钻井工程异常预警系统的设计与应用.pdf

2 0 1 1 年第 2 5 卷第 1 期 石油仪器 PETROLEUM I NS TRUMENTS 开发设计 钻井工程异常预警系统的设计与应用 姚文华 中国电子科技集 团公 司第二十二研究所河南 新乡 摘 要为了提高钻井现场工程异常预警的智能化水平， 在现有的综合录井异常预警方法的基础上， 采用智能化的模 糊诊 断专家 系统技 术建 立钻 井工程异 常预 警系统。该 系统应 用 了智能化和 面向对象技术进行 系统分析 、 建模和设计 ， 能 够紧密结合现场的实际情况， 对不同区域的不同类型的过程异常实现 自动化预警， 提高了预警的效率和质量。文章对该 系统的设 计思路及预 警 系统 建立模 型及 应用和发展 方向进 行 了分析。 关 键 词 综合录井 ； 钻 井工程异 常预 警；智能化 ； 模糊理论 ；专家 系统 ；面向对 象 中图法分 类号 T E 2 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 1 0 1 0 0 0 5 0 5 0引 言 钻井工程是石油 、 天然气勘探与开发的主要手段。 随着石油勘探的不断提速和钻井新技术的迅速推广 ， 钻井工程事故等异常情况在钻井施工过程中出现的风 险随之增大 ， 严重着威胁钻井的安全 ， 也是影响经济效 益和社会效益的重要因素⋯。 综合录井技术是集随钻地质观察分析 、 气体检测 、 钻井液参数测量 、 地层压力预测和钻井工程参数测量 等为一体的综合性的现场随钻监测技术 。综合录井 的 应用使钻井作业的全过程处于全天候监控之 中， 通过 对钻井参数 的连续监测和量化的分析判断 ， 实现 了对 钻井异常情况的早期主动预报 。但是 ， 目前对 于各种 钻井异常的预警仍然 以人工经验判断为主 ， 迫切需要 系统的、 全面的又能反映工程事故复杂多变特性的智 能化预警手段 ， 以满足安全 、 快速钻井的要求。 l 研究 目标 和思路_ 2 J 1 ． 1 钻井工程异常情况的成 因分析及预警的现状 钻井工程是隐蔽工程 ， 具有一定的模糊性 、 随机性 和不确定性 ， 每前进一步都有一定的风险。钻井工程 异 常 的两大 主要成 因是 地质 条件 和工程 条件 。 钻井的对象是地层 ， 但是地层内部构造异常复杂 ， 地层分布又具有区域性 和不确定性 ， 如果不能准确把 握地质情况 ， 就容易在施工过程 中出现失误 导致异常 的发生 。 工程条件是指由于地质资料掌握的不全不准 ， 未 严格按科学方法进行井身结构设计 ， 不能合理使用井 控安全设备， 钻井操作不适 当， 发现井下复杂情况处理 不及时等导致钻井异常的发生。工程因素大多由是人 为造成 。 钻井现场对异常情况的预警 ， 是 由现场录井人员 根据各种异常的变化规律结合 自己长期积累的经验、 知识而做出的， 但这种预报往往带有较大的主观性和 不确定性。同时 ， 钻井是一个长期 、 连续 的过程 ， 参数 的细微变化往往就是异常发生 的前兆， 要求录井人员 长时间、 连续地关注钻井参数的变化 ； 由于人的精力和 技术水平的限制 ， 因此这种人工预警方式无法保证异 常预警的效率和质量。 1 ． 2研 究思路 在现场能准确及时地发现异常情况的操作人员都 具有丰富的经验 、 高度 的责任心和敏锐的信息捕捉能 力 ， 培养这样的高素质人员需要有经验共享 的有效机 制和长期 的过程。 解决这一问题就需要设法将人类专家预报事故的 经验转化为一种 自动化 、 智能化的预报手段， 而实现这 一 目标最好的方法就是将飞速发展的计算机应用技术 和人工智能技术相结合 ， 开发 出一套充分融合工程事 故判断方法和专家经验的预警系统。 研究的预期 目标是 在分析大量综合录井现场数 据和信息的基础上 ， 总结研究一套系统 的钻井工程异 常预警方法 ， 研制具备 自动化、 智能化事故预报能力的 第一作者简介 姚文华， 男， 1 9 6 7年生 ， 高级工程师 ， 1 9 8 9年毕业于西安交通 大学无线 电技术专业 。