陳路原

（中國(guó)石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

煤層氣水平井井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

陳路原

（中國(guó)石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

針對(duì)目前常用井壁坍塌監(jiān)測(cè)手段是通過井下測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，綜合分析測(cè)井資料實(shí)現(xiàn)的，提出了一種有效利用地面測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣水平井井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷的技術(shù)手段，基于支持向量機(jī)建立準(zhǔn)確有效的診斷模型，并充分發(fā)揮了煤層氣現(xiàn)有配套儀器的優(yōu)勢(shì)，在滿足煤層氣低成本開發(fā)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷。

煤層氣水平井 井壁坍塌 監(jiān)測(cè)診斷 支持向量機(jī)

0 引言

煤層氣欠平衡水平井技術(shù)是現(xiàn)今提高煤層氣單井產(chǎn)量的主要技術(shù)手段之一。然而，煤巖與常規(guī)的油氣儲(chǔ)集巖相比，具有十分特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，煤層上多以泥頁巖為蓋層，當(dāng)進(jìn)行鉆井施工時(shí)，井壁巖石水化膨脹或分散，導(dǎo)致井徑大小的變化，在鉆井完井過程中極易發(fā)生井壁坍塌事故，特別是在煤層氣進(jìn)行多分支水平井時(shí)，井壁坍塌事故時(shí)有發(fā)生［1-3］。為了降低井壁坍塌造成的損失，縮短非生產(chǎn)時(shí)間（NPT），就必須要采取具有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)及預(yù)防手段，及時(shí)對(duì)已發(fā)生的井壁坍塌事故進(jìn)行報(bào)警并分析其產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的因素。

針對(duì)目前常用井壁坍塌監(jiān)測(cè)手段是通過井下測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，綜合分析測(cè)井資料實(shí)現(xiàn)的，筆者提出了一種有效利用地面測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣水平井井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷的技術(shù)手段，在深入研究井壁坍塌發(fā)生機(jī)理、井壁坍塌表征參數(shù)及其表征規(guī)律基礎(chǔ)上，基于支持向量機(jī)建立準(zhǔn)確有效的診斷模型，充分發(fā)揮現(xiàn)有儀器的優(yōu)勢(shì)，利用綜合錄井技術(shù)及配套軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷井壁坍塌，在鉆井過程中及時(shí)對(duì)已經(jīng)發(fā)生的井壁坍塌進(jìn)行報(bào)警，分析產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的因素，為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供決策依據(jù)。這對(duì)于減少井下復(fù)雜事故的發(fā)生、降低儲(chǔ)層損害與鉆井成本、提高勘探與開發(fā)速度與效益均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4］。

1 井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體技術(shù)方案設(shè)計(jì)主要包括：井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷模型的建立、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，以及井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)圖

井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷模型主要完成對(duì)環(huán)空ECD、摩阻／扭矩，以及比能等參數(shù)的計(jì)算，并基于支持向量機(jī)回歸機(jī)算法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)部分，為了滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，本系統(tǒng)對(duì)綜合錄井儀中部分傳感器進(jìn)行了配套選型，并基于WITS井場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，設(shè)計(jì)和開發(fā)了配套的采集系統(tǒng)；井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷軟件系統(tǒng)

包括數(shù)據(jù)庫管理模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，以及實(shí)時(shí)診斷模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)空ECD、摩阻／扭矩，以及比能等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析，對(duì)井壁坍塌實(shí)時(shí)診斷。

2 基于SVM的井壁坍塌診斷模型

1）選取樣本數(shù)據(jù)作為特征向量，并對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理，減小由于輸入?yún)?shù)量綱和單位的不同而產(chǎn)生的誤差。

2）將1）中的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)輸入到SVM分類器。利用網(wǎng)格搜索法確定最優(yōu)懲罰因子C、不敏感損失參數(shù)ε，以及核函數(shù)中的相應(yīng)參數(shù)。

3）輸入經(jīng)過處理的測(cè)試特征向量到SVM分類器中進(jìn)行測(cè)試。

4）診斷結(jié)束后，詳細(xì)記錄結(jié)果并與實(shí)際情況做對(duì)比，保存模型。

2.2 診斷模型樣本數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

通過分析井壁坍塌的表征現(xiàn)象及規(guī)律，總結(jié)優(yōu)選出了3個(gè)主要表征參數(shù)作為特征向量：環(huán)空ECD、摩阻扭矩、比能。為了消除各參數(shù)不同量綱和單位的影響，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行線性歸一化處理，將其轉(zhuǎn)換到［0，1］的值。其線性歸一化變換式為：

式中，xi是初始樣本數(shù)據(jù)、-yi是歸一化處理后的結(jié)果；xmax和xmin分別表示各組樣初始樣本數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

2.3 核函數(shù)的選擇

莊子認(rèn)為真正打動(dòng)人的是言語背后的真誠(chéng)，而不是虛有其表的華麗言辭?！暗离[于小成，言隱于榮華”(《天道》)，“真者，精誠(chéng)之至也。不精不誠(chéng)，不能動(dòng)人”(《漁父》)。莊子的“說”飽含人生的智慧，它突破一張大網(wǎng)，解放出鮮活的性靈?！盁o謂有謂，有謂無謂”，沒說等于說了，說了等于沒說。莊子將辯與不辯，言與不言已經(jīng)齊一了。老莊正言若反，正話反說這一模式，正是對(duì)道家口語傳播理念最好的闡釋。

