西北油田智能監(jiān)測(cè)溢流預(yù)警系統(tǒng)建立與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

楊紅滿，盧世浩，徐高軍，張軍陽，吳 桐

（1.中石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆輪臺(tái) 841600；2.中石化西南石油工程有限公司地質(zhì)錄井分公司，四川綿陽 621050）

西北油田智能監(jiān)測(cè)溢流預(yù)警系統(tǒng)建立與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

楊紅滿1，盧世浩1，徐高軍1，張軍陽1，吳 桐2

（1.中石化西北油田分公司石油工程監(jiān)督中心，新疆輪臺(tái) 841600；2.中石化西南石油工程有限公司地質(zhì)錄井分公司，四川綿陽 621050）

隨著西北油田油氣勘探開發(fā)程度的不斷深入，面臨的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，井控風(fēng)險(xiǎn)隨之增大。為有效降低井控風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)西北油田油氣藏特征和現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工情況，在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)處理方法、參數(shù)優(yōu)選、判斷規(guī)則等方面建立溢流預(yù)警模型，并完成了智能監(jiān)測(cè)溢流預(yù)警軟件系統(tǒng)的開發(fā)；通過西北油田工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該系統(tǒng)相較傳統(tǒng)的綜合錄井溢流監(jiān)測(cè)方法，有效提高了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

鉆井；溢流；綜合錄井；預(yù)警模型

石油鉆井施工具有投資規(guī)模大、周期長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)[1]，井控安全是鉆井安全的重中之重，在鉆井施工過程中，發(fā)生井噴甚至井噴失控，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)溢流，及早采取有效的控制措施避免事態(tài)的進(jìn)一步惡化顯得尤為重要。隨著錄井技術(shù)的發(fā)展，能夠直接獲取的鉆井參數(shù)越來越多，越來越精確，在鉆井安全中扮演的角色越來越重要，應(yīng)用綜合錄井儀的實(shí)時(shí)鉆井參數(shù)進(jìn)行溢流監(jiān)測(cè)，具有效率高、成本低、易推廣的特點(diǎn)。因此，基于綜合錄井儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用數(shù)學(xué)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行二次應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效的鉆井溢流監(jiān)測(cè)[2]，在降低油田井控風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井方面具有重要意義。

1 工區(qū)技術(shù)現(xiàn)狀

西北油田主力區(qū)塊油藏以縫洞型碳酸鹽巖為主，該種地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有“超深、超稠、高溫、高壓、高礦化度”等特點(diǎn)；隨著勘探區(qū)塊的不斷外延至順北、順南、順托區(qū)塊，這些區(qū)塊油氣 “三高”特征更加明顯，鉆進(jìn)過程中易發(fā)生溢流，井控風(fēng)險(xiǎn)大增。為此，西北油田分公司不斷加強(qiáng)工區(qū)內(nèi)的溢流監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，但主要還是依靠傳統(tǒng)的人工坐崗，鉆機(jī)配套監(jiān)視系統(tǒng)以及綜合錄井儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。

1.1 人工坐崗

從安裝防噴器到完井安排專人24小時(shí)坐崗觀察溢流顯示和測(cè)量泥漿罐液面，定時(shí)記錄觀察、測(cè)量情況，發(fā)現(xiàn)異常，立即報(bào)告值班干部。

1.2 綜合錄井儀的異常預(yù)報(bào)

工區(qū)內(nèi)綜合錄井儀主要為神開、二十二所、科油、勝利以及部分進(jìn)口的儀器型號(hào)，這些錄井儀軟硬件配置各異，性能不一，在溢流事件的識(shí)別上主要還是依靠現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，計(jì)算機(jī)僅僅輔以少量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析工作。綜合錄井儀軟件系統(tǒng)的異常預(yù)報(bào)，僅僅進(jìn)行單參數(shù)的超限提醒，一般采用的是閾值法，即高低門限設(shè)定報(bào)警[3]，操作人員發(fā)現(xiàn)后進(jìn)行綜合分析、核實(shí)確定異常類型，依賴人員的專業(yè)素質(zhì)。由于報(bào)警邏輯簡(jiǎn)單，在井場(chǎng)施工的復(fù)雜環(huán)境下，極易誤報(bào)，造成操作人員“報(bào)警麻木”；另一方面，在觸發(fā)報(bào)警后，如果參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間不回歸，報(bào)警將不會(huì)解除，如鉆進(jìn)中變更排量，出口流量、立壓等參數(shù)將會(huì)持續(xù)報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要經(jīng)常進(jìn)行干預(yù)，改變參數(shù)的門限值，操作繁瑣?？傊Ｒ?guī)綜合錄井儀軟件系統(tǒng)的報(bào)警模塊無法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜情況的判斷，并且非常依賴操作人員的綜合素質(zhì)，作為成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)又面臨型號(hào)多、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、難以整合等問題。