现在中国电子科技集团公 司第二十二研究所从 事录井仪器及设备 的研制和技术管理工作。邮编 4 5 3 0 0 3 6 石油仪器 P E T R O L E U M I N S T R U ME N T S 2 0 1 1 年 0 2月 预警系统。该系统应用在现场 ， 能在工程事故发生的 早期 ， 给出一定程度或一定意义上的报警 ， 从而实现钻 井事故的早期发现 ， 辅助钻井工程控制事故的发展 ， 最 大限度地减少损失。 2 预警 系统建模_ 3 ] 2 ． 1 研究对象的分析 2 ． 1 ． 1 综合录井在异常预警 中的作用 钻井异常情况一般分类如下 1 地质异常由地质因素引起 ， 主要是地层岩石 和油气水显示信息的反映， 有 快钻时 、 放空、 气浸 、 油 浸 、 水浸等。 2 地质 一工程异常 由地质 因素引起 ， 继而可能 引发井 内恶性事故的异常事件 ， 有 井涌 、 井喷预兆 、 井 漏 、 溢流、 后效井涌、 后效井喷等。 3 3 2 程异常 由作业不当或钻井工具疲劳和质量 问题引发的钻井异常事件 ， 有 刺钻具 、 断钻具 、 刺泵 、 掉水眼 、 水眼堵、 掉牙轮、 溜钻 、 顿钻和卡钻等。 录井人员对钻井异常进行精确及时的预警必须掌 握各项录井参数的变化情况 ， 并选择合理的参数进行 判断识别。综合录井仪的检测手段包括 1 工程录井包括立管压力 、 大钩负荷、 深度跟 踪等传工程感器和钻时等派生工程参数。工程录井可 以反映钻井工程 、 地质 、 地层压力等各种异常情况 ， 对 于异常的早期预报起着重要的作用。 2 钻井液录井通过随钻测量钻井液性能变化 情况结合观察槽面油气显示情况， 及时发现油气层和 井下异常情况。 3 气测录井利用色谱仪随钻测量钻井液中烃 类气体的含量及组份特征 ， 根据储集层天然气组分含 量的相对变化来区分油气水层。当进行起下钻 、 接单 根 、 循环钻井液等作业时容易引起地层天然气的侵人 ， 从而造成各种气测峰值； 因此。正确识别各种气测异 常 ， 是发现和评价油气层的关键， 也是预报工程异常的 依 据 。 4 地质录井主要是取全取准岩屑、 岩心资料和 荧光录井资料 ， 这是现场鉴别油气显示的最基础 、 最直 观的方法。地质录井可以较准确地把握地下岩层的情 况 ， 预测地层压力等地下复杂因素， 对于钻井工程异常 具有重要意义。地质录井只能从返 出泥浆里获得岩 屑， 返 回地面的迟到及岩屑处理等因素使之不具备实 时性 ， 无法进行早期异常预警。 钻井工程系统 由多个子系统组成 ， 各子系统 自成 体系有相互关联。钻井工程系统的构成与录井监测的 关系如图 l 所示。 匝 面 巫固 圃 图 1 钻 井构成 系统构成 与综合录井监测关 系 综合录井的监测手段中， 工程录井是直接且较准确的， 钻井液和气体录井准确性较高但受迟到因素影 响， 而 岩屑分析既受迟到因素影响又缺乏准确性。因此 ， 录 井的监测手段无法直接 、 准确地对各种工程异常进行 预警 ， 必须要结合现场的其他因素综合分析。 对部分主要工程异常的成因分析及对应的录井参 数异常变化情况的总结见表 1 。 表 1 工程异常特征分析 2 0 1 0 年第 2 5 卷第 1 期 姚文华 钻井工程异常预警系统的设计与应用 除了工程异常外 ， 钻井的一些操作也会引起 的参 数异常变化。这些操作会造成录井参数出现类似异常 事件引起的变化 ， 需要与真正的异常加以区分 ， 避免造 成误报情况。 2 ． 1 ． 2预警系统的复杂性分析 钻井工程 系统具有突现性 、 不稳性 、 非线性 、 不确 定性 、 不可预测性 、 混沌性等特征 ， 是一种典型 的复杂 系统。 对钻井工程异常进行预警， 需要摸清其 内在的秩 序， 从其混沌状态 中捕捉异常信息。