鉆井井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁本福 李 黔 梁海波 張繼軍

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探錄井公司，遼寧 盤錦 124010）

0 引言

井漏［1］是鉆井工程中最常發(fā)生的一種復(fù)雜情況，識(shí)別和預(yù)防井漏需要綜合考慮多方面的因素，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員一般依靠綜合錄井進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)，或者憑借經(jīng)驗(yàn)直接判斷，由于綜合錄井和人為經(jīng)驗(yàn)的局限性，往往不能及時(shí)有效地預(yù)防井漏。斯倫貝謝與BP石油公司聯(lián)合開發(fā)了比較成熟的、無意外風(fēng)險(xiǎn)的鉆井技術(shù)決策系統(tǒng)［2-4］，能夠有效識(shí)別井漏風(fēng)險(xiǎn)，該技術(shù)在塔里木油田迪那204井成功應(yīng)用，大幅度降低了井漏風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。筆者根據(jù)鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)診斷的特點(diǎn)，綜合應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、程序開發(fā)語言等，開發(fā)了井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井隊(duì)錄井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、管理和井漏風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷等智能化流程，可以及時(shí)對(duì)井漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，有效地提高了鉆井效率。

1 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［5-6］是一種按誤差逆?zhèn)鞑ビ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入至輸出模式映射關(guān)系，而無需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。它的學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最速下降法，通過反向傳播不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)診斷井漏風(fēng)險(xiǎn)，是根據(jù)工程中預(yù)測(cè)出的一些鉆井風(fēng)險(xiǎn)力學(xué)因素值和大腦中長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷的。井漏風(fēng)險(xiǎn)的診斷推理過程是：先分別計(jì)算井底壓力和漏失壓力（或者破裂壓力）的值，再將兩者的值相比較，然后還需要觀察一些地面測(cè)量參數(shù)，如進(jìn)出口流量、鉆井液總池體積、立管壓力變化等，最后根據(jù)自己長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來判斷是否會(huì)發(fā)生井漏（圖1）。

2 系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)

2.1 井漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷流程

根據(jù)井漏風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝，在對(duì)井漏風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，充分利用鄰井資料及目標(biāo)井地質(zhì)設(shè)計(jì)資料建立風(fēng)險(xiǎn)樣本，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，獲得可靠的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值，同時(shí)預(yù)測(cè)目標(biāo)井的漏失壓力和破裂壓力，與實(shí)時(shí)計(jì)算的井底壓力比較。實(shí)時(shí)采集綜合錄井關(guān)鍵參數(shù)，通過關(guān)鍵參數(shù)的趨勢(shì)變化，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后根據(jù)學(xué)習(xí)完成的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理分析模型，在綜合考慮和分析其他風(fēng)險(xiǎn)力學(xué)因素的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)井漏風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷（圖2）。

圖1 鉆井過程井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷BP網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 井漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷分析流程圖

2.2 系統(tǒng)模塊組成

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷的相關(guān)資料，結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法理論為基礎(chǔ)，基于Visual Basic語言與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫開發(fā)了一套井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。主要功能模塊包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與管理、地層與樣本數(shù)據(jù)管理、風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別與分析、井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷，并輔助有系統(tǒng)登陸、維護(hù)、查詢等功能模塊（圖3）。

圖3 系統(tǒng)主要功能模塊圖

2.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與管理

以套接字理論為基礎(chǔ)，開發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳和歷史數(shù)據(jù)的補(bǔ)入，不需要改變數(shù)據(jù)采集儀器硬件的自身結(jié)構(gòu)就能完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步截取。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理提供對(duì)綜合錄井歷史、當(dāng)前數(shù)據(jù)和曲線的實(shí)時(shí)回放與瀏覽，以及對(duì)井深結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井液性能、測(cè)井等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、編輯與修改等功能。