1.3 其他方式

除了上述廣泛應(yīng)用的溢流監(jiān)測(cè)方式外，基于隨鉆井底測(cè)量技術(shù)、控壓鉆井技術(shù)等的溢流監(jiān)測(cè)方法，可靠性高、實(shí)時(shí)性好，但系統(tǒng)安裝復(fù)雜、成本高難以推廣；而根據(jù)地層巖性和孔隙度分析進(jìn)行溢流監(jiān)測(cè)，能夠進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，但需要大量數(shù)據(jù)的分析，實(shí)時(shí)性差。

綜上，對(duì)綜合錄井儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的二次應(yīng)用進(jìn)行研究，建立科學(xué)合理的預(yù)警模型，開發(fā)軟件系統(tǒng)并推廣應(yīng)用，是提高油田溢流監(jiān)測(cè)水平的有效手段。

2 溢流預(yù)警模型建立

2.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)優(yōu)選

通過整理分析西北油田近5年64口井87次溢流資料，溢流主要發(fā)生在鉆進(jìn)工況下，離井底、起鉆、劃眼發(fā)生概率相近，下鉆工況相對(duì)安全（圖1）。從參數(shù)變化情況看，在發(fā)生的溢流事件中出口流量、池體積、氣測(cè)值參數(shù)必定會(huì)發(fā)生變化，立壓異常概率接近50%，而鉆時(shí)、出口密度、出口電導(dǎo)異常概率約30% 左右，其他參數(shù)變化概率較低（表1）。

圖1 不同工況下溢流發(fā)生情況圖

優(yōu)選其中9項(xiàng)參數(shù)作為溢流判斷參數(shù)，其中2項(xiàng)參數(shù)與溢流直接相關(guān)，7項(xiàng)參數(shù)與溢流間接相關(guān)，如表2所示。

表1 溢流事件錄井參數(shù)變化情況統(tǒng)計(jì)表

表2 錄井參數(shù)優(yōu)選統(tǒng)計(jì)表

2.2 基礎(chǔ)判斷規(guī)則

根據(jù)上述優(yōu)選的參數(shù)建立基礎(chǔ)判斷規(guī)則，依據(jù)溢流的成因及誘發(fā)因素，對(duì)溢流事件進(jìn)行早期預(yù)警和核實(shí)報(bào)警，出現(xiàn)能夠誘發(fā)或是溢流前兆的異常進(jìn)行早期預(yù)警；在與溢流直接相關(guān)的多參數(shù)發(fā)生異常后進(jìn)行核實(shí)報(bào)警，基礎(chǔ)判斷規(guī)則如表3所示。

表3 溢流判斷基礎(chǔ)規(guī)則表

2.3 數(shù)學(xué)模型

在利用錄井參數(shù)進(jìn)行溢流判斷時(shí)，需要進(jìn)行多參數(shù)的綜合判斷，該判斷過程的邏輯數(shù)學(xué)方法描述如下：

設(shè)命題 f（x1）代表第一個(gè)參數(shù)增大，命題 f（x2）代表第二個(gè)參數(shù)增大，命題 f（y）代表工程事故，那么二值邏輯判別規(guī)則為：

定義 x1≥ 0.4 時(shí)第一個(gè)命題 f（x1）成立，x2≥ 0.35 時(shí)第二個(gè)命題 f（x2）成立，則有如下二值邏輯表達(dá)式 ：

由以上幾個(gè)表達(dá)式可得出如下具體的表達(dá)式：

從上述二值邏輯方法可以實(shí)現(xiàn)事故是與非的判斷，而要實(shí)現(xiàn)溢流程度[4]的判斷，則需要進(jìn)一步建模描述。

定義溢流必要判別參數(shù)的特征子集（如：無小中大等）。

定義溢流事件的特征子集（如：無小中大等）。

利用多維思考逐步明確問題，建立溢流相關(guān)參數(shù)的關(guān)系矩陣，以行或列對(duì)參數(shù)進(jìn)行描述，在其交點(diǎn)處找出與溢流的關(guān)系。