预警系统的研究 对象包括了钻井工程的各个 部分 ， 必须遵循钻井工程 的 自然规律 ， 根据环境条件 包括钻井设备 、 工艺 、 钻井 状态 、 地质构造等 和接收信息来调整 自身的状态和行 为， 并且应有能力来根据各种信息调整规则 ， 产生 以前 从 未有 过的新 规则 。 2 ． 2 预警系统的理论基础 预警系统从功能角度来看属于故障诊断与专家系 统相结合的范畴。故障诊断理论为设备故障诊断与状 态监测提供理论与技术支持。专家系统为提高整个系 统的智能化诊断水平服务。这两部分应是密不可分的 关 系。 2 ． 2 ． 1 设 备 故障诊 断 分为信号采集 、 信号处理 、 故障诊断 3个阶段 。 1 信号采集技术的研究主要包括信号的采集与放 大， 是故障诊断的前提。重点是对传感器的研究 ， 要求 其具有 良好的动态特性 、 灵敏度 、 稳定性和抗干扰能力 强等 ， 需要传感器的合理布局 、 组合。 2 信号处理方法的研究是设备故障诊 断技术的关 键。由于钻井现场采用柴油发 电机提供 ， 井场大型用 电设备多， 电磁环境复杂 ， 对传感器信号的采集和传输 都有一定的影响。现场恶劣的安装条件对传感器采集 的准确性同样造成 了不利。因此 ， 必须对传感器信号 进行分析处理以保证信号的准确。可 以采用滤波 ， 频 谱分析等信号处理技术 。 3 诊断方法的研究是设备故障诊断的核心。原始 的诊断方法是“ 手摸 、 耳昕 、 眼看” ， 司钻凭借手感 和观 察可以发现钻井设备的异常 ， 地质工程师通过观察岩 屑样本得到地层的信息等等。随着技术的发展 ， 新 的 监测和诊断技术不断出现。目前已广泛应用的有基于 知识 、 神经网络、 模糊推理 、 遗传算法等多种诊断方法。 2 ． 2 ． 2专 家 系统理论 专家系统可以简单 的理解为 应用大量人类专家 的知识和推理方法求解复杂的实际问题 的一种人工智 能计算机程序。专家系统与一般 的计算机软件 不同， 它是 由数据 、 知识 和推 理机 三级构 成 ， 在 处 理实 际 问题 时， 专家系统从 数据库出发， 调用知识库 中的相应 知 识 ， 经过推理机构的推理来获得所需的诊断结论 ， 其基 本点是依靠知识进行逻辑推理 ， 利用经验性知识对不 基于故障诊断的专家系统作为一种热 门技术在故 障诊断中逐渐得到应用。因为故障的情况复杂 、 多样 ， 据采集过程 中的缺陷 ， 造成故障诊断难度加大。因此， 综上所述 ， 预警 系统采用基于模糊推理的故障诊 O O M 。O O M是一种框架化 、 层次化合模块化的建模 方法 ， 有利于提高模型的封装性 、 灵活性 、 重用性 、 可扩 展性和可维护性 ， 适合用于解决复杂系统的问题 。 个模糊专家系统 ， 其优势在 于系统执行速 度快 、 效率 高 ， 易于用数据库来构造知识库及利用数据库在数据 程 ， 必须经过设计 、 改进 、 逐步地向纵深方向生长和完 一 分 析过 程如 图 3所 示 。 研 究 钻 井 建 立 事 故建 立 预 警 定义预警 事故、各种 与信息之闻 系统的工作 模型及其 相 关 信 息 的关系 机 制 属件数据 对象识别 结构识别 主题识别 属性定义 方法定义 图 3系统 OOA过程 O O D是面向对象分析的扩充 ， 即设计和明确预警 与型联 关 警其息 颊 惭 消 定 总 的 石油仪器 P E T R 0 L E U M I N S T R U ME N T S 2 0 1 1 年 0 2月 系统实现所需的各个组成部分。 O O D的设计过程是把要解决的问题分解为一些 对象及对象间传递消息的过程 ， 从 O O A到 O O D是一 个逐渐扩充 、 细化模型的过程。包括以下步骤 1 对象的细化 把系统 中对象行为和对象 间交互 作用的进一步细化 ， 形成交互作用明确且完全的定义。 即依据下面两个表中事故与参数关系确定事故对象行 为并逐步细化参数 的属性 ， 建立各种事故 间的关联。 工程异常和地质异常主要参数变化特征见表 2和表 3 。 