基于多參數控制的鉆井事故監測預警系統

白麗麗 孫文峰 高金蘭 李宏玉 任 爽

(東北石油大學 a.電氣信息工程學院；b.石油工程學院)

基于多參數控制的鉆井事故監測預警系統

白麗麗a孫文峰b高金蘭a李宏玉a任 爽a

(東北石油大學 a.電氣信息工程學院；b.石油工程學院)

以鉆井液流量、液位和密度為控制參數，結合鉆井現場實際工況，研發基于多參數控制的鉆井事故監測預警系統。現場試驗表明：該系統能夠對鉆井現場的各種工況進行實時監測并對井漏和溢流現象及時預警。

鉆井事故監測預警 多參數

油田鉆井施工過程中，一旦發生鉆井事故，輕則造成巨大的財產損失，重則造成人員傷亡和地層污染[1]。建立完善的鉆井事故監測預警系統對降低鉆井施工風險意義重大。國外研發鉆井事故監控系統的公司包括美國Varco公司、加拿大Datalog公司及英國Rigsery公司等，其事故預警系統能監測200多個鉆井參數，并且能夠實現對現場事故風險的遠程實時監控[2]。但是國外的監測系統較龐大、功能復雜而且價格昂貴，并不適合我國的生產需求。國內多家科研院所也對鉆井事故監測預警系統進行了研發，并取得了一定的成果[3，4]，但是總體上還不成熟，相關產品的系統功能無法滿足現場實際需求，并沒有廣泛應用[5，6]。國內一些傳統的監測系統在建立預警模型時，認為出口流量大于進口流量即發生溢流事故，未考慮實際工況對鉆井液流量的影響，因而預警的準確性難以保證。為此，筆者以鉆井液流量、密度和液位參數為控制對象，開發了一套可以針對不同地質條件和工況狀態，進行綜合分析判斷并發出報警信號的鉆井事故監測預警系統。

1 系統總體結構

鉆井事故監測預警系統通過監測鉆井液總量、密度和進/出口流量變化，并進行數據處理判斷分析實現高效預警。鉆井事故監測預警系統(圖1)包括數據采集、信號傳輸、數據處理和報警4個主要部分。為了提高測量精度和抗壓程度，數據采集采用電磁流量計[7]，同時采用非接觸式鉆井液密度儀，以避免數據遠程傳輸的信息誤差和介質測量元件的腐蝕。信號傳輸采用無線數據傳輸方式。數據處理系統包括監控主機和系統處理軟件，用以監控主機接收采集信號，并與安全基準參數進行比較從而判斷是否發出預警信號。

圖1 鉆井事故監測預警系統結構框圖

2 硬件部分

基于多參數控制的鉆井事故監測預警系統下位機需要處理的程序較為簡單、占用空間少，I/O接口數也較少，因此在微處理器的選型上采用的是ATMEL公司的低檔型芯片89C51。為提高測量精度和儀表抗壓程度，出口處采用電磁流量計。采用自主研發的鉆井液密度儀，應用氣壓平衡原理對介質密度進行測量，儀表非接觸式的結構特點減小了誤差并延長了設備的使用壽命。液位測量選用超聲波液位計，其測量準確性高且穩定性好[8,9]。

系統配套傳感器和監控設備的配置見表1。

表1 系統主要監控設備和配套傳感器

硬件選型完畢后，把進/出口流量計分別安放在進/出口管路上，在每個鉆井液罐上安裝液位計，為了準確測量出口處鉆井液的密度，需要把密度儀裝在第1個鉆井液罐內；由于采用了遠程數據傳輸，控制設備可以安置在較遠的控制室內。鉆井事故監測預警系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 鉆井事故監測預警系統硬件結構

3 軟件部分

3.1 系統軟件流程和功能

監控軟件是預警系統的核心，實現的功能是對進/出口流量計、液位計、密度儀采集的流量、液位和密度數據進行分析、處理與記錄，并進行聲光報警[10]。監控系統的軟件控制界面包括聯機界面、監測界面、控制界面、打印及查詢等，為操作者提供了方便的人機接口。軟件界面的數據和動態趨勢曲線相結合，當發生預警信號時，及時彈出窗口顯示系統判斷的井況。也可以通過調整參數值有效減少誤報和漏報的發生。