以利用出口流量與總池體積進(jìn)行溢流判斷的必要條件為例，定義參數(shù)變化程度與溢流程度的特征子集為（小，中，大），三者關(guān)系如下表所示：

表4 溢流程度判斷示例關(guān)系表

2.4 數(shù)據(jù)處理分析方法

對(duì)原始的各類工程參數(shù)進(jìn)行二次處理（如平均、變化率、振幅計(jì)算）與分析，比原始值能更直接地反映鉆井異常的變化狀態(tài)，也能有效發(fā)揮濾除噪聲等非事故因素引起的參數(shù)異常變化，提高預(yù)警的有效性和準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)處理后建立參數(shù)的實(shí)時(shí)背景基線，以此為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)與分析，根據(jù)人工設(shè)定的正常變化閾值判斷參數(shù)是否發(fā)生異常，如圖2所示。

圖2 參數(shù)監(jiān)測(cè)工作曲線

2.5 特殊變量引入

引入時(shí)間及權(quán)重參數(shù)進(jìn)行綜合判斷。定義時(shí)間參數(shù)，界定參數(shù)超限時(shí)長(zhǎng)的異常判斷標(biāo)準(zhǔn)，排除參數(shù)正常波動(dòng)變化，如圖3所示，如果參數(shù)超過異常閾值上線時(shí)間小于定義的時(shí)間參數(shù)，則不視為異常。

圖3 智能監(jiān)測(cè)溢流預(yù)警系統(tǒng)“時(shí)間窗”參數(shù)引入

權(quán)重系數(shù)的引入，在多參數(shù)的綜合判斷中，有必要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定義各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，持續(xù)、關(guān)鍵的重要參數(shù)作為必要參數(shù)，在多參數(shù)判斷中占主導(dǎo)地位，提高相應(yīng)參數(shù)在判斷中的比重設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)事件嚴(yán)重程度的不同描述；比如高壓油氣井適當(dāng)增加立壓和懸重的權(quán)重，當(dāng)立壓和懸重變化時(shí)，預(yù)報(bào)的程度相應(yīng)會(huì)提高。不同程度預(yù)警反映出事件發(fā)生過程的整體走勢(shì)情況和異常變化的輕重緩急程度，從而能使施工方采取比較合理的措施。如表5所示，對(duì)工區(qū)不同類型井進(jìn)行參數(shù)權(quán)重設(shè)置（權(quán)重根據(jù)參數(shù)多寡確定具體數(shù)值，如碳酸鹽高壓氣井設(shè)置7個(gè)參數(shù)綜合判斷溢流，權(quán)重之和就是7）。

表5 西北工區(qū)溢流參數(shù)權(quán)重設(shè)置

2.6 起下鉆灌返漿情況監(jiān)測(cè)

起、下鉆工況下，除了上述監(jiān)測(cè)模型外，根據(jù)井控風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，針對(duì)灌、返漿情況建立監(jiān)測(cè)機(jī)制。以綜合錄井儀的循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系為基礎(chǔ)，獲取灌漿罐與鉆具體積參數(shù)，對(duì)比灌、返漿量與鉆具排替理論量。其計(jì)算公式如下：

即

式中 ：Vg為實(shí)際灌、返漿量 ；V1為灌漿罐靜止（趨勢(shì)認(rèn)為）體積 ；V2為灌漿罐變化（趨勢(shì)認(rèn)為）至再次靜止的體積 ；Vt為鉆具排替體積 ；Vd為鉆具體積（根據(jù)情況可能為壁厚體積或外徑體積），Ve為理論與實(shí)際差值 ；n 為系統(tǒng)誤差常量。

3 溢流預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用采用模塊化、組件化、開放式設(shè)計(jì)，具有良好的可維護(hù)和可擴(kuò)展能力。主要包含數(shù)據(jù)采集接口插件、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警模型、主程序框架及數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

3.2 系統(tǒng)工作流程

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，通過綜合錄井儀數(shù)據(jù)接口插件獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理分析，根據(jù)當(dāng)前工況將處理后的數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入預(yù)警模型進(jìn)行綜合判斷，隨后輸出系統(tǒng)判斷結(jié)果進(jìn)行人機(jī)交互，在交互的過程中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與預(yù)警模型的進(jìn)一步修正完善[5-6]，具體如圖 5 所示。