表 2 工程异 常对应主要参数变化特征 异常类型 悬重超拉力立压 泵速 扭矩 流量钻时 钻进成本 钻头寿命终结一 7 7 注 “ ” 指下降， “ 十” 指上升， “ ” 指增大， “ ” 指 减 小 。 “ 一” 指 波动或跳 变。 2 类型的认定 把异常预警模型设计为不同种类 的模型， 比如溢流类型可以包括溢流、 井涌 、 井喷、 淡水 侵、 盐水侵、 气侵 、 油侵等多种异常的类。 3 重用支持设计 根据类设计类库 比如溢流定义 为 C K i c k T y p e ， 再 对 该 类 进 行 重 用 ，实 例 化 为 C C K i c k G a s 气 侵对象 、 C C K i c k Wa t e r 水侵对象 等子 类 。 根据上述过程 ， 建立起系统化的预警模型类库。 2 ． 3 ． 3 建模过程 1 找出研究领域需求空间中的对象 通过对事故 预报经验的总结 ， 形成根据参数异常判断事故的方法 ， 建立起事故对象及其成员属性和行为的关系。溢流对 象和行为构成如图 4所示。 钻井事故类 溢流 状态条件钻i 循环是 重载是 相关参数类 主判参数 出品 礓 活动池总体体 辅判 参数 悬重 泵压 参数属性类 变化范围2 方 异常时间l mi n 变化特征上升 名称出口流量 图 4 溢流对象和行为构成 2 找出对象之间的静态关 系 对各种工程事故复 杂 、 录井参数 、 相关的钻井条件 、 设备条件等研究对象 进行系统分析研究 ， 得到这些对象间的相互关联 ， 包 括 创建关系； 包含关系； 继承关系； 联系关系。 3 找出对象问的动态关系 前 面提到的是对象之 间静态的、 局部 的关 系， 真正体现钻井过程的实际情 况 ， 必须找出对象之间相互作用的动态关 系。在钻井 工程系统中， 存在着多种这样的动态关系 ， 其中最重要 的就是工程参数与钻井工况之间的动态关系 ， 见表 4 。 表 4 工程参数 与钻井工况的动态关系 参数关联 钻井工况 大钩负荷 与大钩高度关联 说明吊悬系统 的工作状态 钻头位置 、 大钩负荷与立压关联 说明钻井状态 钻压 与米进尺关联 说明岩性 的变化和送进 井底 上空与未完钻时关联 说明井底的时空关 系 转速与扭矩关联 说明旋转 系统的工作状态 立压与泵冲的关联 说明循环系统的状态 总池体积与溢漏情况关联 说明井筒与地层的平衡关系 入 口流量与出13流量关联 说明循环系统 的状态 人 口密度与出口密度关联 说明岩屑的浓度变化 人 口温度与出口温度关联 说明钻开层 的地温场 人 口电导与 出口电导关联 说明地层水的浸入 扭矩与钻时关联 说明钻头的磨损状况 苎 、 立 管 压 力 与 泵 冲 的 关 联 ‘ 刺 说 明 钻 具 的 安 全 状 态 漏 报 警 ’ ⋯ ⋯ ⋯ 一 通过逐步建立这些对象间的关系， 最终才能形成 完整的预警系统模型。 3 系统设计[ ] 图 5系统架构 3 ． 1 数据 获取功 能 1 数据插件模块 为软件提供录井数据源的功能 ＼／ ＼／ 储 2 0 1 0年第 2 5卷第 1 期 姚文华 钻井工程异常预警系统的设计与应用 9 主要是从数据中按不同仪器的定义方式取出用于事故 分析的数据。 2 预处理模块 根据钻井状态和参数特征对采集 的数据进行信号预处理， 提取出有价值的变化信息 ， 进 人事故模型进行预警处理。 3 ． 2 核心管理 核心管理框架负责协调系统各部分功能的中心管 理模块， 提供数据输入输出服务 ， 配置管理模块对软件 各部分功能调整和维护进行统一配置和管理 。 3 ． 3 专家系统和异常判断模型 1 特征量处理模块 对异常特征变化量进行鉴别 ， 去掉由于非事故因素 如状态改变 、 传感器异 常、 工程 操作干扰 引起的异常变化 ， 将其送入判断模型进行分 析。 2 事故推理判断模块 将异常特征变化量按规则 分别激活相应的判断模型 ， 展开相应的运算方法 ； 如同 专家解决问题的思维方式， 通过提取知识库的事故判 断规则推理判断事故的发生情况。 3 事故解释模块 是为用户提供对预警方法进行 人工干预的界面。