根據系統功能要求，編制的軟件流程如圖3所示。

圖3 鉆井事故監測預警系統程序流程

3.2 建立系統數學模型

鉆井事故監測預警系統的核心問題是預警模型的建立，根據實際工況確立科學合理的預警模型對于系統工作的穩定性和判斷井下情況甚至減少錯判漏判的發生至關重要[11]。

在鉆進或循環工況下，鉆井液液位保持不變，此時預警系統以流量Q和鉆井液密度ρ為預警判定標準：

a. 如果Q出>k1Q進，此時，密度ρ降低，考慮為地下液體進入鉆井液，預警系統判斷存在溢流風險；

b. 如果Q出=k1Q進，預警系統判斷為正常工作狀態；

c. 如果Q出

在起/下鉆工況下，流量必然有所變化，預警系統以液位V為預警判定標準：

a. 如果ΔV罐>k2ΔV鉆具，考慮為地下流體進入鉆井液，預警系統判斷存在溢流風險；

b. 如果ΔV罐=k2ΔV鉆具，預警系統判斷為正常工作狀態；

c. 如果ΔV罐

理論上，當Q出>Q進時可以認為發生溢流；當Q出

將一段時間均勻分為n段(t1，t2，…，tn)，鉆進過程中，對應各時間點的進口和出口流量差為：

ΔQi=Q進,i-Q出,i，i=1,2,…,n

(1)

定義以ti為起始點連續時間序列上1 000個點的流量和Qi為：

(2)

在正常鉆進狀態下，在以ti為起點的時間段中，以流量參數建立的數學模型判斷井況的依據見表2。

表2 以流量參數建立的數學模型判斷井況依據

預警系統實時檢測數據并計算ΔQ出和ΔQ進，根據流量差歷史數據計算流量差微分數值，同時結合流量變化獲取流量差的變化趨勢，結合液位和密度的差異即可做出綜合判定，從而得到預警結論。

鉆井現場工況復雜，鉆進過程操作繁瑣，使得系統實際應用情況變得很復雜。根據鉆井工藝流程和上述判定模型，將預警系統工作狀態劃分為8類(表3)，此8類狀態涵蓋了鉆井現場的所有工況。

表3 常見的8種工況分類

4 現場試驗

基于多參數控制的鉆井事故監測預警系統在大慶油田南254-平335井進行了現場試驗。結果表明系統工作穩定，對現場模擬的各種工況都能夠及時做出準確判斷并及時報警。篇幅限制，僅以系統工作狀態1和狀態7這兩種典型工況進行分析說明。

狀態1(Q進

圖4 系統循環流量曲線

圖5 正常打鉆流量曲線

狀態7(Q進有流量，Q出為零或很小)為起鉆時的典型狀態，此時的流量曲線如圖6所示。下鉆過程需要補充鉆井液，而且鉆柱起出過程中必然導致出口流量減少，所以此時進口流量大于出口流量屬于正常。但是當ΔQ大于3柱鉆桿體積或Q進與Q出微分符號相反時，系統立即彈出報警界面，說明存在事故風險，系統判定為井漏。人為分析可能由抽吸導致溢流發生的可能性較大。

圖6 起鉆補泥漿時的流量曲線

5 結束語

基于鉆井液流量、密度及液位等參數研制了多參數控制的鉆井事故監測預警系統，以分布時間段的流量差為基礎建立數學模型，結合現場實際工況，開發了鉆井事故監測預警系統軟件，能夠對鉆井施工現場的各種復雜狀態做出科學合理的判斷。通過在大慶油田南254-平335井的現場試驗，驗證了預警系統的工作穩定性和事故監測預警的準確性。

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(Continued from Page 623)

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity; 2.PlanningandDesignInstituteofNo.2OilProductionPlant,DaqingOilfieldCo.,Ltd.)

AbstractRegarding the nonlinear stochastic time-delay system with mixed noises, the design of robustL1controller was studied. By adopting the integral inequality method, a delay-dependentL1criterion was constructed to derive sufficient conditions that guaranteeing the considered systems to be mean-square asymptotically bounded, and furthermore, the robustL1controller was designed to make closed-loop system’s mean-square asymptotic and the output value less than performance indexγof the givenL1. Based on the LMI technique, the robustL1control can be converted into a convex optimization problem and determined by solving a group of linear matrix inequalities. The numerical simulation certifies the effectiveness of this controller designed.

Keywordsstochastic time-delay system, mixed noises, robustL1controller, nonlinearity

DrillingAccidentMonitoringandEarly-warningSystemBasedonMulti-parameterControl

BAI Li-lia, SUN Wen-fengb, GAO Jin-lana, LI Hong-yua, REN Shuanga
( a.CollegeofElectricalEngineeringandInformation; b.CollegeofPetroleumEngineering，NortheastPetroleumUniversity)

Through taking flow, level and density of the drilling fluid as control parameters and having actual working condition of drilling site considered, a multi-parameter-based drilling accident monitoring and early-warning system was developed. The field test shows that, this system can be used for real-time monitoring of various conditions of the drilling site, including timely warning of both well leakage and overflow there.

drilling accident monitoring and warning, multi-parameter

TQ086.3

B

1000-3932(2017)07-0643-05

2017-01-03,

2017-04-01)

東北石油大學青年基金項目(NEPUQN2014-03)；“十三五”國家科技重大專項(2016ZX05020-002)。

白麗麗(1981-)，講師，從事油氣鉆采自動化技術的研究，baili.81@163.com。