2.2.2 井漏風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

優(yōu)選符合標(biāo)準(zhǔn)的或公認(rèn)的風(fēng)險(xiǎn)因素計(jì)算模型，對(duì)相關(guān)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析，包括巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、三壓力預(yù)測(cè)、鉆柱力學(xué)、水力學(xué)等鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素，為風(fēng)險(xiǎn)診斷分析提供實(shí)時(shí)計(jì)算的鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素。

2.2.3 樣本數(shù)據(jù)管理

根據(jù)區(qū)塊地質(zhì)特征，按井深建立地層分層數(shù)據(jù)，在建立的地層分層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別導(dǎo)入或者錄入鄰井風(fēng)險(xiǎn)因素樣本數(shù)據(jù)，建立風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)樣本，并保存到實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫，為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)提供可靠的樣本數(shù)據(jù)。

2.2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)

展開風(fēng)險(xiǎn)理論及井漏風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理研究，總結(jié)井漏風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的表征現(xiàn)象及規(guī)律，確定關(guān)鍵的表征參數(shù)。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)建立的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和自主學(xué)習(xí)，從而獲得合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值和閾值。

2.2.5 井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)錄井工程、鉆井液和氣測(cè)參數(shù)以及計(jì)算的井底壓力、環(huán)空壓降、鉆柱內(nèi)壓降等水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化趨勢(shì)，識(shí)別潛在的井漏風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)時(shí)診斷的實(shí)現(xiàn)必須具備兩個(gè)基本條件，首先是學(xué)習(xí)鄰井風(fēng)險(xiǎn)樣本數(shù)據(jù)，得到可靠的權(quán)重值。其次是對(duì)正鉆井綜合錄井測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以及實(shí)時(shí)井底壓力的計(jì)算。具備以上兩個(gè)條件后，就可利用設(shè)定數(shù)據(jù)輸入項(xiàng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)正鉆開地層處的井漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，診斷結(jié)果可以為現(xiàn)場(chǎng)施工起到預(yù)警的作用。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某油田興古區(qū)塊A井位于該油田斷陷盆地西部凹陷興隆臺(tái)潛山興古七斷塊，設(shè)計(jì)井深為4 661 m，該區(qū)塊斷裂發(fā)育，太古界潛山埋深2 335～4 680 m，鄰井風(fēng)險(xiǎn)信息提示需做好防漏、防塌。經(jīng)過收集與篩選，將與當(dāng)前井距離最近且具有相似地質(zhì)構(gòu)造特征的一口鄰井作為樣本井，分別把樣本井全部錄井、測(cè)井等數(shù)據(jù)導(dǎo)入風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫，定量計(jì)算相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)力學(xué)因素值，根據(jù)區(qū)塊地層特征，建立風(fēng)險(xiǎn)樣本，進(jìn)而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，保存權(quán)重值。

在鉆至井深2 824 m時(shí)，系統(tǒng)診斷出有井漏風(fēng)險(xiǎn)的跡象。根據(jù)軟件對(duì)錄井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，實(shí)際總池體積由144.04 m3突然下降為141.32 m3，相對(duì)流量由4.7%下降到0.7%，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提示有井漏風(fēng)險(xiǎn)，起到了井漏風(fēng)險(xiǎn)早期預(yù)警的作用（圖4）。

4 結(jié)論

1）采用基于鄰井資料為樣本的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立的井漏風(fēng)險(xiǎn)推理分析模型適用于具有復(fù)雜非線性的井漏風(fēng)險(xiǎn)分析，滿足了鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)分析的需要。

2）根據(jù)井漏風(fēng)險(xiǎn)分析的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝，設(shè)計(jì)了井漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的分析流程，并且構(gòu)建了各子模塊，系統(tǒng)邏輯架構(gòu)清晰，易于實(shí)現(xiàn)。

3）某油田興古區(qū)塊A井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井漏風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷，診斷結(jié)果為鉆井過程起到了預(yù)警作用，具有一定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

圖4 井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷結(jié)果圖

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