深孔智能化鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)研究

羅光強，李 揚，周 策，陳文俊

(1.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所，四川成都 611734；2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災害防治技術中心,四川成都 611734)

0 前言

智能化、自動化、信息化是鉆井工程的發(fā)展方向。鉆井工程是地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查工作最直接的技術手段(趙大軍等，2006;王達等，2016)。鉆探又是一門系統(tǒng)工程，在井底看不見摸不著，其難度大、風險高、隱蔽性強，其工作對象又是幾乎完全未知、復雜結(jié)構的地球(胡郁樂等，2011；Van de Sande,2012)。為保證鉆井工程科學有序的進行，減少鉆井工程的盲目性，對鉆井參數(shù)的實時、遠程監(jiān)控必不可少，而且，鉆井復雜工況的識別與鉆井事故的實時診斷也相當重要(Wang and Wang,2009)。鉆進過程中易發(fā)生復雜情況甚至造成嚴重的事故，智能化鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)是鉆探系統(tǒng)安全運行的重要保障，被稱為“鉆探工程的眼睛”(殷參等，2012)。在鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控與識別系統(tǒng)中，需要解決傳感器信號的近程傳輸、復雜鉆進工況識別、異地遠程網(wǎng)絡傳輸?shù)瓤茖W問題，主要難點在于信息的集成、20 km范圍內(nèi)信號傳輸、人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡識別、遠程聯(lián)網(wǎng)信息及軟件的傳輸?shù)取?/p>

目前，設計完善、使用可靠廣泛的工況識別系統(tǒng)大部分都只應用于國外石油行業(yè)，主要有Well-safe井場安全控制專家系統(tǒng)、RSES井場實時專家系統(tǒng)、Drilling Advisor(鉆井顧問)等。國內(nèi)石油行業(yè)的工況識別系統(tǒng)才剛剛起步，還在研發(fā)應用調(diào)試階段，還缺乏大范圍的推廣應用(Wrobel,2012；羅光強和胡郁樂，2014；李永釗,2017；陳思博，2018)。但研究的角度、側(cè)重點、運用的手段方法不同，主要技術特點是基于專家系統(tǒng)、多信息融合、人工智能等。然而，對于巖心鉆探行業(yè)來說，也處于研制調(diào)試階段，缺少大范圍的推廣應用，或多或少都存在一些問題。比如國內(nèi)研制使用的如DDW-3型、WZY-1型、DPI-1等鉆參儀只有簡單的多個參數(shù)檢測、單個參數(shù)檢測報警功能，沒有系統(tǒng)的分析診斷，預報預測，對工況識別，特別是孔內(nèi)事故診斷的研究十分欠缺。同時，任何事故的發(fā)生都會在鉆進工藝過程中提前產(chǎn)生征兆(夏陽等，2010；張曉西等，2012)，征兆往往表現(xiàn)為不同參數(shù)數(shù)據(jù)的異常，通過多參數(shù)融合分析與診斷，及時有針對性地分析判斷。要根據(jù)這些數(shù)據(jù)快速、準確地對孔下各種復雜鉆進工況與事故進行分析和診斷，傳統(tǒng)的經(jīng)驗判斷方法已經(jīng)無能為力(張金昌等，2007；張恒春等，2018)，必須運用人工智能方法進行快速智能分析判斷(孟武勝等，2008；湯鳳林等，2009)，實時反應孔底鉆進工況的異常狀態(tài)(胡郁樂等，2004；馬智躍等，2019；方鵬，2019)。因此，在鉆井工程中，對鉆進參數(shù)的實時、安全、準確、高效傳輸就顯得十分重要。擬研究一套由無線發(fā)送接收模塊、遠程網(wǎng)絡傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、復雜鉆進工況識別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成的深孔智能化鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)，可以實現(xiàn)鉆井參數(shù)實時傳輸、智能顯示、分析存儲、三維圖表分析顯示、網(wǎng)絡傳輸、復雜工況識別、事故診斷等功能(張捍東和紀文志，2009)，解決深部鉆探、科學鉆探、干熱巖鉆探、頁巖氣鉆探中鉆井參數(shù)的遠程傳輸、工況識別等技術難題。本文主要側(cè)重信號傳輸及神經(jīng)網(wǎng)絡的復雜工況識別和鉆井事故診斷。

