Petroleum Engineers， 2014.

[5]劉瑞文，郭學增.鉆井過程中在線故障識別的灰色關聯(lián)分析法[J].鉆采工藝，2004，27（6）：17-25.

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