钻井工程异常预警系统的设计与应用

姚文华

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

钻井工程异常预警系统的设计与应用

姚文华

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

为了提高钻井现场工程异常预警的智能化水平,在现有的综合录井异常预警方法的基础上,采用智能化的模糊诊断专家系统技术建立钻井工程异常预警系统。该系统应用了智能化和面向对象技术进行系统分析、建模和设计,能够紧密结合现场的实际情况,对不同区域的不同类型的过程异常实现自动化预警,提高了预警的效率和质量。文章对该系统的设计思路及预警系统建立模型及应用和发展方向进行了分析。

综合录井;钻井工程异常预警;智能化;模糊理论;专家系统;面向对象

0 引 言

钻井工程是石油、天然气勘探与开发的主要手段。随着石油勘探的不断提速和钻井新技术的迅速推广,钻井工程事故等异常情况在钻井施工过程中出现的风险随之增大,严重着威胁钻井的安全,也是影响经济效益和社会效益的重要因素[1]。

综合录井技术是集随钻地质观察分析、气体检测、钻井液参数测量、地层压力预测和钻井工程参数测量等为一体的综合性的现场随钻监测技术。综合录井的应用使钻井作业的全过程处于全天候监控之中,通过对钻井参数的连续监测和量化的分析判断,实现了对钻井异常情况的早期主动预报。但是,目前对于各种钻井异常的预警仍然以人工经验判断为主,迫切需要系统的、全面的又能反映工程事故复杂多变特性的智能化预警手段,以满足安全、快速钻井的要求。

1 研究目标和思路[2]

1.1 钻井工程异常情况的成因分析及预警的现状

钻井工程是隐蔽工程,具有一定的模糊性、随机性和不确定性,每前进一步都有一定的风险。钻井工程异常的两大主要成因是地质条件和工程条件。

钻井的对象是地层,但是地层内部构造异常复杂,地层分布又具有区域性和不确定性,如果不能准确把握地质情况,就容易在施工过程中出现失误导致异常的发生。

工程条件是指由于地质资料掌握的不全不准,未严格按科学方法进行井身结构设计,不能合理使用井控安全设备,钻井操作不适当,发现井下复杂情况处理不及时等导致钻井异常的发生。工程因素大多由是人为造成。

钻井现场对异常情况的预警,是由现场录井人员根据各种异常的变化规律结合自己长期积累的经验、知识而做出的,但这种预报往往带有较大的主观性和不确定性。同时,钻井是一个长期、连续的过程,参数的细微变化往往就是异常发生的前兆,要求录井人员长时间、连续地关注钻井参数的变化;由于人的精力和技术水平的限制,因此这种人工预警方式无法保证异常预警的效率和质量。

1.2 研究思路

在现场能准确及时地发现异常情况的操作人员都具有丰富的经验、高度的责任心和敏锐的信息捕捉能力,培养这样的高素质人员需要有经验共享的有效机制和长期的过程。

解决这一问题就需要设法将人类专家预报事故的经验转化为一种自动化、智能化的预报手段,而实现这一目标最好的方法就是将飞速发展的计算机应用技术和人工智能技术相结合,开发出一套充分融合工程事故判断方法和专家经验的预警系统。

研究的预期目标是:在分析大量综合录井现场数据和信息的基础上,总结研究一套系统的钻井工程异常预警方法,研制具备自动化、智能化事故预报能力的预警系统。该系统应用在现场,能在工程事故发生的早期,给出一定程度或一定意义上的报警,从而实现钻井事故的早期发现,辅助钻井工程控制事故的发展,最大限度地减少损失。

2 预警系统建模[3]

2.1 研究对象的分析

2.1.1 综合录井在异常预警中的作用

钻井异常情况一般分类如下:

1)地质异常 由地质因素引起,主要是地层岩石和油气水显示信息的反映,有:快钻时、放空、气浸、油浸、水浸等。

2)地质～工程异常 由地质因素引起,继而可能引发井内恶性事故的异常事件,有:井涌、井喷预兆、井漏、溢流、后效井涌、后效井喷等。

3)工程异常 由作业不当或钻井工具疲劳和质量问题引发的钻井异常事件,有:刺钻具、断钻具、刺泵、掉水眼、水眼堵、掉牙轮、溜钻、顿钻和卡钻等。

录井人员对钻井异常进行精确及时的预警必须掌握各项录井参数的变化情况,并选择合理的参数进行判断识别。综合录井仪的检测手段包括:

