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

梁海波　方博濤　鄧　臻

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都　610500)

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壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

梁海波方博濤鄧臻

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500)

摘要：壓裂施工需要壓裂專家現(xiàn)場指導(dǎo)，但隨著壓裂井?dāng)?shù)的不斷增加，且壓裂多在野外施工，條件惡劣，很難對突發(fā)事件進(jìn)行專家會診。根據(jù)這種情況，建立了一套壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)測現(xiàn)場壓裂施工狀況。同時，通過對壓裂施工過程中“加砂”曲線的分析研究，建立了壓裂預(yù)警模型，可以實(shí)時對可能遇到的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警，提高壓裂施工的成功率。經(jīng)過在華北油田的現(xiàn)場測試表明系統(tǒng)擁有良好的應(yīng)用和推廣價值。

關(guān)鍵詞：油氣田油井勘探開發(fā)安全預(yù)警監(jiān)測壓力控制自動化

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

壓裂施工能夠在儲層中形成一條具有較高導(dǎo)流能力的裂縫，從而降低油、氣井的滲流阻力，提高油氣田的產(chǎn)量，其已成為油氣田勘探和開發(fā)不可缺少的一項(xiàng)重要技術(shù)手段[1]。壓裂的效果主要取決于壓裂工藝，通過實(shí)時監(jiān)測壓裂施工中的主要參數(shù)，在監(jiān)測參數(shù)發(fā)生變化時采取相應(yīng)的措施，有助于提高壓裂的效果。在目前國內(nèi)壓裂施工作業(yè)中，對壓裂施工情況僅靠施工人員和技術(shù)專家依據(jù)監(jiān)測參數(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工判斷預(yù)警。這種預(yù)警方式預(yù)警不及時，準(zhǔn)確率低，預(yù)警效果不理想；而且一旦預(yù)警不及時或預(yù)警失敗，很有可能提高施工風(fēng)險，造成井筒發(fā)生砂埋、砂卡、高壓憋斷施工管柱等事故。本文在研究了多條“加砂”曲線的基礎(chǔ)上，建立了井底靜壓力-時間雙對數(shù)曲線結(jié)合油壓-時間、套壓-時間雙對數(shù)曲線的預(yù)警模型，對可能遇到的危險進(jìn)行預(yù)警。

1壓裂預(yù)警模型設(shè)計(jì)

在壓裂施工過程中，可能出現(xiàn)砂堵、壓竄等危險工況，通過對“加砂”曲線和加砂過程中的壓力進(jìn)行分析，建立了壓裂預(yù)警模型。

1.1基本原理

1.1.1“加砂”曲線分析

在“加砂”過程中，壓裂井底凈壓力P和時間t的雙對數(shù)曲線主要有五種類型，如圖1所示[2]。

圖1　P-t雙對數(shù)曲線

(1) 線段Ⅰ是正常的壓裂曲線，表示裂縫在高度方向上延伸受阻；沿水平方向，可能是地層滲透性差、層薄等因素造成。

(2) 線段Ⅱ曲線斜率為0，對應(yīng)壓力為地層壓力容量，表示縫高穩(wěn)定增長到應(yīng)力遮擋層，或是地層內(nèi)天然微裂隙張開使濾失量與注入量持平，說明裂縫的延伸速度將下降，隨后有可能發(fā)生砂堵。

(3) 線段Ⅲ壓力與時間成正比，也就是壓力的增量比例于注入液體體積的增量，說明裂縫端部受阻，縫內(nèi)壓力急劇上升；其斜率大于1，則表示裂縫內(nèi)發(fā)生了堵塞。

(4) 線段Ⅳ表示裂縫穿過了低應(yīng)力層，縫高發(fā)生不穩(wěn)定增長，直到遇到高應(yīng)力層或加入支撐劑之后才變緩，或者是溝通了天然裂縫，濾失量大大增加。