圖5 鉆井溢流預(yù)警系統(tǒng)工作流程圖

4 應(yīng)用情況

截 至 2017 年 4 月， 該 系 統(tǒng) 在 西 北 油 田 TK915-12H 井、TP189X 井、TH12399井、TK12398等16口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)部署應(yīng)用，累計(jì)運(yùn)行562d（表6），能夠較準(zhǔn)確識(shí)別真、假溢流。通過合理的參數(shù)配置，能夠有效排除易引起誤報(bào)的異常，如鉆井參數(shù)的變化、傳感器電磁干擾等因素造成的參數(shù)變化，同時(shí)對(duì)單參數(shù)的異常進(jìn)行記錄與提醒。

表6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表

案例 ：在 TP347H 井，在保持工程參數(shù)穩(wěn)定的情況下，通過防溢管增加泵排量模擬溢流驗(yàn)證監(jiān)測(cè)軟件的及時(shí)性。試驗(yàn)一，對(duì)出口流量單模塊進(jìn)行驗(yàn)證（表7），結(jié)果 ：綜合錄井儀受液面波動(dòng)范圍和頻繁報(bào)警影響，門限設(shè)置為3%～5%，增加2.2%，未報(bào)警 ；監(jiān)測(cè)軟件動(dòng)態(tài)調(diào)整基值，門限設(shè)置為 0.8%，大于 0.8% 系統(tǒng)報(bào)警，耗時(shí) 30s。

表7 出口流量驗(yàn)證情況

試驗(yàn)二，在保持泵速 0.37m3/min 狀態(tài)下，通過防溢管泵入鉆井液，試驗(yàn)系統(tǒng)溢流預(yù)警效果如下：

表8 監(jiān)測(cè)軟件測(cè)試效果

5 結(jié)論

基于綜合錄井儀較完善的鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)體系，建立溢流綜合判斷邏輯模型，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況引入模型進(jìn)行綜合判斷，有效提高了溢流事件的判別效率，并實(shí)現(xiàn)了參數(shù)異常、溢流事件發(fā)展態(tài)勢(shì)的跟蹤報(bào)警，具備了一定程度的智能化；特別是在未增加其他硬件設(shè)備的條件下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的起下鉆灌、返漿情況監(jiān)測(cè)，在錄井儀參數(shù)的二次應(yīng)用方面，拓展了應(yīng)用思路。本系統(tǒng)為油田降低井控風(fēng)險(xiǎn)，提高溢流監(jiān)測(cè)水平提供了一套有效的技術(shù)輔助手段，相較傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，具有成本低、易推廣、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)在減輕現(xiàn)場(chǎng)人員身心負(fù)擔(dān)，降低對(duì)人員素質(zhì)的依賴方面具備優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，系統(tǒng)也存在不足之處，如系統(tǒng)受數(shù)據(jù)源配置局限（獲取綜合錄井儀的數(shù)據(jù)）出口槽液面和泥漿罐液面波動(dòng)較大會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)報(bào)警值，導(dǎo)致系統(tǒng)不能最大化發(fā)揮及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溢流的效果；對(duì)早期井筒內(nèi)的溢流發(fā)現(xiàn)缺乏可靠的預(yù)測(cè)手段，在鉆井施工的復(fù)雜作業(yè)綜合判斷不足等，有待進(jìn)一步拓寬思路，進(jìn)行的持續(xù)研究與完善。

[1] 潘兆明 .石油鉆井作業(yè)面臨的風(fēng)險(xiǎn)及防范 [J].工程技術(shù)（引文版），2016，25（5）： 155.

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[4] 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.

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[6] 郭齊勝 .系統(tǒng)建模與仿真 [M].北京 ：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

Establishment and Application of Intelligent Monitoring Overflow Warning System in Northwest Oilfield

Yang Hong-man，Lu Shi-hao，Xu Gao-jun，Zhang Jun-yang，Wu Tong

With the deepening of oil and gas exploration and development in northwest oilfield，the geological conditions are becoming more and more complicated，and the risk of well control increases.In order to reduce the risk of well control，according to the characteristics of oil and gas reservoirs in Northwest China and the drilling conditions，Based on the statistical analysis of a large number of data，the overf l ow warning model is established from the aspects of data processing method，parameter optimization and judgment rule，and the intelligent monitoring overf l ow warning software system is developed.Through the fi eld application of the northwest oilf i eld area，The traditional integrated logging overf l ow monitoring method，effectively improve the accuracy of the forecast.

drilling ；overf l ow ；integrated logging ；early warning model

TP277

：A

：1003–6490（2017）07–0090–03

2017–05–15

楊紅滿（1983—），男，新疆烏魯木齊人，工程師，主要從事地質(zhì)錄井監(jiān)督及錄井新技術(shù)研究工作。