基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的注水井在線預(yù)報(bào)警指數(shù)模型研究及應(yīng)用

黃波 鄭春峰 郝濤 李昂

1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院

油田數(shù)字化建設(shè)基本實(shí)現(xiàn)了注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控，一定程度上提升了油田注水管理智能化水平，但是現(xiàn)有的注水井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中存在重復(fù)報(bào)警、誤報(bào)漏報(bào)率高、重點(diǎn)警情不突出等問題。注水井是一個(gè)完整的壓力系統(tǒng)，包括井筒管流、管柱嘴流及地層滲流。每一個(gè)環(huán)節(jié)都有多種因素影響，包括壓力、流量、水質(zhì)、溫度等。因此對(duì)于注水井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，要明確同一口井各個(gè)監(jiān)控指標(biāo)的報(bào)警優(yōu)先級(jí)，找出多口井中出現(xiàn)問題最嚴(yán)重的井，實(shí)現(xiàn)“嚴(yán)重井優(yōu)先，重要指標(biāo)優(yōu)先”的報(bào)警原則。目前在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)報(bào)警方法方面，Ba Zhenning等[1]采用網(wǎng)絡(luò)分析法和模糊綜合評(píng)判法，對(duì)排水管網(wǎng)的失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了預(yù)報(bào)警分析，建立的指標(biāo)模型保障了排水管網(wǎng)的安全運(yùn)行；Lu Yi等 [2]采用組合群決策和模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)某低溫截止閥進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；Wu Yunna等[3]利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)海上波浪-風(fēng)力-太陽能壓縮空氣儲(chǔ)能電站進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；Qiao Chen等[4]開展基于模糊層次評(píng)價(jià)的巖爆強(qiáng)度分類預(yù)測(cè)研究，建立了沖擊地壓強(qiáng)度模糊綜合評(píng)價(jià)模型，建立的巖爆預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)模型能夠提高預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性；Chen Cunliang[5]利用一種新的基于主成分分析的模糊綜合評(píng)判方法，有效識(shí)別和控制主導(dǎo)通道，提高了水驅(qū)油藏的采油效率。因此模糊綜合評(píng)判方法在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)報(bào)警方面已實(shí)現(xiàn)許多成功的應(yīng)用。在油水井在線診斷報(bào)警方面，彭遠(yuǎn)志等[6]建立了基于SPC的單參數(shù)預(yù)警模型，通過優(yōu)化判異準(zhǔn)則，擴(kuò)展出油井13類故障類型，提高參數(shù)的預(yù)警時(shí)效；于世春等[7]利用多信息融合、數(shù)據(jù)集成及計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過特定的融合模型及算法，實(shí)現(xiàn)注水井工況分析診斷、故障預(yù)警、指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程調(diào)配、注水曲線及報(bào)表自動(dòng)生成等功能。以上方法建立了完善的故障工況類型，但是對(duì)于參數(shù)報(bào)警的嚴(yán)重程度均未進(jìn)行定量判斷，對(duì)于部分已經(jīng)發(fā)生變化但是未達(dá)到報(bào)警閾值的情況無法進(jìn)行提前預(yù)警。筆者對(duì)注水井安全運(yùn)行影響因素進(jìn)行分類，建立指標(biāo)體系與隸屬函數(shù)，應(yīng)用隸屬函數(shù)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)報(bào)警嚴(yán)重程度進(jìn)行定量描述；通過模糊評(píng)判法得到單井預(yù)報(bào)警指數(shù)并進(jìn)行排序，實(shí)現(xiàn)注水井分級(jí)預(yù)報(bào)警；關(guān)聯(lián)信息合并報(bào)警，重點(diǎn)報(bào)警信息優(yōu)先推送。

1 注水井預(yù)報(bào)警指標(biāo)體系及量化評(píng)價(jià)方法

注水井安全風(fēng)險(xiǎn)的影響因素包括油壓、套壓、注水水質(zhì)、注水量、注水溫度等。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，注水壓力異?？蓪?dǎo)致井口承壓超限引起安全事故，或超過地層破裂壓力而傷害地層，另外注水井套管內(nèi)帶壓影響生產(chǎn)增產(chǎn)措施的實(shí)施，增加井口刺漏的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)管柱在高壓環(huán)境下加速腐蝕，因此壓力指標(biāo)是注水生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)指標(biāo)。注水量異常一方面會(huì)引起注水壓力的異常，產(chǎn)生安全隱患，另一方面欠注或超注會(huì)導(dǎo)致地層能量不能及時(shí)補(bǔ)充或引起注水突進(jìn)，影響注水增油效果。注水水質(zhì)不合格會(huì)對(duì)地層造成傷害，引起滲流通道堵塞，降低地層吸水能力。根據(jù)油田注水用途，注水水質(zhì)主要包括注入性指標(biāo)和腐蝕性指標(biāo)。注入性指標(biāo)包括含油率、懸浮物濃度、懸浮顆粒粒徑中值，腐蝕性指標(biāo)包括腐蝕速率、硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細(xì)菌等，依據(jù)油田水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)確定報(bào)警值。綜上所述，以注水過程中壓力、注水量、水質(zhì)三類指標(biāo)作為評(píng)價(jià)注水井預(yù)報(bào)警監(jiān)控的一級(jí)指標(biāo)（見圖1）。