(1)工程录井 包括立管压力、大钩负荷、深度跟踪等传工程感器和钻时等派生工程参数。工程录井可以反映钻井工程、地质、地层压力等各种异常情况,对于异常的早期预报起着重要的作用。

(2)钻井液录井 通过随钻测量钻井液性能变化情况结合观察槽面油气显示情况,及时发现油气层和井下异常情况。

(3)气测录井 利用色谱仪随钻测量钻井液中烃类气体的含量及组份特征,根据储集层天然气组分含量的相对变化来区分油气水层。当进行起下钻、接单根、循环钻井液等作业时容易引起地层天然气的侵入,从而造成各种气测峰值;因此。正确识别各种气测异常,是发现和评价油气层的关键,也是预报工程异常的依据。

(4)地质录井 主要是取全取准岩屑、岩心资料和荧光录井资料,这是现场鉴别油气显示的最基础、最直观的方法。地质录井可以较准确地把握地下岩层的情况,预测地层压力等地下复杂因素,对于钻井工程异常具有重要意义。地质录井只能从返出泥浆里获得岩屑,返回地面的迟到及岩屑处理等因素使之不具备实时性,无法进行早期异常预警。

图1 钻井构成系统构成与综合录井监测关系

钻井工程系统由多个子系统组成,各子系统自成体系有相互关联。钻井工程系统的构成与录井监测的关系如图1所示。综合录井的监测手段中,工程录井是直接且较准确的,钻井液和气体录井准确性较高但受迟到因素影响,而岩屑分析既受迟到因素影响又缺乏准确性。因此,录井的监测手段无法直接、准确地对各种工程异常进行预警,必须要结合现场的其他因素综合分析。

对部分主要工程异常的成因分析及对应的录井参数异常变化情况的总结见表1。

表1 工程异常特征分析

除了工程异常外,钻井的一些操作也会引起的参数异常变化。这些操作会造成录井参数出现类似异常事件引起的变化,需要与真正的异常加以区分,避免造成误报情况。

2.1.2 预警系统的复杂性分析

钻井工程系统具有突现性、不稳性、非线性、不确定性、不可预测性、混沌性等特征,是一种典型的复杂系统。

对钻井工程异常进行预警,需要摸清其内在的秩序,从其混沌状态中捕捉异常信息。预警系统的研究对象包括了钻井工程的各个部分,必须遵循钻井工程的自然规律,根据环境条件(包括钻井设备、工艺、钻井状态、地质构造等)和接收信息来调整自身的状态和行为,并且应有能力来根据各种信息调整规则,产生以前从未有过的新规则。

2.2 预警系统的理论基础

预警系统从功能角度来看属于故障诊断与专家系统相结合的范畴。故障诊断理论为设备故障诊断与状态监测提供理论与技术支持。专家系统为提高整个系统的智能化诊断水平服务。这两部分应是密不可分的关系。

2.2.1 设备故障诊断

分为信号采集、信号处理、故障诊断3个阶段。

1)信号采集技术的研究主要包括信号的采集与放大,是故障诊断的前提。重点是对传感器的研究,要求其具有良好的动态特性、灵敏度、稳定性和抗干扰能力强等,需要传感器的合理布局、组合。

2)信号处理方法的研究是设备故障诊断技术的关键。由于钻井现场采用柴油发电机提供,井场大型用电设备多,电磁环境复杂,对传感器信号的采集和传输都有一定的影响。现场恶劣的安装条件对传感器采集的准确性同样造成了不利。因此,必须对传感器信号进行分析处理以保证信号的准确。可以采用滤波,频谱分析等信号处理技术。

3)诊断方法的研究是设备故障诊断的核心。原始的诊断方法是“手摸、耳听、眼看”,司钻凭借手感和观察可以发现钻井设备的异常,地质工程师通过观察岩屑样本得到地层的信息等等。随着技术的发展,新的监测和诊断技术不断出现。目前已广泛应用的有基于知识、神经网络、模糊推理、遗传算法等多种诊断方法。2.2.2 专家系统理论

专家系统可以简单的理解为:应用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂的实际问题的一种人工智能计算机程序。专家系统与一般的计算机软件不同,它是由数据、知识和推理机三级构成,在处理实际问题时,专家系统从数据库出发,调用知识库中的相应知识,经过推理机构的推理来获得所需的诊断结论,其基本点是依靠知识进行逻辑推理,利用经验性知识对不完全确定的事实进行非精确性推理。

