压裂施工远程监测与预警系统设计

Design of the Remote Monitoring and Early Warning System for Fracturing Construction

梁海波　方博涛　邓　臻

(西南石油大学机电工程学院，四川 成都　610500)



压裂施工远程监测与预警系统设计

Design of the Remote Monitoring and Early Warning System for Fracturing Construction

梁海波方博涛邓臻

(西南石油大学机电工程学院，四川 成都610500)

摘要：压裂施工需要压裂专家现场指导，但随着压裂井数的不断增加，且压裂多在野外施工，条件恶劣，很难对突发事件进行专家会诊。根据这种情况，建立了一套压裂施工远程监测与预警系统，可以实时监测现场压裂施工状况。同时，通过对压裂施工过程中“加砂”曲线的分析研究，建立了压裂预警模型，可以实时对可能遇到的风险进行预警，提高压裂施工的成功率。经过在华北油田的现场测试表明系统拥有良好的应用和推广价值。

关键词：油气田油井勘探开发安全预警监测压力控制自动化

Abstract：Fracturing construction request on-site guidance of experts,while with the increasing of number of fracturing wells,and harsh field construction conditions,expert consultation is difficult to be implemented for unexpected events.In accordance with such situation,the remote monitoring and early warning system for fracturing construction has been established for monitoring on-site constructing status in real time.In addition,through analyzing and researching the curve of filling sand in fracturing construction,the fracturing early warning model is established for releasing early warning in real time for the possible risks to enhance the success rate of construction.The field test in North China oil field demonstrates excellent applicable and promoting values of the system.

Keywords：Oil and gas fieldOil wellExploration and developmentSafety pre-warningDetectionPressureControlAutomation

0引言

压裂施工能够在储层中形成一条具有较高导流能力的裂缝，从而降低油、气井的渗流阻力，提高油气田的产量，其已成为油气田勘探和开发不可缺少的一项重要技术手段[1]。压裂的效果主要取决于压裂工艺，通过实时监测压裂施工中的主要参数，在监测参数发生变化时采取相应的措施，有助于提高压裂的效果。在目前国内压裂施工作业中，对压裂施工情况仅靠施工人员和技术专家依据监测参数和施工经验进行人工判断预警。这种预警方式预警不及时，准确率低，预警效果不理想；而且一旦预警不及时或预警失败，很有可能提高施工风险，造成井筒发生砂埋、砂卡、高压憋断施工管柱等事故。本文在研究了多条“加砂”曲线的基础上，建立了井底静压力-时间双对数曲线结合油压-时间、套压-时间双对数曲线的预警模型，对可能遇到的危险进行预警。

1压裂预警模型设计

在压裂施工过程中，可能出现砂堵、压窜等危险工况，通过对“加砂”曲线和加砂过程中的压力进行分析，建立了压裂预警模型。

1.1基本原理

1.1.1“加砂”曲线分析

在“加砂”过程中，压裂井底净压力P和时间t的双对数曲线主要有五种类型，如图1所示[2]。

图1　P-t双对数曲线

(1) 线段Ⅰ是正常的压裂曲线，表示裂缝在高度方向上延伸受阻；沿水平方向，可能是地层渗透性差、层薄等因素造成。

(2) 线段Ⅱ曲线斜率为0，对应压力为地层压力容量，表示缝高稳定增长到应力遮挡层，或是地层内天然微裂隙张开使滤失量与注入量持平，说明裂缝的延伸速度将下降，随后有可能发生砂堵。

(3) 线段Ⅲ压力与时间成正比，也就是压力的增量比例于注入液体体积的增量，说明裂缝端部受阻，缝内压力急剧上升；其斜率大于1，则表示裂缝内发生了堵塞。

(4) 线段Ⅳ表示裂缝穿过了低应力层，缝高发生不稳定增长，直到遇到高应力层或加入支撑剂之后才变缓，或者是沟通了天然裂缝，滤失量大大增加。

(5) 线段Ⅴ压力曲线上下波动，表示裂缝也在不断延伸。同一地层的严重非匀质性是造成这类曲线的主要原因[3]。

1.1.2井底净压力求解和曲线的拟合

井底净压力是指裂缝内流体流动和岩石闭合压力之差，目前用井底压力和闭合压力之差来表示。因此，要确定井底净压力，必须先得到井底压力和裂缝闭合压力。井底压力可以由井下仪器精确测量，但由于目前压裂施工条件的限制，很少有压裂井直接下入井下仪器测量井底压力，因此只有通过计算得到，井底净压力计算公式为[4]：