用户可以根据已经输出推理结果及 相关的解释等对模型进行调整。 4 知识学习模块 通过知识获取 ， 扩充和修改知识 库中的内容 ， 对系统进行完善。 4 现场应用情况‘ 6 J 4 ． 1 井漏预报 前提设计 钻进状态的主要判断参数为总池体积 和出口流量， 判别特征均为下降。通过对该井前期钻 进状态数据的分析 ， 设定 总池体积正常波动 的上下限 为 0 ． 5 m 3 ， 出 口流量 的上 下限 为 1 ％ ； 预报过程 2 0 0 8年 1 1 月 1 7日， 0 6 1 8钻至井深 6 6 2 5 ． 9 0 m时， 监测到总池体积和出 口流量有 明显 下降 趋势 ， 至井深 6 6 2 5 ． 9 5 m， 2 m i n总池体积 1 3 7 ． 4 5 m 1 3 6 ． 8 8 m ， 出E l 流量 l 6 ． 5 ％ 1 5 ％。综合两种参数的 表现出来的特征判断为井漏 ； 实际结果为井漏。 4 ． 2卡钻预 报案例 前提设计 起钻状态主要判别参数为大钩负荷 ， 判 别特征为上升 ， 设定正常波动上下限为 5 0 k N； 预报过程 2 0 0 8年 l 2月 2 6日0 4 4 6起钻至井深 4 1 8 9 ． 9 m时遇卡 ， 大钩负荷由 1 5 7 5 k N 1 7 1 5 k N左 右 ， 挂卡约 1 4 0 k N， 下放钻具时大钩负荷 由 1 7 1 5 k N 1 5 8 2 k N左右 ， 其他参数无异常变化 ； 系统判断起钻遇 卡 。 预报过程 2 0 0 8年 l 2月 2 6日 0 4 5 4 起 钻至井深 4 1 7 6 ． 9 0 m时遇卡 ， 大钩负荷 由 1 5 5 7 k N 1 7 0 3 k N 左右， 挂卡约 1 4 6 k N， 下放钻具时大钩负荷 由 1 7 1 5 k N l 5 9 2 k N左右， 其他参数无明显异常变化 ； 系统判断 为起 钻遇 卡 。 5 结束语 通过以上现场应用实践证 明， 预警系统能充分发 挥计算机的性能优势 ， 具备 良好的可扩展性 ， 通过不断 对 系统的知识库进行完善和扩充 ， 使其逐渐接近人类 专家 的能力 。 同时也应看到， 由于钻井工程异常的形成过程非 常复杂， 综合录井的检测手段尚不能实现对所有异常 情况的早期准确预警 。因此 ， 预警 系统主要 以井漏等 渐进型事故复杂为主要研究对象 ， 而对于钻井现场发 现突发性事故复杂 如断钻具 由于没有征兆 、 发生过 程短 ， 无法进行早期预警。对预警系统的改进 ， 需要深 入 了解钻井原理和发展方向， 研究各种钻井异常的发 生发展规律 ， 最终形成一套系统 的钻井工程异常预警 方法。 随着预警系统的异常预报方法不断系统化 、 结构 化 ， 系统本身的功能和性能的持续改进 ， 进而对不同地 区形成相应的定制化模 型， 预警系统将更好地服务于 钻井工程 ， 为安全 、 快速钻井起到保障作用。 参 考 文 献 [ 1 ] 蒋希文 ．钻井事故与复杂问题 [ M] ．北京 石油 工业 出版 社 ， 2 0 0 2 [ 2 ] 吴金培 ， 肖建 华 ．智能故 障 诊断 与专家 系统 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 9 7 [ 3 ] 廉师友． 人工智能技术导论 第二版 [ M] ．西安 西安电 子科 技大学出版社 ， 2 0 0 2 [ 4 ] 诸静 ． 模糊控制原理 与应用 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 5 [ 5 ] 郭齐 胜 ．系统建模 与仿 真 [ M] ．北京 国防工业 出版社 ， 2 00 7 [ 6 ] 吴 俊杰 ．钻井工程事故监 测和预警方法研 究[ J ] ． 录井工 程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 1 收稿 日期 2 0 1 0 1 02 7 编 辑梁保江