基于模糊故障诊断的钻井井下事故分析.pdf

★ 石 油 化 工 安 全 环保 技 术 ★ l 、 R O C H E MI C A J s A F E l 、 Y A NI E N V I R O N M E N T 4 I P R O T E C T I O N P E C t ] N O I ． 、 G Y 2 0 1 4年 第 3 0卷第 6期 基于模糊故障诊断的钻井井下事故分析 王 岩，辛 颖 延安职业技术学院石油工程 系，陕西 延安 7 1 6 0 0 0 摘要在钻井施工中经常会遇到钻井井下事故，如果不及 时发现采取措施或处理不当， 就会影响正常钻进或者导致钻 井失败 ，因此做好对钻井事故 的诊断工作具有重大的意义。介 绍 了模糊故障诊断的原理和模型 ，应用于钻 井井下事故的诊 断中，根据发生钻 井井下事故的 井史资料 ，建立了5个常见的井下事故原 因集合和引起 这些事故的 1 4个征兆集合 ，利 用二元 对比排序法确定隶属 函数 ，从 而确定模糊诊 断矩阵。然后 ，将建立的模糊故障诊 断模型应用 于出现井下事故征兆实例 中，根据 最大隶属度 的原 则，确定 出引起这 些征 兆的钻 井井下事故 原 因，分析结果与现场 实际诊断的结果相符。 关键词 钻井事故故障诊断模糊模型 隶属函数 在钻井施工过程 中存在着大量 的模糊性 、隐 藏性和随机性 问题。由于对钻井井下情况 的认识 不清或主观的决策失误 ，往往会发生许 多复杂情 况甚至造成严重 的事故。因此 ，有必要研究钻井 事故与征兆之问的关系。模糊故 障诊断就可 以通 过研究钻井井下事故原 因与征兆之间的关系 ，对 钻井系统工作状态进行诊断 。在钻井系统运行过 程中，由于运行状态 、运行参数等存在着许 多模 糊信息 ，难以用精确的模型描述钻井井下事故与 征兆之间的关系，这就需要模糊集合论 中的隶属 函数和模糊关系矩阵来描述这种不确定性 1 模糊故障诊断原理 -2 J 钻井井下事故模糊故 障诊断的过程就好像医 生通过望 、闻、问、切等手段 ，对病人 的模糊症 状进行诊断一样 ，利用 自身积累的经验 ，诊断出 形成疾病对应的病因。通过对大量 已经发生 的钻 井井下事故案例分析 ，以及引起事故 的原 因、征 兆及事故后果的研究 ，利用专家经验对 可能发生 钻井井下的事故分析与诊断。 2 建立故障诊断模型 设常见钻井井下事故原因集合为 B { b ， b ， b ， ⋯ ， b } 1 其中 n为钻井井下事故原 因种类 的总数。由 凡个事故原因所引起的各种征兆集合为 A { 0 l ， “ 2 ， a 3 ， ⋯， a } 2 其 中 m为事故征兆种类 的总数。 由于钻井井下事故 征兆界限具有不 明确性 ， 因此需要通过建立隶属函数来表征各种征兆隶属 于各种钻井事故原因的程度。设钻井事故征兆样 本为 { a ． ， a ， a 一， a }，同时得 出此样本 中分量 元素 a 对征兆 4 的隶属 函数 ／ x a ，于是故 障 征兆就可以用模糊向量表示为 A [ ． n 1 ， ， a 2 ， H a 3 ， ⋯， a ] 3 假设该征兆样 本是 由钻井事 故原 因 B产 生 的， B对各种钻井事故原因的隶属函数为 b ， 同样钻井事故原因用模糊 向量表示为 B [ ． b ． ， b 2 ， b 3 ， ⋯， b ] 4 根据模糊推理合成原则 ，可得 B与 4之间的 模糊关系方程为 B A R 5 其 中 R为模糊关系矩阵 ，表示为 收稿 日期 2 0 1 4 0 92 5 。 作者简 介 王岩 ，男，2 0 0 9年 毕业于 大庆 石油 学 院 油气井工程专 业，硕士 ，现 从事钻 井专 业教 学工作 ， 讲 师。电话1 8 7 0 0 1 3 7 5 3 0 ，E m a i l w b k w z s 1 6 3 ． c o n l 2 0 1 4年第3 O卷第6期 ★ 王 岩等．基于模糊故障诊断的钻井井下事故分析 ★ 0 J 尺I 『 2 『 2 I f 6 ⋯ j 其中 ，矩 阵 的元素 r ∈ [ 0， 1 ]， i1 ， 2 ， ⋯ ，m ； 1， 2， ⋯ ， n 。 