1 鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)構成

鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)主要由無線發(fā)送接收模塊、遠程網(wǎng)絡傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、復雜鉆進工況識別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成。在智能化鉆參儀或錄井數(shù)據(jù)的基礎上，采用虛擬儀器LabVIEW、Matlab、C++及Access數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的編程方式，研制的一套深部鉆探智能化鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)，專家不需要在鉆井現(xiàn)場，也可以實時了解鉆井現(xiàn)場的各個參數(shù)，分析現(xiàn)場情況，給出實時建議。深孔智能化鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1 智能化鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)構成

將現(xiàn)場的轉(zhuǎn)盤鉆速、大鉤高度、大鉤負荷、立管壓力、稱重傳感器、電流、沖速、流量、溫度、密度、泥漿池體積等傳感器參數(shù)，通過USB數(shù)據(jù)采集卡，將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采集至鉆井現(xiàn)場。由于鉆井現(xiàn)場條件差、又要高負荷生成，需要采用無線發(fā)送電臺將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)發(fā)送至有網(wǎng)絡、條件好的野外基地，可以在20 km范圍內(nèi)采用無線接收電臺接收傳輸過來的傳感器信號，實現(xiàn)近程監(jiān)控。然后通過LabVIEW軟件平臺計算分析處理，可以得到鉆壓、井深、鉆頭位置、扭矩等二次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，很多二次轉(zhuǎn)換計算的數(shù)據(jù)才是現(xiàn)場情況的真實反應，才是鉆井工藝需要存儲記錄的數(shù)據(jù)，然后將部分數(shù)據(jù)二維曲線、三維曲線顯示、存儲、分析、挖掘，圖表體現(xiàn)出鉆機的進尺，實效，機械效率等，數(shù)據(jù)庫記錄按天自動存儲。然后根據(jù)多個參數(shù)閾值判斷來推斷復雜工況，比如井涌的判斷，在正常鉆進過程中，泥漿的出口流量>入口流量，且泥漿池的體積增加，就可以判斷為井涌(錢顯毅，2011)。然后根據(jù)多個參數(shù)的閾值判斷+風險系數(shù)+數(shù)據(jù)融合來推斷鉆井事故，比如鉆具斷裂，在正常鉆進過程中，鉆壓或扭矩數(shù)據(jù)急劇降低，且泥漿泵的泵壓明顯下降，綜合判斷就可以判斷為鉆具斷裂。最后，就可以通過LabVIEW網(wǎng)絡實時傳輸模塊，不在鉆機現(xiàn)場都可以看到現(xiàn)場的鉆井參數(shù)、三維曲線、復雜鉆進工況、事故診斷等情況，還可以多個專家不同地方會診，優(yōu)化鉆進參數(shù)，調(diào)整鉆進工藝，對工況、事故提出專家意見，提供智能、及時、科學的鉆進參數(shù)，便于高效、專業(yè)的完成鉆井工程。系統(tǒng)結(jié)構流程如圖2所示。

圖2 智能化遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)流程圖

發(fā)送、接收端都通過LabVIEW軟件平臺實現(xiàn)，即是通過LabVIEW軟件與無線發(fā)送接收電臺相連，實現(xiàn)無線傳輸(林靜等,2010)。無線發(fā)送接收模塊選用2個E90-DTU(433L37)無線數(shù)傳電臺即可實現(xiàn)其中一個電臺發(fā)送，另外一個電臺接收，可以實現(xiàn)20 km范圍內(nèi)的高速無間斷的實時傳輸。另外，還可以實現(xiàn)一個基地采集傳輸多個野外現(xiàn)場的鉆井數(shù)據(jù)。

2 復雜工況及事故診斷系統(tǒng)

工況識別系統(tǒng)主要由復雜工況識別及鉆井事故診斷兩部分組成。通過無線發(fā)送接收模塊將接收的傳感器信號及處理后的二次數(shù)據(jù)，如鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速、泵壓、泵量、扭矩、鉆頭位置、井深等作為輸入?yún)?shù)信號進行綜合分析判斷，通過參數(shù)的閥值判斷+條件選擇，多個參數(shù)聯(lián)合識別不同的工況(毛玉蓉和翁惠輝，2004)，識別鉆進工藝過程中復雜鉆進工況井涌、井漏、巖心堵塞、到位報信等。如巖心堵塞的識別：在正常取心鉆進過程中，泵壓持續(xù)突增，且出口流量減少，即可判斷為巖心堵塞。編程判斷語言：鉆壓>0，且轉(zhuǎn)速>0，且泵量>0，且泵壓>10秒鐘前的泵壓*1.25倍，且泵壓>60秒鐘前的泵壓*1.25倍，且泥漿的出口流量<10秒鐘前的出口流量*0.5倍。

