陳銳 ，李黔 ，尹虎 ，袁本福

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)不斷向新領(lǐng)域拓展，高風(fēng)險(xiǎn)、高難度復(fù)雜井鉆井過(guò)程中遇到的問(wèn)題越來(lái)越多，特別是在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地層中鉆井，更容易發(fā)生各種復(fù)雜情況，如井漏、井涌、井塌、卡鉆、鉆具事故、鉆頭事故、固井風(fēng)險(xiǎn)及其他風(fēng)險(xiǎn)等［1-2］。

國(guó)外公司在鉆井風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與診斷研究及應(yīng)用方面已經(jīng)取得了一定成果，具有代表性的是斯倫貝謝和BP公司聯(lián)合開發(fā)的無(wú)意外風(fēng)險(xiǎn)鉆井（NDS）技術(shù)系統(tǒng)［3-5］，該系統(tǒng)在克拉瑪依和迪那地區(qū)已成功應(yīng)用，大大節(jié)約了鉆井成本。國(guó)內(nèi)雖然在鉆井風(fēng)險(xiǎn)診斷方面進(jìn)行了大量研究，但主要限于專家知識(shí)系統(tǒng)［6-8］，還不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的需要。鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)以地質(zhì)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，以鉆井風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)為手段，在鉆井過(guò)程中，對(duì)采集到的綜合錄井參數(shù)和地層壓力、水力學(xué)等計(jì)算參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少鉆井風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生；同時(shí)結(jié)合具有人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)診斷。

1 系統(tǒng)工藝流程

鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，利用鉆井現(xiàn)場(chǎng)采集的綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)和隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)的鉆井工程參數(shù)分析計(jì)算模型，實(shí)時(shí)計(jì)算各種鉆井風(fēng)險(xiǎn)影響因素，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析鉆井風(fēng)險(xiǎn)特征參數(shù)的變化情況，對(duì)即將發(fā)生或潛在的鉆井風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及診斷。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地質(zhì)力學(xué)模型［9-12］

地質(zhì)力學(xué)模型就是利用計(jì)算機(jī)描述油藏或盆地特定地層剖面應(yīng)力和巖石力學(xué)特性的數(shù)值模型。地質(zhì)力學(xué)模型由地層頂部、斷層、巖石強(qiáng)度、孔隙壓力、應(yīng)力大小和方向等各種參數(shù)的地質(zhì)剖面組成，并同區(qū)域地層和地質(zhì)構(gòu)造相連接。通過(guò)分析巖石的地層剖面特性，可以實(shí)時(shí)了解巖石強(qiáng)度、上覆巖層壓力、孔隙壓力等各種地質(zhì)剖面參數(shù)，對(duì)某個(gè)區(qū)域的地層應(yīng)力與巖石力學(xué)特性相關(guān)信息進(jìn)行邏輯匯編組合，并利用這些參數(shù)指導(dǎo)鉆井作業(yè)。

大量事實(shí)證明，在目前許多復(fù)雜的鉆井、完井和開采作業(yè)中，都需要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)分析來(lái)降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)鉆前建立地質(zhì)力學(xué)模型，并在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)更新，實(shí)時(shí)掌握地層巖石力學(xué)參數(shù)的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析

鉆井風(fēng)險(xiǎn)影響因素是指與鉆井風(fēng)險(xiǎn)直接相關(guān)的地層特征參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，主要包括地層壓力、水力學(xué)和鉆柱力學(xué)等參數(shù)。鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)計(jì)算分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)影響因素的變化情況，并結(jié)合綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)鉆進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，充分保證風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

2.3 鉆井風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)

鉆井風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)以鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)鉆前對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)表征參數(shù)的綜合分析，結(jié)合綜合錄井現(xiàn)場(chǎng)異常預(yù)警方法，確定各種表征參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值［13-15］。在鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)綜合錄井及井下隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)，將表征參數(shù)以曲線形式進(jìn)行瀏覽、回放，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種風(fēng)險(xiǎn)表征參數(shù)值的變化情況，當(dāng)表征參數(shù)值達(dá)到或超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值時(shí)，發(fā)出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)。系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝流程

2.4 鉆井風(fēng)險(xiǎn)診斷［16-19］

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行鉆井風(fēng)險(xiǎn)診斷，首先是在開鉆之前，通過(guò)收集鄰井相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)作為風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)樣本，建立一種結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)分析結(jié)果的鉆井風(fēng)險(xiǎn)推理分析模型。其次是對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，即將鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素?cái)?shù)據(jù)作為輸入層，經(jīng)隱含層激勵(lì)函數(shù)處理后，進(jìn)入誤差逆向?qū)W習(xí)過(guò)程，經(jīng)過(guò)隱含層向輸入層逐層返回，并分配給各層的所有神經(jīng)單元，從而獲得各層神經(jīng)單元的參考誤差，以作為修改各神經(jīng)單元權(quán)值的依據(jù)；通過(guò)不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值和閾值，一直持續(xù)到輸出誤差減至可接受的精度或達(dá)到設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止；然后保存樣本學(xué)習(xí)最優(yōu)權(quán)值和閾值。最后，在鉆井過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)采集綜合錄井及井下隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)，以地質(zhì)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，計(jì)算各種鉆井風(fēng)險(xiǎn)影響參數(shù)，分析風(fēng)險(xiǎn)表征參數(shù)的變化情況，然后將風(fēng)險(xiǎn)因素輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)鉆井風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)推理分析，診斷出井下正在發(fā)生鉆井風(fēng)險(xiǎn)的類型。系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)診斷工藝流程見圖3。

