西北油田智能監(jiān)測溢流預警系統(tǒng)建立與應用效果評價

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 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)測溢流預警系統(tǒng)建立與應用效果評價

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 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)條件越來越復雜，井控風險隨之增大。為有效降低井控風險，根據(jù)西北油田油氣藏特征和現(xiàn)場鉆井施工情況，在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎上，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警模型，并完成了智能監(jiān)測溢流預警軟件系統(tǒng)的開發(fā)；通過西北油田工區(qū)現(xiàn)場應用，該系統(tǒng)相較傳統(tǒng)的綜合錄井溢流監(jiān)測方法，有效提高了預報的準確率。

鉆井；溢流；綜合錄井；預警模型

石油鉆井施工具有投資規(guī)模大、周期長、技術復雜、安全風險高的特點[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，將會造成嚴重的后果。因此及時準確地發(fā)現(xiàn)溢流，及早采取有效的控制措施避免事態(tài)的進一步惡化顯得尤為重要。隨著錄井技術的發(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，應用綜合錄井儀的實時鉆井參數(shù)進行溢流監(jiān)測，具有效率高、成本低、易推廣的特點。因此，基于綜合錄井儀實時數(shù)據(jù)，通過應用數(shù)學理論與計算機技術進行二次應用，實現(xiàn)科學、高效的鉆井溢流監(jiān)測[2]，在降低油田井控風險、實現(xiàn)優(yōu)快鉆井方面具有重要意義。

1 工區(qū)技術現(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；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，鉆進過程中易發(fā)生溢流，井控風險大增。為此，西北油田分公司不斷加強工區(qū)內(nèi)的溢流監(jiān)測預警工作，但主要還是依靠傳統(tǒng)的人工坐崗，鉆機配套監(jiān)視系統(tǒng)以及綜合錄井儀的實時監(jiān)測與預報。

1.1 人工坐崗

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

1.2 綜合錄井儀的異常預報

工區(qū)內(nèi)綜合錄井儀主要為神開、二十二所、科油、勝利以及部分進口的儀器型號，這些錄井儀軟硬件配置各異，性能不一，在溢流事件的識別上主要還是依靠現(xiàn)場人員的經(jīng)驗判斷，計算機僅僅輔以少量數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析工作。綜合錄井儀軟件系統(tǒng)的異常預報，僅僅進行單參數(shù)的超限提醒，一般采用的是閾值法，即高低門限設定報警[3]，操作人員發(fā)現(xiàn)后進行綜合分析、核實確定異常類型，依賴人員的專業(yè)素質(zhì)。由于報警邏輯簡單，在井場施工的復雜環(huán)境下，極易誤報，造成操作人員“報警麻木”；另一方面，在觸發(fā)報警后，如果參數(shù)長時間不回歸，報警將不會解除，如鉆進中變更排量，出口流量、立壓等參數(shù)將會持續(xù)報警，現(xiàn)場操作人員需要經(jīng)常進行干預，改變參數(shù)的門限值，操作繁瑣。總之，常規(guī)綜合錄井儀軟件系統(tǒng)的報警模塊無法實現(xiàn)對復雜情況的判斷，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，進行系統(tǒng)改進又面臨型號多、費用高、周期長、難以整合等問題。

1.3 其他方式

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

綜上，對綜合錄井儀實時數(shù)據(jù)的二次應用進行研究，建立科學合理的預警模型，開發(fā)軟件系統(tǒng)并推廣應用，是提高油田溢流監(jiān)測水平的有效手段。

2 溢流預警模型建立

2.1 監(jiān)測參數(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)生在鉆進工況下，離井底、起鉆、劃眼發(fā)生概率相近，下鉆工況相對安全（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、氣測值參數(shù)必定會發(fā)生變化，立壓異常概率接近50%，而鉆時、出口密度、出口電導異常概率約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項參數(shù)作為溢流判斷參數(shù)，其中2項參數(shù)與溢流直接相關，7項參數(shù)與溢流間接相關，如表2所示。

表1 溢流事件錄井參數(shù)變化情況統(tǒng)計表

表2 錄井參數(shù)優(yōu)選統(tǒng)計表

2.2 基礎判斷規(guī)則

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

表3 溢流判斷基礎規(guī)則表

2.3 數(shù)學模型

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

設命題 f（x1）代表第一個參數(shù)增大，命題 f（x2）代表第二個參數(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 時第一個命題 f（x1）成立，x2≥ 0.35 時第二個命題 f（x2）成立，則有如下二值邏輯表達式 ：

由以上幾個表達式可得出如下具體的表達式：

從上述二值邏輯方法可以實現(xiàn)事故是與非的判斷，而要實現(xiàn)溢流程度[4]的判斷，則需要進一步建模描述。

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，建立溢流相關參數(shù)的關系矩陣，以行或列對參數(shù)進行描述，在其交點處找出與溢流的關系。

以利用出口流量與總池體積進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），三者關系如下表所示：

表4 溢流程度判斷示例關系表

2.4 數(shù)據(jù)處理分析方法

對原始的各類工程參數(shù)進行二次處理（如平均、變化率、振幅計算）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，提高預警的有效性和準確性；數(shù)據(jù)處理后建立參數(shù)的實時背景基線，以此為基準實現(xiàn)對參數(shù)的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測與分析，根據(jù)人工設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)測工作曲線

2.5 特殊變量引入

引入時間及權重參數(shù)進行綜合判斷。定義時間參數(shù)，界定參數(shù)超限時長的異常判斷標準，排除參數(shù)正常波動變化，如圖3所示，如果參數(shù)超過異常閾值上線時間小于定義的時間參數(shù)，則不視為異常。

