钻井工程异常远程预警系统平台构建研究

陈佳文

[摘 要]钻井工程异常在石油勘探开发中具有高度的随机性和不确定性，是威胁钻井施工安全的最大隐患，影响勘探开发的经济效益和人员的生命安全。为了提高工程异常监控、预报及处理水平，提高预警应用软件的自动化及智能化程度，相关企业可以设计构建钻井工程异常远程预警系统平台，将录井技术专家对工程异常的判断思路和经验模型化，实现计算机自动识别监测、判断，并通过集成远程支持技术帮助基地专家快速、实时掌握现场施工异常发生情况，远程解决疑难问题，保证前线钻井施工安全。

[關键词]工程异常;远程预警;自动化

0     引 言

钻井工程异常在石油勘探开发中具有高度的随机性和不确定性，是威胁钻井施工安全的最大隐患，影响勘探开发的经济效益和人员的生命安全。录井一直以来承担着钻井工程异常预警的重任，常规工作方式为驻井人员根据各类异常发生时的变化规律，结合自身经验做出判断，但这种主观性判断会出现因人而异的现象。由于钻井是一个连续性的工作周期，技术人员不可能24小时不间断地盯着数据和曲线给出的工程异常预报，人员的技术水平和精力会对钻井工程异常预报产生不利影响。随着录井信息技术的快速发展，录井现场与基地之间的信息传输渠道已十分通畅，将传统的录井作业方式与信息技术相结合，实现远程监控作业，可为企业加强勘探开发业务成本管控和拓宽市场提供强有力的技术支持。

1     系统设计原则

1.1   安全性

系统设计采用分层式用户角色管理模式，对用户密码进行复杂性检测，同时构建防暴力破解账户锁定、验证码登录机制，有效保证用户账号和系统数据的安全性;对用户进行访问控制，通过井号控制管理、区域设定管理、系统功能管理等方式[1]，保留用户对模型修正记录及其他系统操作痕迹，使各个子系统功能应用更安全。以远程桌面子系统管理为例，包括井号管理、权限管理、IP地址管理等功能。

1.2   灵活性

系统采用微软.net体系结构，支持异构环境，采用面向对象的技术开发思路，树立组件化思想，功能模块可挂接、可拓展，各子系统间、服务器间的数据交换标准可靠。系统推动了多用户共享进程，可同时查看监控井信息，并满足用户对参数扩展的需求，可按用户习惯及异常判断所需自由增减参数，应用、查看不同的曲线模板，自由定制异常模型设置方式，灵活组合多种判别方法。模型可扩充，设置方式可调整，可随钻井任意更改，已保存模型可复用，最终构建灵活的单参数或多参数组合智能识别报警机制，实现多参数决策、多方式报警，使预警更加及时、准确、专业。

1.3   易用性

系统兼容性强，可视化界面设置灵活易用。Web前端采用Excel电子表格方式，实现简便的显示、输出操作，辅助工具除了以右键菜单方式显示外，还在功能菜单区域提供快捷工具按钮，以井号关联各个操作模块，功能切换快速，用户体验度高。服务端设置远程监控服务子系统24小时不间断运行，可同时监控各区块，实时传输钻井运行状态，并按照井控级别进行颜色渐变提示及声光色报警提示。远程桌面、移动音视频等模块实现一次配置应用，方便用户操作。

2     系统总体架构

2.1   总体设计

系统由钻井工程异常远程预警监控服务软件和钻井工程异常远程预警应用平台两大部分组成，远程预警监控服务软件部署于基地服务器终端，通过实时提取基地实时上传到数据库中的数据，结合预警模型算法，全面监听模型设置变更状态，将计算出的异常信息实时保存到异常预警数据库中，实现对所有在线传输井实时数据的24小时不间断监控，工程预警模块构建了最新的基于云平台的微服务构架，加快了数据的提取速度和处理速度;钻井工程异常远程预警应用平台与服务器端监控服务软件实时关联，为用户提供多种远程预警监控操作服务，并可根据实时计算产生的异常信息实现声光色报警提示。

2.2   系统功能模块设计

远程预警应用平台从功能模块上主要划分为单井监控、单井预警、区域异常远程报警监控、远程操作、系统管理模块。

2.2.1   单井监控模块

单井监控模块包括实时数据监控、实时曲线监控、实时参数监控等功能。实时数据监控实现1 m、0.1 m等不同步长实时数据的查询、导出、打印，可设置表头，界面可缩放，可按用户需要定制显示参数;实时曲线监控提供了综合实时曲线、气测实时曲线、工程实时曲线和钻井液实时曲线4个模板，同时提供模板切换、保存、界面缩放、比例设置、加载历史曲线、长图打印等功能;实时参数监控模拟钻井动画显示和仪表盘显示，提供24小时钻井状态示意图，使远程监控人员能够更全面地了解井场钻井动态，便于实时指导现场作业。