圖1 注水井影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig. 1 Evaluation index of influential factor of water injector

將注水井預(yù)報(bào)警先后順序視為多層次模糊決策問題，采用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以為注水井安全風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度和預(yù)報(bào)警優(yōu)先級(jí)提供一種定量化的方法。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決[8-9]。具體步驟如下。

（ 1）建立注水井因素集。因素集是指對(duì)影響評(píng)價(jià)對(duì)象的因素進(jìn)行提取、整理，并將其組合成一組因素，根據(jù)圖1指標(biāo)體系，注水井的因素集為U=

（ 2）建立評(píng)估集。為了量化評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)指標(biāo)或等級(jí)，規(guī)范評(píng)價(jià)結(jié)果，選擇評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)指標(biāo)vi構(gòu)成評(píng)價(jià)集V，即，

（ 3）確定注水井評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量。在層次分析的基礎(chǔ)上，確定注水井評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的層次關(guān)系，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系；然后利用德爾菲法，通過1~9標(biāo)度法得出ui與uj之 間的相對(duì)權(quán)重aij，利用層次分析法形成評(píng)價(jià)指標(biāo)向量權(quán)重al，構(gòu)成注水井各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重矩陣

（ 4）注水井單因素模糊評(píng)價(jià)的隸屬度確定。隸屬度函數(shù)是模糊集合應(yīng)用于實(shí)際問題的基石，一個(gè)具體的模糊對(duì)象，首先應(yīng)當(dāng)確定其切合實(shí)際的隸屬度函數(shù)，才能應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法做具體的定量分析，通過函數(shù)分段法得到了各基本指標(biāo)的隸屬度，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣。

式中，rij表示某個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象從因素ui來看對(duì)等級(jí)模糊子集vj的隸屬度，其值通過建立注水井評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)來確定。

（5）注水井多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。利用合適的模糊合成算子將模糊權(quán)重矢量A與模糊關(guān)系矩陣R合成得到各被評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矢量B。模糊綜合評(píng)價(jià)的模型為

式中，bj表示被評(píng)級(jí)對(duì)象從整體上看對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)模糊 子集元素vj的隸屬程度。

2 注水井預(yù)報(bào)警指數(shù)模型建立

利用層次分析法計(jì)算出圖1中各因素的相對(duì)權(quán)重，構(gòu)建確定各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，建立注水井在線預(yù)報(bào)警指數(shù)模型，得到注水井預(yù)報(bào)警指數(shù)矩陣B，bi的大小即為注水井報(bào)警的嚴(yán)重程度。具體流程如圖 2所示，圖中CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率。

圖2 預(yù)報(bào)警模型建立流程圖Fig. 2 Establishment process of pre-alarm model

2 .1 注水井指標(biāo)的隸屬函數(shù)的確定

2.1.1 井口注水壓力隸屬函數(shù)

井口注水壓力是注水過程中的重要安全指標(biāo)[10]。合理的安全注水壓力既是保證注水井注水能力的關(guān)鍵，也是防止發(fā)生注水安全風(fēng)險(xiǎn)的保障[11-12]。其隸屬函數(shù)為

式中，pk為井口實(shí)時(shí)注水壓力，MPa；μ為安全系數(shù)，取0.85；pkf為地層破裂壓力折算到井口的注水壓力，M Pa。

2.1.2 小層注水壓力隸屬函數(shù)

分注井利用配水器的節(jié)流作用實(shí)現(xiàn)分層定量注水，導(dǎo)致同一口井各小層的注水壓力不同，會(huì)直接影響注水管柱安全及注水效果[13-14]。小層注水壓力隸屬函數(shù)為

式中，pid為 某小層地層實(shí)時(shí)注水壓力，MPa；pidf為某小層地層破裂壓力，MPa。

2.1.3 井口套壓隸屬函數(shù)