模糊关系矩阵 R为 m n维矩阵，其中行表 示故障征兆 ，而列表示故障原 因。矩阵元素 r 表 示第 i 种 征 兆 A 对 第 ． 种 故 障原 因 的 隶 属 函 数 ，即 ／ z 6 。 7 根据公式 5可以看 出，如果 已经观测得到了 钻井井下事故征兆群样本 { a 。 ， a ， a 一， a } ，即 事故征兆模糊 向量 已知，又根据钻井专家建立 好 的模糊关系矩阵 R，那 么就可以求得事故原因 模糊向量 ，进而对事故原因进行分析与综合， 做 出事故诊断结果。 3 建立模糊诊 断矩 阵 _5 j 对于某种钻井井下事故的发生 ，所出现 的征 兆和导致事故的原 因，通过井 口的仪器监测 、井 史资料 以及 钻井施 工人 员 的经 验就可 以确定 出 来 。而建立模糊关系矩 阵 R，就是要确定出钻井 井下事故征兆与产生征兆原 因之 间的模糊关 系 ， 即反映这种从属关系的隶属函数。 在钻井井下事故 中经常 出现同一征兆对应不 同的事故原因 ，为了能够确定出他们之 间的隶属 函数关系 ，利用二元对 比排序法。设有 n个井下 事故原因 B { b ， b ， b ， ⋯ ， b }引起 同一征兆 a 发生 ，首先对 n个事故 原因两两进行 比较 ，确定 出哪个原因最有可能导致 。 征兆 的发生，将各种 原因优先出现的总次数进行排序 ，把 总次数作为 基数 ，最后利用该基数去除相应事故原 因出现的 总次数 ，即可得到所需 要的隶属 函数 ，从而确定 模糊诊断矩阵。 根据钻井经验和钻井事故资料 ，可 以总结出 常见的钻井井下事故的 5个主要原因有 b 。 钻具 段落 ， b 卡钻 ， b 严重井塌 ， b 井喷， b 钻头落井 。 对应 的 1 4个征兆分别为 a ， 扭矩正常 ， a 扭矩增 大 ， a ， 扭矩减小 ， a 不能转动 ， a 上提遇阻 ， a 下 放遇阻 ， a 悬重正常 ， a 悬重下 降， a 。 泵压上升 ， a 。 泵压下降 ， a 钻井液正常 ， a 钻井液返出量增 大， a ， 钻井液返 出量减小 ， a 不能返 出钻井液。 确定每一征兆 n ，分别对于每个原因 b j 的隶属函 数 6 ． a i ， 其 中 i1 ， 2 ， ⋯， 1 4； 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5。 依次将每个隶属函数填入表 l中。 表 1 钻井井下事故诊断矩阵 井下事故原 因 事故征兆 i 钻具段落 卡钻 严重井塌 井喷 钻头落井 D b 2 b ， b 4 转盘扭矩正常 a ． 0 0 O 0 ． 1 O 转盘扭矩增大 a 2 0 O ． 2 0 ． 5 4 O O ． 6 l 转盘扭矩减小 a 0 ． 4 5 0 O O O 转盘不能转动 a 0 0 ． 6 8 O O O 钻具上体遇阻 a 5 0 O ． 5 0 ． 7 5 0 O ． 6 5 钻具下放 遇阻 a 0 O ． 5 O ． 7 5 O 0 悬重正常 a ， O O 0 O O ． 2 悬重下降 a 8 0 ． 7 6 O O O ． 6 0 泵压上 升 a 。 O O 0 ． 7 0 O 泵压下 降 a 10 O ． 6 O O O O ． 6 5 泥浆量正常 a O O ． 1 0 O O 泥浆返出量增大 a 0 ． 1 O O O ． 2 5 0 ． 6 5 泥浆返 出量减小 a ， 0 O O ． 6 0 O 泥浆返 出量为零 a 0 O O ． 3 O 0 根据上面分析可知 ，事故征兆 与原 因之间的 隶属关系非常复杂 ，同一事故征兆对应多种事故 原因 ；而同一事故原因，又可能发生多种事故征 兆 。为了能够从征兆 中准确找 出事故原 因，需要 根据事故原因与征兆之间关联 的紧密程度 ，确定 相应的加权系数 ，既可 以用上面确定隶属函数 的 方法得到加权系数，又可以利用计算机通过自学 习过程 ，不断修正加权 系数 ，以便提高诊断钻井 井下事故的精度。 