3 應(yīng)用實(shí)例

遼河興隆臺(tái)油田XG7-H221井位于西部凹陷潛山構(gòu)造，井型為水平井，設(shè)計(jì)井深4 900 m。通過(guò)收集2口發(fā)生過(guò)井漏的鄰井?dāng)?shù)據(jù)，建立井漏風(fēng)險(xiǎn)診斷樣本，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法學(xué)習(xí)及訓(xùn)練所建立的井漏樣本，并利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)果，建立XG7-H221井井漏診斷網(wǎng)絡(luò)模型。在三開過(guò)程中，系統(tǒng)利用該井漏診斷網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合井漏風(fēng)險(xiǎn)因素計(jì)算結(jié)果，實(shí)時(shí)診斷井漏風(fēng)險(xiǎn)，分別在2821，2 825，2 826 m處診斷出發(fā)生井漏的可能性較大（見圖4）。實(shí)鉆至2 825 m時(shí)出現(xiàn)井漏，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)診斷鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)診斷工藝流程

圖4 XG7-H221井井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)診斷推理結(jié)果

4 結(jié)論

1）鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，集風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與診斷為一體，具有高度信息化和智能化；在鉆井過(guò)程中能有效監(jiān)測(cè)、診斷鉆井風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井效率，減少鉆井時(shí)間，縮短鉆井周期。

2）鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，在建立準(zhǔn)確的地質(zhì)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷的作用。

3）國(guó)內(nèi)在鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的研發(fā)方面還處于起步階段，需要充分結(jié)合各方面的鉆井工程技術(shù)，特別是隨鉆測(cè)量技術(shù)，才能形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。

［1］賈紅軍，孟英峰，李皋，等.鉆遇多壓力系統(tǒng)氣層溢漏同存規(guī)律研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：359-363.

［2］舒剛，孟英峰，李皋，等.重力置換式漏噴同存機(jī)理研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（1）：6-11.

［3］連志龍，周英操，申瑞臣，等.無(wú)意外風(fēng)險(xiǎn)鉆井（NDS）技術(shù)探討［J］.石油鉆采工藝，2009，31（1）：90-94.

［4］Aldred W，Plumb D，Bradford I，et al.Managing drilling risk ［J］.Oilfield Review，1999，11（2）：2-20.

［5］Bratton T，Edwards S，F(xiàn)uller J，et al.Avoiding drilling problems［J］.Oilfield Review，2001，13（2）：32-51.

［6］郭建明，李琪，徐英卓.基于實(shí)例和規(guī)則集成推理的鉆井事故診斷處理系統(tǒng)［J］.石油鉆探技術(shù)，2007，35（3）：15-18.

［7］郭建明，李云峰，韓朝輝.鉆井異常狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能決策系統(tǒng)的研究［J］.鉆采工藝，2008，31（2）：32-35.

［8］王寶毅，張寶生，費(fèi)沿光，等.基于案例推理的鉆井復(fù)雜情況專家系統(tǒng)［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，29（6）：129-132.

［9］Hooyman P，Plumb R，Bordelon D.Minimizing drilling surprises in deepwater goal of“l(fā)ive” drilling plan［J］.Offshore，2001，61（10）：52-54.

［10］Ali A H A，Brown T，Delgado R，et al.Watching rocks change：Mechanical earth modeling［J］.Oilfield Review，2003，15（2）：22-39.

［11］Van Oort E，Nicholson J，Agostino J D.Integrated borehole stability studies：Key to drilling at the technical limitand trouble cost reduction［R］.SPE 67763，2001.

［12］Richard P，Stephen E，Gary P，et al.The mechanical earth concept and its application to highriskwell construction projects［R］.SPE 59128，2000.

［13］李鳳霞，崔茂榮，王麗華，等.綜合錄井技術(shù)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井事故中的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2007，14（3）：70-72.

［14］吳鵬程，孟英峰，李皋，等.欠平衡鉆井錄井監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］.斷塊油氣田，2011，18（5）：653-655.

［15］陸黃生.綜合錄井在鉆井工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展思考［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（4）：1-6.

［16］楊源杰，黃道.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究及應(yīng)用［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28（5）：551-554.

［17］廖明燕.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多參數(shù)融合的鉆井過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，31（4）：149-152.

［18］李建民，李黔，梁海波，等.煤層氣水平井的煤層實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：60-63.

［19］申輝林，高松洋.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裂縫識(shí)別研究［J］.斷塊油氣田，2007，14（2）：60-62.