套壓能直接反映井下封隔器是否密封完好，較高的環(huán)空套壓對(duì)井口設(shè)備和作業(yè)人員構(gòu)成較大的安全威脅[15-16]。注水井井套壓隸屬函數(shù)為

式中，pt為井口實(shí)時(shí)套壓，MPa；K為套壓報(bào)警臨界值，根據(jù)注水類型與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定，MPa。

2.1.4 井口注水量隸屬函數(shù)

注水量是保證地層能量補(bǔ)充的基礎(chǔ)，會(huì)直接影響注水合格率[17]。注水量與注入壓力有直接關(guān)系，注水指示曲線即是注入壓力與注入量的關(guān)系曲線，反映地層吸水能力的變化。井口注水量隸屬函數(shù)為

式中，Qk為 井口實(shí)時(shí)注水量，m3；β為注水量浮動(dòng)范圍 系數(shù)，取0.2；Qkp為井口配注量，m3。

2.1.5 小層注水量隸屬函數(shù)

分層注水是非均質(zhì)多層油藏注水井增加有效注水、均衡吸水剖面、減緩層間干擾、改善開發(fā)效果的重要技術(shù)，小層注水量能否滿足要求，影響精細(xì)注水效果。小層注水量隸屬函數(shù)為

式中，Qimp為 某小層實(shí)時(shí)注水量，m3；Qimsp為某小層配注 量，m3。

2.1.6 水質(zhì)指標(biāo)隸屬函數(shù)

油田注水開發(fā)效果會(huì)受到多種客觀因素的影響，最為直接的就是注水水質(zhì)。這也是注水開發(fā)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果的原因之一[18-19]。水質(zhì)指標(biāo)包括7項(xiàng)，其中含油率、懸浮物濃度、懸浮顆粒粒徑中值不合格會(huì)直接造成孔喉堵塞，造成地層傷害[20-21]；平均腐蝕率、硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細(xì)菌與注水管柱和井下設(shè)備的腐蝕速率有關(guān)，影響注水安全。各注水水質(zhì)指標(biāo)有臨界界限值，當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)值小于臨界界限值，水質(zhì)指標(biāo)安全；當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)值大于臨界界限值會(huì)發(fā)生報(bào)警。注水水質(zhì)指標(biāo)的隸屬函數(shù)為

式中，qci為某一注水水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)值；qmi為某一注水水質(zhì)指標(biāo)的臨界界限值；Rsi為某一注水水質(zhì)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，Rs1對(duì) 應(yīng)含油率指標(biāo)，Rs2對(duì)應(yīng)懸浮物濃度指標(biāo)，Rs3對(duì) 應(yīng)懸浮顆粒粒徑中值指標(biāo)，Rs4對(duì)應(yīng)平均腐蝕率指標(biāo)，Rs5對(duì) 應(yīng)硫酸鹽還原菌指標(biāo)，Rs6對(duì)應(yīng)腐生 菌指標(biāo)，Rs7對(duì)應(yīng)鐵細(xì)菌指標(biāo)。

2.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)注水井影響因素指標(biāo)，建立如圖1所示的層次分析模型，依據(jù)文獻(xiàn)[8]所述的層次分析法原理，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配，結(jié)果如表1所示。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配表Table 1 Weight distribution of different evaluation indexes

2.3 計(jì)算預(yù)報(bào)警指數(shù)

基于層次分析法，得到監(jiān)控指標(biāo)特征向量權(quán)重值，得到判斷矩陣A。

基于各影響因素的隸屬度函數(shù)，得到隸屬度矩陣R，由隸屬度矩陣R與判斷矩陣A相乘得到目標(biāo)函數(shù)預(yù)報(bào)警指數(shù)矩陣B

式中，n表示報(bào)警井?dāng)?shù)；bn表 示第n口井的預(yù)報(bào)警指數(shù)，其值越大表示該井問題越嚴(yán)重；m表示每口井的m個(gè)指標(biāo)。

3 實(shí)例分析

以QHD32-6油田某區(qū)塊的9口注水井為研究對(duì)象，目前該區(qū)塊注水井分注方式有預(yù)置電纜自動(dòng)測(cè)調(diào)分注、同心集成分注、單極同心分注。部分注水井的注水壓力波動(dòng)范圍大，存在異常注水壓力的情況，也有套壓升高的情況出現(xiàn)，注水量基本滿足配注要求，水質(zhì)指標(biāo)中檢測(cè)到懸浮物含量超標(biāo)的情況。其中，Well_01懸浮物濃度稍高于油田的指標(biāo)界限值，Well_04存在懸浮物濃度嚴(yán)重超標(biāo)的問題，Well_05存在注水壓力偏高、套壓異常偏高的問題，Well_06存在套壓異常偏高的問題。

