基于趨勢線的鉆井工程異常預(yù)警方法

余華云，余澤禹 （長江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

鉆井工程異常預(yù)警是保障安全鉆井的重要手段之一。目前，我國鉆井工程異常預(yù)警基本是依賴綜合錄井儀對鉆井工程參數(shù)、鉆井液參數(shù)、氣體參數(shù)、地層壓力參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測［1］，綜合錄井操作人員通過設(shè)置單一的錄井參數(shù)門限值和人工不間斷監(jiān)測參數(shù)曲線形態(tài)變化，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)錄井參數(shù)異常并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。而參數(shù)門限值設(shè)置合理性依賴綜合錄井操作人員錄井經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)，人工不間斷監(jiān)測參數(shù)曲線形態(tài)變化則依賴綜合錄井操作人員的責(zé)任心，這樣導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度增加和異常預(yù)報(bào)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性降低。下面，筆者通過對一些鉆井工程異常預(yù)報(bào)方法的研究，提出了基于趨勢線原理進(jìn)行鉆井工程異常自動(dòng)預(yù)警方法，以解決上述問題。

1 鉆井工程異常預(yù)警預(yù)報(bào)原理

在錄井現(xiàn)場通過對鉆井工程參數(shù)、鉆井液參數(shù)、氣體參數(shù)、地層壓力參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)因地面或地下異常而直接導(dǎo)致的相關(guān)錄井參數(shù)變化而進(jìn)行鉆井異常預(yù)警預(yù)報(bào)［2］，為及早發(fā)現(xiàn)和處理鉆井事故提供措施和決策依據(jù)。鉆井工程參數(shù)包括大鉤負(fù)荷、鉆壓、立壓、泵沖、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)盤扭矩、流量、鉆時(shí)等［3］。鉆井工程事故包括鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的刺扣、刺泵、堵塞、掉水眼；鉆具的遇阻、遇卡、溜鉆、斷鉆具、鉆頭掉牙輪。鉆井液參數(shù)包括鉆井液的進(jìn)出口密度、溫度、電導(dǎo)率、流量、鉆井液體積等。鉆井液參數(shù)的變化通常直接反映井下地層流體的活躍情況及井筒壓力與地層壓力的平衡情況，避免井噴、井漏等重大事故的發(fā)生，及時(shí)處理油氣侵、鹽侵、水侵，為順利施工創(chuàng)造條件。氣體參數(shù)主要反映地層內(nèi)流體含氣體濃度變化，主要包括全烴、組分、H2S、CO2等。氣體參數(shù)異常預(yù)警能避免井噴著火事故和人員中毒事故發(fā)生。地層壓力監(jiān)測是為了發(fā)現(xiàn)異常高壓地層。在油氣勘探開發(fā)中，鉆遇的異常高壓常常導(dǎo)致井涌、井噴、井垮、卡鉆等多種鉆井工程事故的發(fā)生［4］。

各種鉆井工程異常的檢測見表1、表2和表3。

2 趨勢線預(yù)報(bào)方法

趨勢線預(yù)報(bào)方法就是通過將綜合錄井儀采集的各種鉆井工程參數(shù) （如懸重、扭矩、鉆壓、立管壓力、套壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、鉆井液出口流量、鉆井液池體積等）繪制成曲線，然后通過跟蹤曲線形狀的變化趨勢來判定異常點(diǎn)從而進(jìn)行預(yù)報(bào)的方法。

表1 鉆井工程參數(shù)異常變化匯總表

表2 鉆井液參數(shù)異常變化匯總表

首先，通過曲線的拐點(diǎn)確定異常預(yù)報(bào)點(diǎn)。在正常情況下，鉆井工程參數(shù)曲線一般呈線性變化，如果在作業(yè)過程中，曲線軌跡發(fā)生較大的改變，即可認(rèn)定發(fā)生改變點(diǎn)為異常預(yù)報(bào)時(shí)間點(diǎn)。具體有以下2個(gè)步驟：