圖3 智能監(jiān)測溢流預警系統(tǒng)“時間窗”參數(shù)引入

權重系數(shù)的引入，在多參數(shù)的綜合判斷中，有必要根據(jù)現(xiàn)場情況定義各參數(shù)的權重系數(shù)，持續(xù)、關鍵的重要參數(shù)作為必要參數(shù)，在多參數(shù)判斷中占主導地位，提高相應參數(shù)在判斷中的比重設置，實現(xiàn)對事件嚴重程度的不同描述；比如高壓油氣井適當增加立壓和懸重的權重，當立壓和懸重變化時，預報的程度相應會提高。不同程度預警反映出事件發(fā)生過程的整體走勢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，對工區(qū)不同類型井進行參數(shù)權重設置（權重根據(jù)參數(shù)多寡確定具體數(shù)值，如碳酸鹽高壓氣井設置7個參數(shù)綜合判斷溢流，權重之和就是7）。

表5 西北工區(qū)溢流參數(shù)權重設置

2.6 起下鉆灌返漿情況監(jiān)測

起、下鉆工況下，除了上述監(jiān)測模型外，根據(jù)井控風險特點，針對灌、返漿情況建立監(jiān)測機制。以綜合錄井儀的循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測體系為基礎，獲取灌漿罐與鉆具體積參數(shù)，對比灌、返漿量與鉆具排替理論量。其計算公式如下：

即

式中 ：Vg為實際灌、返漿量 ；V1為灌漿罐靜止（趨勢認為）體積 ；V2為灌漿罐變化（趨勢認為）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為理論與實際差值 ；n 為系統(tǒng)誤差常量。

3 溢流預警系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)框架設計

軟件系統(tǒng)采用采用模塊化、組件化、開放式設計，具有良好的可維護和可擴展能力。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)設計框架

3.2 系統(tǒng)工作流程

在現(xiàn)場應用中，通過綜合錄井儀數(shù)據(jù)接口插件獲取實時數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)進行同步處理分析，根據(jù)當前工況將處理后的數(shù)據(jù)自動輸入預警模型進行綜合判斷，隨后輸出系統(tǒng)判斷結(jié)果進行人機交互，在交互的過程中，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與預警模型的進一步修正完善[5-6]，具體如圖 5 所示。

圖5 鉆井溢流預警系統(tǒng)工作流程圖

4 應用情況

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口井進行了現(xiàn)場部署應用，累計運行562d（表6），能夠較準確識別真、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，同時對單參數(shù)的異常進行記錄與提醒。

表6 現(xiàn)場應用情況表

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證監(jiān)測軟件的及時性。試驗一，對出口流量單模塊進行驗證（表7），結(jié)果 ：綜合錄井儀受液面波動范圍和頻繁報警影響，門限設置為3%～5%，增加2.2%，未報警 ；監(jiān)測軟件動態(tài)調(diào)整基值，門限設置為 0.8%，大于 0.8% 系統(tǒng)報警，耗時 30s。

表7 出口流量驗證情況

試驗二，在保持泵速 0.37m3/min 狀態(tài)下，通過防溢管泵入鉆井液，試驗系統(tǒng)溢流預警效果如下：

表8 監(jiān)測軟件測試效果

5 結(jié)論

基于綜合錄井儀較完善的鉆井參數(shù)監(jiān)測體系，建立溢流綜合判斷邏輯模型，對實時數(shù)據(jù)進行二次處理后，結(jié)合現(xiàn)場工況引入模型進行綜合判斷，有效提高了溢流事件的判別效率，并實現(xiàn)了參數(shù)異常、溢流事件發(fā)展態(tài)勢的跟蹤報警，具備了一定程度的智能化；特別是在未增加其他硬件設備的條件下，實現(xiàn)了自動化的起下鉆灌、返漿情況監(jiān)測，在錄井儀參數(shù)的二次應用方面，拓展了應用思路。本系統(tǒng)為油田降低井控風險，提高溢流監(jiān)測水平提供了一套有效的技術輔助手段，相較傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，具有成本低、易推廣、兼容性強的特點，同時在減輕現(xiàn)場人員身心負擔，降低對人員素質(zhì)的依賴方面具備優(yōu)勢。當然，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較大會影響系統(tǒng)設置參數(shù)報警值，導致系統(tǒng)不能最大化發(fā)揮及時準確監(jiān)測溢流的效果；對早期井筒內(nèi)的溢流發(fā)現(xiàn)缺乏可靠的預測手段，在鉆井施工的復雜作業(yè)綜合判斷不足等，有待進一步拓寬思路，進行的持續(xù)研究與完善。

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

[2] 孫合輝，陶青龍，李鄧珥，等 .基于錄井參數(shù)的溢流預警模型研究[J].錄井工程，2015，26（4）：17-21.

[3] 余華云，余澤禹 .基于趨勢線的鉆井工程異常預警方法 [J].長江大學學報（自科版），2015，12（31）：47-50.

[4] 姚 文 華 . 鉆 井 工 程 異 常 預 警 系 統(tǒng) 的 設 計 與 應 用 [J].. 石 油 儀 器，2011，25（1）：5-9.

[5] 張正選，梅大成，高杰，等 .鉆井工程異常預警方法研究 [J].計算機光盤軟件與應用， 2014，（4）：152-154.

[6] 郭齊勝 .系統(tǒng)建模與仿真 [M].北京 ：國防工業(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)督及錄井新技術研究工作。