基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將單井各指標(biāo)數(shù)值代入對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)式(3)~式(8)，計(jì)算得到隸屬度矩陣R。

由式(10)計(jì)算得出單井的報(bào)警指數(shù)。

對(duì)該區(qū)塊內(nèi)注水井的預(yù)報(bào)警指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)結(jié)果將其按等級(jí)分為3類：第一類是嚴(yán)重井（預(yù)報(bào)警指數(shù)大于0.8），第二類是較嚴(yán)重井（預(yù)報(bào)警指數(shù)為0.5~0.8），第三類是不嚴(yán)重井（預(yù)報(bào)警指數(shù)小于0.5），結(jié)果見表2。可以看出，Well_05井報(bào)警指數(shù)0.891，為一類報(bào)警，主要原因?yàn)樘讐号c注入壓力異常；Well_04井報(bào)警指數(shù) 0.693，為二類報(bào)警，主要原因是懸浮物濃度嚴(yán)重超標(biāo)；Well_06井報(bào)警指數(shù)0.688，為二類報(bào)警，主要原因?yàn)樘讐寒惓＃籛ell_01井報(bào)警指數(shù)0 .632，為二類報(bào)警，主要原因?yàn)樘讐寒惓：蛻腋∥餄舛容^高。

表2 注水井預(yù)報(bào)警指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculated pre-alarm index of water injector

由于壓力波動(dòng)、注水量波動(dòng)等因素的影響，需要驗(yàn)證預(yù)報(bào)警的準(zhǔn)確性和靈敏性。收集一類報(bào)警井Well_05近半年井口油壓、井口注水量、懸浮物濃度等數(shù)據(jù)。該井井口油壓注水指標(biāo)界限值為12 MPa，懸浮物濃度注水指標(biāo)界限值為5 mg/L。由圖3可以看出，在井口油壓波動(dòng)變化情況下，有50%的測(cè)量數(shù)據(jù)超過12 MPa。

圖3 Well_05井近期重要指標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)Fig. 3 Recently measured important index of Well_05

利用Well_05井最近半年的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)警指數(shù)計(jì)算分析，由圖4可以看出，Well_05井預(yù)報(bào)警為一類報(bào)警的概率在70%，二類報(bào)警的概率在30%。因此考慮三大重要指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波動(dòng)的因素，可以實(shí)現(xiàn)注水井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的在線預(yù)報(bào)警功能。

圖4 Well_05井報(bào)警指數(shù)Fig. 4 Alarm index of Well_05

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)校驗(yàn)可知，9口井12項(xiàng)指標(biāo)均無重復(fù)報(bào)警、漏報(bào)現(xiàn)象，預(yù)報(bào)警等級(jí)排序結(jié)果也符合渤海油田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注水井風(fēng)險(xiǎn)處理的優(yōu)先級(jí)，表明模糊綜合評(píng)判法建立的注水井預(yù)報(bào)警模型在渤海油田具有良好的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

（1）總結(jié)國(guó)內(nèi)外注水運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)指標(biāo)，并從渤海油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管理需求出發(fā)，建立了注水壓力、注水量、注水水質(zhì)三類安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素的預(yù)報(bào)警指標(biāo)體系,能夠定量評(píng)價(jià)各影響因素之間的相對(duì)重要性。

（2）采用層次分析法定量確定各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)用綜合評(píng)判方法建立注水井預(yù)報(bào)警指數(shù)模型，將模糊層次問題定量化，有效避免了多指標(biāo)評(píng)判的主觀性，實(shí)現(xiàn)了“嚴(yán)重井優(yōu)先，重要指標(biāo)優(yōu)先”的報(bào)警機(jī)制。

（3）通過現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)應(yīng)用，證明模糊綜合評(píng)判法建立的注水井預(yù)報(bào)警模型符合渤海油田實(shí)際情況，對(duì)其他類似油田的注水井安全運(yùn)行預(yù)報(bào)警也具有較好的推廣借鑒意義。

（4）建立的預(yù)報(bào)警指數(shù)模型可對(duì)注水井狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確、量化評(píng)估，并有較強(qiáng)的可操作性，但是指標(biāo)權(quán)重依賴于專家經(jīng)驗(yàn)的主觀評(píng)價(jià)，如何依據(jù)油田實(shí)際情況科學(xué)應(yīng)用專家經(jīng)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)客觀評(píng)價(jià)和提高模型準(zhǔn)確度的有效方法。