1）通過單一鉆井參數(shù)變化確定可能的預(yù)報(bào)點(diǎn)。鉆井工程參數(shù)變化曲線形狀主要有曲線的振幅、曲線上升和曲線下降 （拐點(diǎn)）3種變化形態(tài)，代表相應(yīng)鉆井工程參數(shù)的變化。筆者主要以曲線的振幅變化加以說明。曲線的振幅由強(qiáng)變?nèi)趸蛴扇踝儚?qiáng)說明受控參數(shù)發(fā)生異常變化，進(jìn)而說明與該參數(shù)相關(guān)的工程作業(yè)狀態(tài)發(fā)生改變。圖1所示為曲線振幅變化處可能的異常預(yù)報(bào)點(diǎn)。圖1中在不同的“泳道”采用不同的顏色曲線代表不同的鉆井工程參數(shù)曲線。其中第1泳道，綠色代表懸重 （kN）、藍(lán)色代表鉆壓 （kN）；第2泳道，綠色代表轉(zhuǎn)速 （r／min）、藍(lán)色代表扭矩 （kN／m）；第3泳道，紅色代表立管壓力 （MPa）、藍(lán)色代表泵沖 （沖／min）；第4泳道為錄井時(shí)間和井深；第5泳道，綠色代表入口密度 （g／cm3）、藍(lán)色代表出口密度 （g／cm3）；第6泳道，綠色代表入口導(dǎo)電率 （s／m）、藍(lán)色代表出口導(dǎo)電率 （s／m）；第7泳道，綠色代表入口溫度 （℃）、藍(lán)色代表出口溫度 （℃）；第8泳道，綠色代表總池體積 （m3）、藍(lán)色代表鉆時(shí) （min／m）。

表3 地層壓力監(jiān)測異常參數(shù)異常變化匯總表

圖1 曲線振幅變化處的異常預(yù)報(bào)點(diǎn)

振幅拐點(diǎn)的判斷較為簡單，只需比較2個(gè)時(shí)間段的曲線振幅值之差是否超過異常預(yù)報(bào)極值即可。設(shè)異常判別周期為t（s），將判別周期分為這2個(gè)周期，然后對這2個(gè)周期的振幅進(jìn)行比較，如果其振幅超過異常預(yù)報(bào)極值，則認(rèn)為秒處為異常時(shí)間：

式中，Vt1max為t1周期（0到時(shí)間段）的振幅最大值；Vt1min為t1周期的振幅最小值；Vt2max為t2周期到t時(shí)間段）的振幅最大值；Vt2min為t2周期的振幅最小值；如果A＞A極，則表示異常。根據(jù)工程參數(shù)的不同，A極也會(huì)不同，A極為常量。

2）通過多曲線的振幅變化 （拐點(diǎn)）確定預(yù)報(bào)點(diǎn)。單一鉆井工程參數(shù)變化，往往并不能準(zhǔn)確判斷鉆井過程中產(chǎn)生了某種異常，且極易產(chǎn)生誤報(bào)。為減少誤報(bào)，筆者采用多參數(shù)綜合預(yù)報(bào)的方法，即在同一頁面展示多種不同參數(shù)曲線，如圖2所示多曲線振幅的變化所表征的異?，F(xiàn)象。

圖2 多曲線振幅的變化所表征的異?，F(xiàn)象

其次，濾波去噪。雖然通過曲線變化能很容易找出預(yù)報(bào)點(diǎn)，但由于實(shí)時(shí)工程參數(shù)不可避免存在一些噪音數(shù)據(jù)，如果直接預(yù)報(bào)將出現(xiàn)許多誤報(bào)。為了更準(zhǔn)確地找到預(yù)報(bào)點(diǎn)，需要去噪，去掉一些誤報(bào)點(diǎn)。去噪主要是進(jìn)行濾波處理，濾波算法可采用小波算法［5］。