基于故障诊断的专家系统作为一种热门技术在故障诊断中逐渐得到应用。因为故障的情况复杂、多样,故障与正常之间的界限并不一定很明确,加上现有数据采集过程中的缺陷,造成故障诊断难度加大。因此,应用经典数学来描述诊断系统往往不尽人意,而模糊推理和模糊识别理论在很大程度上可以解决机械设备故障的不确定性问题。

综上所述,预警系统采用基于模糊推理的故障诊断专家系统技术来实现。

2.3 系统的建模过程[4]

2.3.1 概 述

由于专用的人工智能(AI)语言(如LisP或者Prolog)难以满足工程异常预警这样实时性非常强的系统需要,决定采用面向对象技术进行系统的建模工作(OOM)。OOM是一种框架化、层次化合模块化的建模方法,有利于提高模型的封装性、灵活性、重用性、可扩展性和可维护性,适合用于解决复杂系统的问题。

采用面向对象的软件和数据库设计技术来实现整个模糊专家系统,其优势在于系统执行速度快、效率高,易于用数据库来构造知识库及利用数据库在数据共享、并发控制、数据存取和查询及低冗余方面的优势,能方便地设计出推理机及其相应解释功能。

建立预警专家系统的基本步骤是一个递归并发过程,必须经过设计、改进、逐步地向纵深方向生长和完善,如图2所示。

图2 预警专家系统构建过程

2.3.2 面向对象的分析(OOA)和设计(OOD)

OOA主要描述问题域(即钻井工程)和系统任务(事故预警)。

分析过程如图3所示。

图3 系统OOA过程

OOD是面向对象分析的扩充,即设计和明确预警系统实现所需的各个组成部分。

OOD的设计过程是把要解决的问题分解为一些对象及对象间传递消息的过程,从OOA到OOD是一个逐渐扩充、细化模型的过程。包括以下步骤:

1)对象的细化:把系统中对象行为和对象间交互作用的进一步细化,形成交互作用明确且完全的定义。即依据下面两个表中事故与参数关系确定事故对象行为并逐步细化参数的属性,建立各种事故间的关联。工程异常和地质异常主要参数变化特征见表2和表3。

表2 工程异常对应主要参数变化特征

表3 地质异常情况主要参数变化特征

2)类型的认定:把异常预警模型设计为不同种类的模型,比如溢流类型可以包括溢流、井涌、井喷、淡水侵、盐水侵、气侵、油侵等多种异常的类。

3)重用支持设计:根据类设计类库(比如溢流定义为CKickType),再对该类进行重用,实例化为CCKickGas(气侵对象)、CCKickWater(水侵对象等子类)。

根据上述过程,建立起系统化的预警模型类库。

2.3.3 建模过程

1)找出研究领域需求空间中的对象:通过对事故预报经验的总结,形成根据参数异常判断事故的方法,建立起事故对象及其成员属性和行为的关系。溢流对象和行为构成如图4所示。

图4 溢流对象和行为构成

2)找出对象之间的静态关系:对各种工程事故复杂、录井参数、相关的钻井条件、设备条件等研究对象进行系统分析研究,得到这些对象间的相互关联,包括:创建关系;包含关系;继承关系;联系关系。

3)找出对象间的动态关系:前面提到的是对象之间静态的、局部的关系,真正体现钻井过程的实际情况,必须找出对象之间相互作用的动态关系。在钻井工程系统中,存在着多种这样的动态关系,其中最重要的就是工程参数与钻井工况之间的动态关系,见表4。

表4 工程参数与钻井工况的动态关系

通过逐步建立这些对象间的关系,最终才能形成完整的预警系统模型。

3 系统设计[4、5]

系统整体架构如图5所示。

图5 系统架构

3.1 数据获取功能

1)数据插件模块:为软件提供录井数据源的功能主要是从数据中按不同仪器的定义方式取出用于事故分析的数据。

2)预处理模块:根据钻井状态和参数特征对采集的数据进行信号预处理,提取出有价值的变化信息,进入事故模型进行预警处理。

3.2 核心管理

核心管理框架负责协调系统各部分功能的中心管理模块,提供数据输入输出服务,配置管理模块对软件各部分功能调整和维护进行统一配置和管理。

3.3 专家系统和异常判断模型

1)特征量处理模块:对异常特征变化量进行鉴别,去掉由于非事故因素(如状态改变、传感器异常、工程操作干扰)引起的异常变化,将其送入判断模型进行分析。

2)事故推理判断模块:将异常特征变化量按规则分别激活相应的判断模型,展开相应的运算方法;如同专家解决问题的思维方式,通过提取知识库的事故判断规则推理判断事故的发生情况。