鉆井事故診斷是應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術來識別，先建立正常鉆進、卡鉆、埋鉆、燒鉆、鉆具斷裂5種工況的學習樣本，以鉆速、扭矩、轉(zhuǎn)速、大鉤載荷、泵壓、入口流量、出口流量、泥漿池體積等8個鉆進參數(shù)為特征變量建立學習樣本，然后進行歸一化處理，然后進入BP神經(jīng)網(wǎng)絡集訓(王江萍等，2008)，輸出8個特征變量與5種工況對應的權重值，之后將接收的多路鉆井參數(shù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡進行識別、診斷，即可得到正常鉆進、卡鉆、埋鉆、燒鉆、鉆具斷裂5種診斷結(jié)果，原理如圖3所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡診斷原理圖

3 基于汶川科鉆WFSD-4孔的傳輸及應用

汶川地震斷裂帶科學鉆探項目四號孔(WFSD-4)是汶川地震斷裂帶科學鉆探工程的主孔之一，屬于“十一五”國家科技專項項目。目的是揭示汶川地震斷裂帶的地質(zhì)構造及性質(zhì)，檢驗和深化地震斷裂發(fā)震機理。完鉆后，將在鉆孔內(nèi)安放地震探測儀器，為未來地震的監(jiān)測、預報或預警提供基本數(shù)據(jù)。它位于平武縣南壩鎮(zhèn)，采用交流變頻KZ30DB鉆機，設計深度3350 m，由于地層條件極其復雜導致多次井內(nèi)事故以及施工時間和費用的限制，該井鉆進至2338.77 m后提前完鉆，完鉆井徑φ150 mm。

為驗證智能化鉆井參數(shù)遠程監(jiān)控及工況識別效果，以汶川科鉆WFSD-4孔鉆井數(shù)據(jù)進行模擬分析應用。將錄井數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送電臺、無線接收電臺，傳輸至17 km范圍的一個辦公基地，在LabVIEW軟件平臺存儲顯示，然后進行復雜工況識別及BP神經(jīng)網(wǎng)絡的鉆井事故診斷，最后在網(wǎng)絡平臺遠程監(jiān)控。

汶川科鉆WFSD-4孔基本信息如圖4所示。實時傳輸軟件界面如圖5所示。

圖4 汶川科鉆WFSD-4孔鉆孔信息

圖5 實時傳輸軟件主界面

遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)軟件主界面顯示了實時鉆進參數(shù)，從軟件圖中可以分析出當時的鉆進工況為掃孔鉆進，扭矩參數(shù)也是鋸齒形變化，從鉆井的入口流量、出口流量及泥漿池的液位，可以判斷為輕微的井漏。通過鉆速、扭矩、轉(zhuǎn)速、大鉤載荷、泵壓、入口流量、出口流量、泥漿池體積等8個鉆進參數(shù)為特征變量的神經(jīng)網(wǎng)絡學習，推斷當時的工況為卡鉆。

在軟件中進行遠程監(jiān)控設置，遠程網(wǎng)絡傳輸界面如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡傳輸遠程監(jiān)控

在網(wǎng)頁中輸入固定的網(wǎng)址，即可訪問鉆井現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場鉆進工況，還可以通過不同地方專家同時會診，提出建議意見，優(yōu)化鉆進參數(shù)，調(diào)整鉆井工藝。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合科學鉆探汶川科鉆WFSD-4孔鉆井數(shù)據(jù)，針對性地設計了一套遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)，解決鉆井參數(shù)傳輸瓶頸問題，可以廣泛應用于復雜、深孔、智能化鉆井現(xiàn)場，為科學鉆探服務，滿足野外現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸要求，實時便捷，穩(wěn)定性好，經(jīng)濟適用，現(xiàn)場適用性強。

(2)通過虛擬儀器LabVIEW軟件、Matlab、C++、Access數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的編程方式，編制的遠程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了鉆進參數(shù)的實時傳輸、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、工況識別、事故診斷等功能，智能便捷。

(3)設計了一套工況識別系統(tǒng)，實現(xiàn)4種復雜鉆井工況識別及4種鉆井事故的實時診斷，可廣泛應用于不同鉆機的鉆井數(shù)據(jù)，廣泛匹配不同智能化鉆參儀及現(xiàn)場錄井數(shù)據(jù)。

(4)該系統(tǒng)可以應用于巖心鉆機(立軸鉆機)、水文鉆機、地熱鉆機，也可應用于簡易的石油鉆機進行數(shù)據(jù)傳輸、工況識別、遠程監(jiān)控，實現(xiàn)智能識別。