最后，應(yīng)用回歸趨勢線方法進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。盡管找到預(yù)報(bào)點(diǎn)，但2s內(nèi)的數(shù)據(jù)變化預(yù)報(bào)在實(shí)際預(yù)報(bào)中仍然產(chǎn)生不少誤報(bào)。為此，引入回歸趨勢線方法［6，7］進(jìn)行預(yù)測。回歸趨勢線方法是對趨勢線做回歸分析，即利用線性回歸方程的最小平方函數(shù)對一個(gè)或多個(gè)自變量和因變量之間關(guān)系進(jìn)行建模的一種回歸分析，該方法為統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的分析方法。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定用20s、2min、4min為步長趨勢回歸線。其中20s趨勢回歸線定義為工程異常預(yù)報(bào)預(yù)警線，2min趨勢回歸線定義為工程異常預(yù)報(bào)確認(rèn)線，4min趨勢回歸線定義為工程異常預(yù)報(bào)確定線，通過預(yù)警線、確認(rèn)線、確定線實(shí)現(xiàn)對工程異常預(yù)警預(yù)報(bào)，如圖3所示。從圖3中可以看到，立壓實(shí)時(shí)曲線中出現(xiàn)的游離單個(gè)或多個(gè)尖峰值經(jīng)過趨勢回歸后而消失。這不僅克服了在過去異常預(yù)報(bào)軟件采用門限值法會(huì)增加很多異常預(yù)報(bào)的缺陷［8］，而且預(yù)警預(yù)報(bào)只取決于數(shù)據(jù)采集儀器，避免人工干預(yù)產(chǎn)生的誤差，使預(yù)警預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確。

圖3 立壓原始曲線和20s、2min、4min為步長趨勢線

3 應(yīng)用實(shí)例

2012年2月到12月在吐哈油田的51口井進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表4。

表4 2012年鉆井工程異常預(yù)警系統(tǒng)測試結(jié)果

從表4中可見，共預(yù)報(bào)291次，符合實(shí)際次數(shù)286次，準(zhǔn)確率達(dá)到98.2%。工程異常實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)顯著提高了綜合錄井綜合預(yù)報(bào)技術(shù)水平。

4 結(jié)語

采用趨勢線方法進(jìn)行鉆井工程異常預(yù)報(bào)，打破了設(shè)置門限報(bào)警、輸入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等傳統(tǒng)的需要人工干預(yù)的報(bào)警方式；通過采用跟蹤多曲線表示的多種鉆井參數(shù)變化確定某種鉆井工程異常預(yù)報(bào)點(diǎn)及預(yù)警線、確認(rèn)線、確定線等全新的思路，不僅提高了預(yù)警預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，而且大大降低了誤報(bào)率。目前，通過該方法編制的鉆井工程異常預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)已在中石油各鉆探公司全面使用。

［1］ 王佑寧 .錄井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望 ［J］.錄井工程，1998，9 （1）：1～5.

［2］ 吳俊杰 .鉆井工程事故檢測和預(yù)警方法研究 ［J］.錄井工程2006，17（1）：53～55，70.

［3］ 謝輝 .淺談錄井信息的分類、意義、作用及應(yīng)用 ［J］.錄井工程，2004，15（4）：47～51.

［4］ 楊明清 .綜合錄井在俄羅斯鉆井井控中的應(yīng)用分析 ［J］.中外能源，2011，16（5）：74～76.

［5］ Wang H，So P，Yang S，et al.Numerical modeling of multicomponent induction well－logging tools in the cylindrically stratified anisotropic media ［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，2008，46 （4）：1134～1147.

［6］ Ebihara S，Inoue Y.Analysis of eccentered dipole antenna for borehole radar［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，2009，47 （4）：1073～1088.

［7］ Millison R R.3－D induction logging improves evaluation of low resistivity pay zones［J］.The American Oil＆ Gas Reporter，2001，9：129～153.

［8］ 姚文華 .鉆井工程異常預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［J］.石油儀器，2011，25（1）：5～9.