3)事故解释模块:是为用户提供对预警方法进行人工干预的界面。用户可以根据已经输出推理结果及相关的解释等对模型进行调整。

4)知识学习模块:通过知识获取,扩充和修改知识库中的内容,对系统进行完善。

4 现场应用情况[6]

4.1 井漏预报

前提设计:钻进状态的主要判断参数为总池体积和出口流量,判别特征均为下降。通过对该井前期钻进状态数据的分析,设定总池体积正常波动的上下限为0.5 m3,出口流量的上下限为1%;

预报过程:2008年11月17日,06:18钻至井深6 625.90 m时,监测到总池体积和出口流量有明显下降趋势,至井深6 625.95 m,2 min总池体积137.45 m3↘136.88 m3,出口流量16.5%↘15%。综合两种参数的表现出来的特征判断为井漏;实际结果为井漏。

4.2 卡钻预报案例

前提设计:起钻状态主要判别参数为大钩负荷,判别特征为上升,设定正常波动上下限为50 kN;

预报过程:2008年12月26日04:46起钻至井深4 189.9 m时遇卡,大钩负荷由1 575 kN↗1 715 kN左右,挂卡约140 kN,下放钻具时大钩负荷由1 715 kN↘1 582 kN左右,其他参数无异常变化;系统判断起钻遇卡。

预报过程:2008年12月26日04:54起钻至井深4 176.90 m时遇卡,大钩负荷由1 557 kN↗1 703 kN左右,挂卡约146 kN,下放钻具时大钩负荷由1 715 kN↘1 592 kN左右,其他参数无明显异常变化;系统判断为起钻遇卡。

5 结束语

通过以上现场应用实践证明,预警系统能充分发挥计算机的性能优势,具备良好的可扩展性,通过不断对系统的知识库进行完善和扩充,使其逐渐接近人类专家的能力。

同时也应看到,由于钻井工程异常的形成过程非常复杂,综合录井的检测手段尚不能实现对所有异常情况的早期准确预警。因此,预警系统主要以井漏等渐进型事故复杂为主要研究对象,而对于钻井现场发现突发性事故复杂(如断钻具)由于没有征兆、发生过程短,无法进行早期预警。对预警系统的改进,需要深入了解钻井原理和发展方向,研究各种钻井异常的发生发展规律,最终形成一套系统的钻井工程异常预警方法。

随着预警系统的异常预报方法不断系统化、结构化,系统本身的功能和性能的持续改进,进而对不同地区形成相应的定制化模型,预警系统将更好地服务于钻井工程,为安全、快速钻井起到保障作用。

[1] 蒋希文.钻井事故与复杂问题[M].北京:石油工业出版社,2002

[2] 吴金培,肖建华.智能故障诊断与专家系统[M].北京:科学出版社,1997

[3] 廉师友.人工智能技术导论(第二版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002

[4] 诸 静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2005

[5] 郭齐胜.系统建模与仿真[M].北京:国防工业出版社,2007

[6] 吴俊杰.钻井工程事故监测和预警方法研究[J].录井工程,2006,17(1)

PI,2011,25(1):5～9

In order to improve the intelligent level of drilling engineering accidents early warning,based on the existing drilling accidents early warning methods of mud logging,the technique of Fault Fuzzy Diagnose Expert System is adopted to build the drilling engineering accidents early warning system.The system applies artificial intelligence and OOT techniques to process system analysis,model and design.Thus the system can realize automatic accidents early warning for different types of accidents of different areas according to the field situation.The efficiency and quality of accidents earlywarning are improved.The system is ease to operate and the effect is good.The development direction of the system is analyzed.

Key words:compound logging,drilling accidents early warning,intelligent,fuzzy theory,expert system,object oriented

Design and application of drilling engineering accidents early warning system.

Yao Wenhua.

TE22

B

1004-9134(2011)01-0005-05

姚文华,男,1967年生,高级工程师,1989年毕业于西安交通大学无线电技术专业。现在中国电子科技集团公司第二十二研究所从事录井仪器及设备的研制和技术管理工作。邮编:453003

2010-10-27编辑:梁保江)