由于井壁坍塌診斷屬于非線性問題，利用徑向基函數(shù)擅長(zhǎng)解決非線性問題，同時(shí)具有較少的超參數(shù)和更少的數(shù)學(xué)問題的優(yōu)點(diǎn)［5］，因此，采用了徑向基核函數(shù)。

2.4 參數(shù)選擇

將最優(yōu)懲罰因子C、不敏感損失參數(shù)ε，以及核函數(shù)中的相應(yīng)參數(shù)看作是一個(gè)規(guī)劃問題，利用網(wǎng)格搜索法確定在一定的范圍內(nèi)對(duì)該規(guī)劃問題劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格線的交點(diǎn)就是一個(gè)規(guī)劃方案。以固定的步長(zhǎng)逐點(diǎn)地計(jì)算各個(gè)方案的性能指標(biāo)，交叉驗(yàn)證，最終優(yōu)選出最佳的參數(shù)組合。

3 煤層氣水平井井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)

3.1 煤層氣水平井井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于WITS數(shù)據(jù)傳輸機(jī)理設(shè)計(jì)一套與井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)相配套的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及存儲(chǔ)的功能；同時(shí)，該系統(tǒng)應(yīng)具有良好的人機(jī)互交功能及數(shù)據(jù)庫管理功能，具有開放式數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)連接，為管理人員、專家以及領(lǐng)導(dǎo)提供數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、分析和處理提供了有效依據(jù)。煤層氣水平井井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 煤層氣水平井井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體框架圖

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)筆者所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需要，對(duì)比現(xiàn)有傳輸模式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了井場(chǎng)信息傳輸規(guī)范（WITS）。筆者分別設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)接收兩大功能模塊。其中，實(shí)時(shí)傳輸功能模塊主要用于模擬現(xiàn)場(chǎng)綜合錄井儀WITS服務(wù)器實(shí)時(shí)傳輸綜合錄井儀實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸功能；實(shí)時(shí)接收功能模塊主要完成WITS0數(shù)據(jù)接收，對(duì)已接收WITS0數(shù)據(jù)的解碼以及解碼后數(shù)據(jù)的入庫操作，從而實(shí)現(xiàn)基于WITS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能。

3.3 井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的分析，煤層氣水平井井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括了數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)管理軟件、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件、實(shí)時(shí)診斷軟件。系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

通過對(duì)煤層氣水平井井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)工藝流程的分析，確定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)，以C#編程語言完成煤層氣水平井井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷軟件系統(tǒng)的開發(fā)。該監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)主要完成綜合錄井儀實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井壁坍塌診斷軟件系統(tǒng)與綜合錄井儀的無縫連接；數(shù)據(jù)庫管理軟件主要完成井基礎(chǔ)數(shù)1據(jù)管理，綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)管理，風(fēng)險(xiǎn)診斷數(shù)據(jù)管理等功能；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)診斷結(jié)果的實(shí)時(shí)更新和顯示；診斷模型建立軟件系統(tǒng)主要完成基于向量機(jī)的井壁坍塌診斷模型的建立。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件如圖4所示。

圖4 井壁坍塌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷軟件界面圖

4 結(jié)論

1）根據(jù)對(duì)煤層氣水平井井壁坍塌發(fā)生機(jī)理的研究，總結(jié)得出井壁坍塌發(fā)生的表征現(xiàn)象，優(yōu)選出主要監(jiān)測(cè)參數(shù)，有效地利用地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)井壁坍塌進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷。

2）基于支持向量機(jī)的井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)在處理不均勻性、離散性及樣本數(shù)據(jù)較少的方面具有獨(dú)到的優(yōu)越性，且其目標(biāo)是得到現(xiàn)有信息下的最優(yōu)解，診斷模型建立過程中通過選擇不同的核函數(shù)、懲罰參數(shù)、核參數(shù)等能夠有效保證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）完成了基于WITS傳輸結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，為井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

4）設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套適用于煤層氣水平井的井壁坍塌監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)診斷、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的實(shí)用性和應(yīng)用前景。

［1］倪小明，蘇現(xiàn)波，張小東，等.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］石麗娜，杜慶軍，同登科.煤層氣竄流—擴(kuò)散過程及其對(duì)開發(fā)效果的影響［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，33（3）：137-140.

［3］郭大立，貢玉軍，李曙光，等.煤層氣排采工藝技術(shù)研究和展望［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（2）：91-98.

［4］連志龍，周英操，申瑞臣，等.無意外風(fēng)險(xiǎn)鉆井（NDS）技術(shù)探討［J］.石油鉆采工藝，2008（6）：90-94.

［5］劉衛(wèi)華.基于FA-SVM模型的企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力成熟度評(píng)價(jià)研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

（編輯：李臻）

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2095-1132（2014）05-0028-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.008

修訂回稿日期：2014－08－13

陳路原（1962－），高級(jí)工程師，從事油氣田開發(fā)工作。E-mail：secondbo@126.com。