连续油管专家系统设计及应用

梅舜豪

(江汉石油工程公司 信息化管理中心,湖北 武汉 430010)

因施工成本低且效率高,连续油管在钻井、测井、射孔、修井、增产等多场景下[1],使用频率逐年升高。近年来,随着非常规资源的深入开发和连续油管作业类型的不断扩充,连续油管现场施工难度的增加,因技术人员违规操作或未能及时发现并处理异常工况,导致事态恶化的问题在作业现场时有发生;因不确定每次起出和下入作业变形积累的连续油管疲劳状态,现场连续油管的使用率往往偏低或因过度使用失效。利用信息化手段获取连续油管工程数据,通过分析该数据实现动态跟踪管理,并对各类异常情况进行提示,不仅能避免施工过程中可能出现的人员伤亡和财产损失[2],还能为连续油管生产决策提供科学依据,进一步提升连续油管作业的竞争力。

目前,中国连续油管工程分析软件长期依赖进口[3],常用进口软件存在引进、升级费用高,仅支持数据上传至自有平台,有用户限制和数据封锁等一系列问题,严重制约了国内连续油管工程的发展。针对上述问题,基于“数据+平台+应用”模式开发了连续油管专家系统。该系统能监控连续油管施工实时数据,汇聚并融通地质、钻井跨专业数据作为分析支撑,以数据挖掘技术为判断手段,完成工况预警诊断和管材寿命计算,并以多种形式于多层级进行展示。

1 连续油管专家系统架构

连续油管专家系统架构如图1所示。各连续油管队伍在现场作业时打开数据采集软件上传实时数据,项目部资料员通过资料录入端同步主体设备、井控设备、井基础信息、分段数据、前期井况、井工作量概况、入井工具、复杂情况等静态资料。以上两类资料上传至基地数据中心经处理后,以实时曲线图、实时仪表图等监控图形式在工程一体化平台展示,相关生产和预警信息将根据权限被推送至公司生产指挥平台、各项目部和连续油管作业队伍。

图1 连续油管专家系统架构示意

1.1 平台关键技术

集成了包括连续油管专家系统等多个公司业务系统的工程一体化平台,通过接入网关将多专业工程数据安全地分类汇集存储,并进行统一管理,规范不同角色用户访问权限,提供各类系统的可视化操作环境[4]。

该平台应用了H5前端可视化技术,可适配多终端访问,具有兼容性好、负载均衡,支持高并发、启动时间短等特性。为用户访问提供便利,还具备使用虚拟化资源池补充机架式服务器节点,以支撑该系统基于秒级的实时数据分析、决策功能。

1.2 工程数据集

工程数据集主要有存储源头数据的数据库和根据系统功能需求搭建的知识库。

数据库基于TCP/IP,UDP的Socket接口,按照WITS/WITSML标准,收集两类井场源头数据,各类源头数据汇总见表1所列。表1中收集的源头数据主要包括两类: 一类是通过设置采集通道,由部署在井场传感器直接采集的动态数据;另一类是井史资料等人工录入的静态数据,每日由项目部和技术人员及时根据质量检测结果校正录入数据。同一口井的部分静态数据承接自开发前期的地质勘探、钻井、酸化压裂等工程录入,保持了数据源头一致,不必重复填写。使用远程传输系统通过4G网络、光纤、卫星等传输数据,保存至基地数据库,支持断点续传、自动恢复等功能[5]。所有数据均存储在服务器上且定期异地备份,最大程度上避免数据丢失。管理员备份数据时仅可通过堡垒机操作备份一体机,确保数据安全。

表1 各类源头数据汇总

知识库主要包含: 概念库、规则库、模型库、实例库和措施库,还包含连续油管领域基础、标准化的理论、属性、工艺、规则、经验等内容,是形成预警机制的核心内容。

2 连续油管专家系统功能

2.1 工程预警

施工前结合多专业测试资料以及施工记录等静态数据,提示连续油管作业中可能出现故障的具体位置与风险类型;根据连续油管操作规程及相关作业标准,编写工程预警底层逻辑,见表2所列。施工中将异常悬重、泵压波动、排量异常等指标与实时采集的施工参数进行对比,监测施工参数定值是否超限并发出工程预警,提示技术人员或专家处理,收到预警后人工判断提示是否正确,如人工判断确实为存在风险则迅速处理,调节参数回归正常范围,否则取消警报,继续作业。连续油管工程预警流程如图2所示。

图2 连续油管工程预警流程示意

预警后的信息支持在线日志查看追溯,将长期实践中的异常处理经验分类储存至知识库,通过该专家系统正向干预使报错率持续降低。

2.2 寿命预警

连续油管多次起出或下入井内作业易产生变形失效。连续油管寿命预警模块根据连续油管外径、壁厚、材料类型等基本参数,考虑其疲劳损伤、直径增长、壁厚减薄、应力、应变和反向应力等,利用疲劳寿命累积评估和极限承载能力评估相结合的方法,在线获取油管现场连续作业数据,计算更新累计疲劳结果。诊断所选管材当前的使用状态,辅助专业人员及时了解与预防连续油管提前失效,满足连续油管在寿命富余情况下安全作业的需求[6]。连续油管寿命预警模块底层逻辑见表3所列。

2.3 数据展示

2.3.1基础数据展示

基础数据展示内容包括: 结合地质、钻井数据模拟连续油管施工动态图,在图上直观展示井身结构、井眼轨迹、钻头位置、工具位置等信息;在同一展示界面多分屏同时查看多井实时数据;在用户操作界面可查看每支连续油管队伍实时数据上传最新时间和每日传输队伍;在用户操作界面可查看连续油管结构化、非结构化资料,实际上传、还未上传项等详细情况。以上功能的协同可加强现场与操作中心的联动,缩短现场获取公司专家远程技术支持的时间。

2.3.2工程预警结果展示

工程预警结果展示内容包括: 查看历史预报的异常记录详细信息;根据异常分类统计各预报记录数;点击任一异常记录定位显示异常曲线段;点击异常记录后的异常预报单按钮,生成描述异常记录的基本信息与施工曲线。工程预警结果展示实现了对作业中异常情况的展示,辅助专业人员及时了解与解决故障。

2.3.3寿命预警结果展示

寿命预警结果展示内容包括: 可输出单次疲劳寿命计算值以及与连续油管直径、壁厚、内压等相关的关系曲线;考虑疲劳损伤影响下的连续油管沿管长累积失效损失分布曲线,并给出最大累积寿命位置;根据疲劳警戒线和报废警戒线设定值做相应预警;根据极限承载模块判断连续油管极限的承载能力,连续油管受力若超出曲线范围则会发生损毁。

3 结束语

目前,石油工程领域多系统数据融合、数据深度应用内容较少[7],连续油管专家系统通过挖掘相关关键生产要素信息进行动态跟踪管理并提示各类预警信息,指导现场合理使用连续油管。经现场应用表明,该系统能有效提高连续油管作业装备使用效率,降低装备现场应用的风险,提升连续油管作业精细化管理水平。