PN=PW+PH-PF-PM-PC

(1)

式中：PN为井底净压力，MPa；PW为地面井口压力，MPa；PH为井筒静液柱压力，MPa；PF为管柱沿程摩阻损失，MPa；PM为孔眼摩阻损失，MPa；PC为裂缝闭合压力，MPa。

其中，地面井口压力可通过测量得到，井筒静液柱压力、管柱沿程摩阻损失、孔眼摩阻损失和裂缝闭合压力可以由计算得到，压裂裂缝闭合压力也可通过现场降压实验分析得出。

在求出井底静压力之后，就可以对压力数据进行拟合。井底净压力与时间关系为[5]：

PN(t)∝te

(2)

式中：t为时间，s；e为压力-时间双对数曲线的斜率计算值。两边取对数之后为线性关系，因此采用一元回归分析来拟合直线。

本文通过对一段压力-时间数据采取一元线性回归分析，拟合出一条线性直线段来代表此段压力曲线，并使用拟合的线性直线段的斜率来表示此段压力曲线的斜率。由于将所有压力数据采用一段线性直线进行拟合会存在较大误差，因此，为提高拟合精确度，在采用一元线性回归分析进行线性拟合前，对压力数据进行分段很有必要。

在对压力数据进行分类时，采取在同一段数据内每两两相邻数据点斜率大小相近的原则。本文采用数据挖掘的方法进行同类数据的聚类[6]，满足以上要求。在采集到新的压力点时，先用聚类算法分析新加入的压力点是否属于已有的压力段，如属于则进行拟合，否则结合前一点压力点建立新的压力段。即此时的压力-时间双对数曲线斜率突变，这种新产生的数据段，很有可能是斜率突变点，也是监测的重点。

1.2预警模型的建立

结合上述原理，建立了一套井底静压力-时间双对数曲线结合油压套压-时间双对数曲线预警模型。通过计算得到井底压力和闭合压力，求出井底净压力，求出井底静压力-时间双对数曲线斜率，判断其斜率属于上述五种类型中的哪一种。由于在发生压裂施工危险时总会伴随着油压套压的变化，因此采取了井底静压力-时间双对数曲线斜率结合油压套压-时间双对数曲线斜率进行预警。油压-时间双对数曲线预警模型如图2所示。套压-时间双对数预警模型与此模型相同。

图2　油压预警模型

图2中，Pc表示油压;k1表示油压-时间双对数曲线的斜率；k2表示井底静压力-时间双对数曲线的斜率。

通过支撑剂浓度是否大于0来判断是否加砂，如果正在进行加砂，当油压-时间双对数斜率或套压-时间双对数斜率大于等于1时，说明此时“加砂”曲线处于第Ⅲ阶段，此时如果井底净压力-时间双对数曲线斜率也大于等于1，表明发生了砂堵，此时应控制排量和砂比来降低油压套压。当油压-时间双对数斜率或套压-时间双对数斜率小于等于-1时，说明此时“加砂”曲线处于第Ⅳ阶段，此时如果井底净压力-时间双对数曲线斜率也小于等于-1，表明发生了压窜，此时应注意压力变化，防止出现砂堵和井喷，必要时暂停施工。

2软件设计

基于上述预警模型结合压裂实时监测、压裂多源信息采集和远程传输，建立了压裂施工远程监测与预警系统。系统逻辑架构图如图3所示，主要分为压裂实时辅助决策层、数据通信层、服务层、数据库管理层[7]。

图3　系统总体逻辑架构图

压裂实时辅助决策层主要实现对压裂现场施工数据的实时监测、分析计算进行预警和对压裂数据的动态回放等功能，用于向压裂施工人员和基地技术专家提供施工过程中的各项信息，帮助其实时获取压裂施工的进展情况，为下一步将要进行的施工步骤起到辅助决策的作用[8]。历史数据动态回放模块实现对选定的某口井的历史数据回放，重现施工过程中的压裂数据走向。压裂预警模块采用上述预警模型对可能出现的危险进行预警，提高压裂的成功率。

数据通信层主要负责整个系统数据的发送、接收和暂存，规范数据流，防止发生混乱。它包括压裂数据实时采集、远程传输和多源数据调阅。数据实时采集由安装了压裂施工远程监测与预警系统软件井场端的现场工控机将压裂仪表车上采集到的施工数据实时读取进来，并将数据暂存在内存中的公共数据区。远程传输则是将暂存在公共数据区的实时数据通过无线网络传回到基地服务器。本文采用3G无线网络进行数据远程传输，系统拓扑图如图4所示，多源数据调阅模块调用服务器的多源数据调阅服务，从服务器数据库获取当前压裂施工井的辅助施工信息。