4实例分 析 设钻井过程中井下事故的征兆有 a ． 转盘扭矩 正常， a 悬重下降， a 。 泵压上升， a ， 泥浆返出量增 大。用 1 表示出现征兆，用 0表示无征兆出现，所 以可得到征兆的向量为 A { a ， a ， a ， ⋯， a } { 1 ， 0 ， 0， 0 ， 0 ， 0， 0 ， 1 ， 1 ， 0 ， 0， 1 ， 0 ， 0} ， 根据表 1可得 模糊诊断矩阵 R，于是根据模糊推理合成规则可 求得井下事故原因向量为 ★ 石油化工安全环保技术 ★ 2 0 1 4年 第3 O卷第 6期 B A R[ 1 ， 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 0 ， 1 ， 1 ， 0 ， 0 ， 1 ， 0 ， 0 j． 其结果出现了最大值 0 ． 9 5 ，根据最大隶属度 的原则 ，采用连乘法 ，再通过 比较乘积相对值 的 大小 ，得到最大者为诊断 的结果 。通过计算可知 导致事故征兆的原因是 b ，即井喷事故 ，这与现 场的判断结果相符。 5 结论 1 利用模糊故障诊断模型，能够及时地诊 断 钻井井下事故 的原因，采取有针对性的措施 ，降 低钻井成本的同时，大大提高了钻井效率。 2 钻井事故原 因与事故征兆之间具有不确定 性 ，为了减少这种不确定 的影响，应该及时地对 已建立 的模糊诊断矩 阵，通过计算机 自学 的方法 和专家的经验加以修正 ，提高诊断的准确率 。 0 ． 8 6 ， 0 ， 0 ． 7 ， 0 ． 9 5 ， 0 ． 6 5 参考文献 [ 1 ] 李士勇．工程模糊 数 学及 应用 [ M] ．哈 尔滨哈 尔滨 工 业 大 学 出版 社 ，2 0 0 4 1 3 8 ． 1 5 4． [ 2 ] 彭祖赠，刊 、 韫玉．模糊数学及其应用 [ M] ． 武汉武汉大学出版社，2 0 3 2 1 2 2 1 7 6 ． [ 3 ] 刘汝山．钻 井 井下 复杂 问题 预 防与 处理 [ M] ．北京中国石化 出版社，2 0 0 5 1 - 3 ． [ 4 ] 韩朝辉，等．钻井事故人工智能实时监控 系统 [ J ] ． 电气传 动 自动 化，2 0 0 7 ，2 9 4 5 2 5 3 ． [ 5 ] 苏欣 ，等．输油泵模糊故障诊断 [ J ] ．石 油机械 ，2 0 0 6 ，3 4 2 4 3 44 ． 上接 第 4 5页 4 ． 3装置 关键 部位设 工业 监控 电视 在装置高温油换热 区、高温油机泵、加热炉 炉顶常压塔 、减压塔转油线等附近增设工业监控 摄像头 ，进行电视监控 ；将信号分 为两路 ，一路 信号接入主控室监控 ，另一路将信号接入公司消 防队控制中心监控。当监控人员发现着火时，消 防队能够迅速出警 ，在第一时间赶到现场灭火 。 5 完善的自保联锁逻辑设计 石油石化行业属于高危行业 ，装 置的 自动化 水平越高 ，需要的操作人员越少； 自保联锁逻辑 设计得越完善 ，装置的安全系数越高 ，事故造成 的损失就越小。应当转 变观念 ，向国外先进企业 学习，从装置设计初期就要从本质安全型设计 着 手 ，着眼于保护人员 操作 、维护和施工人员 的 人身安全 。而装置 自保逻辑 的设计 是提高 自动化 控制水平的基础。 6 结 语 装置工艺设计质量是保证装置安全平稳生产 的关键。装置 的安全联 锁 自保逻辑设计是保证装 置在异常状态下不发生事故的基础 ，优 良的工程 施工质量是装置安全生产 的保障 ，仪表及关键设 备是保证联锁逻辑有效执行的关键。 0 0 0 0 0 o 0 o 0 C 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 4 5 5 7 5 3 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 n 2 5 51 1 0 O 0 0 0 0 0 0 C； 0 0 5 6 ， o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o