2.2.2   单井预警模块

单井预警模块包括单井曲线监控、单井数据列表监控、模型快速设置、历史数据回放、预警日志查看、预警结果确认等功能，为监控人员提供更多的异常分析手段。进入该模块后，系统将自动进行实时曲线监控，监控人员及专家可根据监控井的实际情况快速设置预警模型，系统实时响应新的模型进行监控运算，从而使本井异常预报更加准确;历史数据回放验证功能提供了监控井历史数据模拟预报，根据和现场真实情况的异常对比，能够有效地验证当前模型的准确性，帮助监控人员进一步完善模型;设置的单井预警模型为用户提供即时性的异常模型参数，可以保存为本井模型，不会影响其他井的监控;预警结果确认功能参考传统作业流程，为监控人员提供系统预报信息的确认窗口，自动形成异常报告单，并将被人工确认为正确报警的记录保存到区域异常数据库中，为未来邻井提供异常预警参考依据。

2.2.3   区域异常远程报警监控模块

区域异常远程报警监控模块包括多井图形监控和多井列表监控、声光报警、异常信息管理、区域参数设置等功能。多井列表监控提供了开、关报警声音、查看所选监控井预警日志、模型维护、邻井异常扫描规则设置等功能;多井图形监控界面提供添加井、移除井、清空井和保存井等功能，以模拟动画形式查看监控井状态及实时异常预報;模型维护界面提供了所见即所得的操作方式，提供添加模型、导入模型、删除模型和编辑模型等功能;异常信息管理功能用户可以按井号、异常类型、异常发生起止时间等从系统异常数据库检索查询异常预警日志;系统采用三级模型设置机制，自动比对区域名称和井号，选用系统默认模型、区域模型、单井模型对监控井进行计算监控。

2.2.4   远程操作模块

远程操作模块包含移动音视频及远程桌面操作功能，提供单井设备管理，将井名和设备号进行关联，使基地用户能够快速实现和井场的移动音视频通信和任意计算机的远程桌面连接，协助基地专家第一时间连接现场，快速解决井场疑难问题。

3     关键技术分析

3.1   异常基础模型及报警机制

基于不同钻井状态下的工程异常情况与录井参数变化相关性特征，针对地层及流体异常、井下钻具异常、单参变化或设备异常、有毒有害气体等大类，相关企业构建了近20种工程异常基础预警模型。系统通过设置相应参数，对某种异常的影响重要度百分比进行综合判断分析，满足条件的系数累加后大于1即视为异常发生。以钻进状态下的井漏模型为例，构建的模型如下：①总池体积：最小监控时长60 s，下降趋势超过1立方米，重要度为0.5%;②出口流量：最小监控时长60 s，下降趋势超过5%，重要度为0.5%;③报警系数K=总池体积×0.5+出口流量×0.5（当K参数不满足条件时为0，满足条件时为1），而报警系数K≥1时视为异常发生。

在系统区域监控中，应用井控风险等级“红、橙、黄、蓝”四色报警，单井异常预报监控中采用颜色渐变提示。当参数变化量刚好达到模型设置的报警量时为最低系数，变化量大于模型设置的报警量的2倍时为最高系数，需要对颜色系数K进行四级划分，以确定颜色等级。以钻进/循环状态下的钻具异常模型为例，构建的模型如下：①悬重：最小监控时长60 s，下降趋势超过5 kN，重要度为0.3%;②立压：最小监控时长60 s，下降趋势超过1.5 MPa，重要度为0.4%;③总泵冲：最小监控时长60 s，趋势不变，重要度为0.3%;颜色系数K=（悬重-5）/5×0.3+（立压-1.5）/1.5×0.4（颜色系数K值在0～1，划分为四级，在所在区域内显示相应的颜色，或按百分比渐变显示）。

3.2   多报降低算法

3.2.1   滤波法去毛刺

在实际作业中，受到现场的工作环境、人为因素、信号噪音等影响，可能造成录井实时参数的异常波动，这些波动将导致系统进行不必要的报警，应用曲线滤波算法可以初步过滤较为明显的异常采集数据点，然后运用抽样算法对异常段数据进行统计分析，可排除错误预警，减少多报[2]。

3.2.2   开停泵重新监控

考虑到泵冲变化对各项参数在一定时间内会造成较大影响，系统设置了开停泵重新监控功能。当泵冲发生变化时，系统将重新监控计算采集开停泵变化时间点，按照模型中给出的一定变化时长内的变化量范围，去除短时间内参数采集规律性异常造成的多报，并将变化后的值作为监控起始值参与计算。

4     结 语

系统采用全新的算法思路，运用大数据和云计算等先进技术，将录井专家的判别思路和经验模型化，借助模型实现计算机智能监控与识别，实现了远程批量监控预警的目标，预警准确率高，误报少。钻井工程异常远程预警系统注重工程异常从预警到预报演变的量化过程，同时为远程录井提供协助支持，提供多种服务功能。该系统的应用将有效指导安全钻井，避免事故发生，减少经济损失和人员伤害，同时提高钻井速度和服务质量，在创造经济效益的同时更好地为勘探开采业务服务。工程异常这个课题是一个比较难的课题，也是整个录井工程的核心，需要在实际运用中总结异常判别经验、完善模型，不断提升准确度。

主要参考文献

[1]沙鋆杰.基于RBAC模型的云计算平台访问控制系统设计研究[J].信息与电脑，2017（3）：149-152.

[2]阮锐.数字滤波技术的探讨[J].海洋测绘，1988（2）：28-29.