图4　系统拓扑图

服务层是整个压裂施工远程监测与预警系统的基石，处于整个系统架构的最底层，可以直接访问数据库进行读写操作，是系统数据流的中转站。压裂远程实时传输服务主要为井场端的压裂数据实时传输到基地端提供发送和接收服务，是数据通信流的中转站；多源数据调阅服务分为多源数据的上传和下载，主要实现存储于网络数据库的多源数据的下载调阅和计算应用分析。数据库管理服务主要为各种数据的上传、下载和调阅查看提供服务。

数据库管理层不直接访问数据库，它的所有操作通过调用服务层的数据库管理服务实现;而服务层直接与数据库进行井型交互，这样数据就不再分散地存储在井场端工控机上或基地端客户机上，而是全部统一地存储在基地服务器，从而实现对数据的集中管理。基地端客户机和井场端工控机就可以通过数据库对数据进行各自的管理操作，实现对数据的分布式操作。公共数据管理主要对用户管理数据、在线工程数据和工程索引数据进行管理；压裂施工数据管理主要对压裂液诸如涉及数据、施工图进行管理；施工总结报告主要实现对选定压裂施工工程自动生成施工总结报告，并对其进行管理。

系统基于微软公司的Visual Studio 2010，采用新一代的编程语言C#进行开发。由于压裂施工监测及预警系统分为井场客户端软件、服务器端软件和基地端软件，是一种客户端与服务器的交互模式，因此采用面向服务架构(service-oriented architecture,SOA)。在.NET框架下实现SOA最好的方式是通信开发平台(windows communication foundation，WCF)[9]，WCF能很好地进行网络和计算机的网络通信，确保数据传输的流畅性和安全性，在绘制曲线方面采用了图形设备接口(graphics device interface，GDI)技术[10]。数据库采用SQL Server2008对数据进行存储，SQL Server2008具有高效性、智能性和可信任性。通过数据库存储，便于对压裂数据进行调阅和分析。系统开发成功后，对系统进行了现场测试应用。

3现场应用

在华北油田压裂现场，对系统进行了测试应用，压裂数据显示实时准确，实时数据远程传输延时在2 s以内，数据完全准确，可以满足基地端专家对现场数据的实时分析要求。预警系统判断准确，在雁63-213x井压裂过程中，当进行到146 min时发生警报，此时正处于“加砂”曲线的第Ⅲ阶段，油压-时间曲线斜率持续大于1且油压也不断升高，达到75 MPa，压裂专家通过远程指挥现场施工人员采取降低排量、减小支撑剂浓度，使压力逐渐趋于正常，最终施工顺利完成。

4结束语

在分析了“加砂”曲线和加砂过程中的压力后，建立压裂预警模型，对可能出现的危险工况进行预警，保证压裂施工顺利的进行。

为实现压裂施工信息多源采集、实时传输、远程监测和压裂预警的总体目标，调研压裂施工现场信息通信现状，设计出一套适用于目前国内压裂施工情况的压裂施工远程监测与预警的总体方案。

基于微软Visual Studio 2010软件开发工具，采用C#语言进行编程，依据压力-时间双对数曲线斜率异常情况预警理论，结合已构建的数据库，开发压裂施工远程监测与预警系统软件，并进行现场应用测试，确保该系统的稳定性与可靠性。

参考文献

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[7] 邱峰，徐占东，向利群,等.压裂酸化施工远程指挥决策系统设计方案研究[J].中国石油化工,2011(10):62-63.

[8] 王富春.大型压裂远程实时监控系统实现及应用[J].自动化技术与应用，2012(9):44-46.

[9] 杨延俊.基于WCF的分布式数据库服务系统的架构研究与实现[D].北京：北京邮电大学,2011.

[10]闫志强，熊金华.压裂远程监测及决策支持系统研究与开发[J].石油科技论坛，2013(2):20-23.

中图分类号：TP274+.2;TH89

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602014

国家科技重大专项基金资助项目(编号：2011ZX05013-003)。

修改稿收到日期：2014-12-10。

第一作者梁海波(1978-),男，2008年毕业于西南石油大学油气田开发专业,获博士学位，讲师；主要从事油气井工程方面的研究。