(5) 線段Ⅴ壓力曲線上下波動，表示裂縫也在不斷延伸。同一地層的嚴(yán)重非勻質(zhì)性是造成這類曲線的主要原因[3]。

1.1.2井底凈壓力求解和曲線的擬合

井底凈壓力是指裂縫內(nèi)流體流動和巖石閉合壓力之差，目前用井底壓力和閉合壓力之差來表示。因此，要確定井底凈壓力，必須先得到井底壓力和裂縫閉合壓力。井底壓力可以由井下儀器精確測量，但由于目前壓裂施工條件的限制，很少有壓裂井直接下入井下儀器測量井底壓力，因此只有通過計(jì)算得到，井底凈壓力計(jì)算公式為[4]：

PN=PW+PH-PF-PM-PC

(1)

式中：PN為井底凈壓力，MPa；PW為地面井口壓力，MPa；PH為井筒靜液柱壓力，MPa；PF為管柱沿程摩阻損失，MPa；PM為孔眼摩阻損失，MPa；PC為裂縫閉合壓力，MPa。

其中，地面井口壓力可通過測量得到，井筒靜液柱壓力、管柱沿程摩阻損失、孔眼摩阻損失和裂縫閉合壓力可以由計(jì)算得到，壓裂裂縫閉合壓力也可通過現(xiàn)場降壓實(shí)驗(yàn)分析得出。

在求出井底靜壓力之后，就可以對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。井底凈壓力與時間關(guān)系為[5]：

PN(t)∝te

(2)

式中：t為時間，s；e為壓力-時間雙對數(shù)曲線的斜率計(jì)算值。兩邊取對數(shù)之后為線性關(guān)系，因此采用一元回歸分析來擬合直線。

本文通過對一段壓力-時間數(shù)據(jù)采取一元線性回歸分析，擬合出一條線性直線段來代表此段壓力曲線，并使用擬合的線性直線段的斜率來表示此段壓力曲線的斜率。由于將所有壓力數(shù)據(jù)采用一段線性直線進(jìn)行擬合會存在較大誤差，因此，為提高擬合精確度，在采用一元線性回歸分析進(jìn)行線性擬合前，對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分段很有必要。

在對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分類時，采取在同一段數(shù)據(jù)內(nèi)每兩兩相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)斜率大小相近的原則。本文采用數(shù)據(jù)挖掘的方法進(jìn)行同類數(shù)據(jù)的聚類[6]，滿足以上要求。在采集到新的壓力點(diǎn)時，先用聚類算法分析新加入的壓力點(diǎn)是否屬于已有的壓力段，如屬于則進(jìn)行擬合，否則結(jié)合前一點(diǎn)壓力點(diǎn)建立新的壓力段。即此時的壓力-時間雙對數(shù)曲線斜率突變，這種新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)段，很有可能是斜率突變點(diǎn)，也是監(jiān)測的重點(diǎn)。

1.2預(yù)警模型的建立

結(jié)合上述原理，建立了一套井底靜壓力-時間雙對數(shù)曲線結(jié)合油壓套壓-時間雙對數(shù)曲線預(yù)警模型。通過計(jì)算得到井底壓力和閉合壓力，求出井底凈壓力，求出井底靜壓力-時間雙對數(shù)曲線斜率，判斷其斜率屬于上述五種類型中的哪一種。由于在發(fā)生壓裂施工危險時總會伴隨著油壓套壓的變化，因此采取了井底靜壓力-時間雙對數(shù)曲線斜率結(jié)合油壓套壓-時間雙對數(shù)曲線斜率進(jìn)行預(yù)警。油壓-時間雙對數(shù)曲線預(yù)警模型如圖2所示。套壓-時間雙對數(shù)預(yù)警模型與此模型相同。

圖2　油壓預(yù)警模型

圖2中，Pc表示油壓;k1表示油壓-時間雙對數(shù)曲線的斜率；k2表示井底靜壓力-時間雙對數(shù)曲線的斜率。

通過支撐劑濃度是否大于0來判斷是否加砂，如果正在進(jìn)行加砂，當(dāng)油壓-時間雙對數(shù)斜率或套壓-時間雙對數(shù)斜率大于等于1時，說明此時“加砂”曲線處于第Ⅲ階段，此時如果井底凈壓力-時間雙對數(shù)曲線斜率也大于等于1，表明發(fā)生了砂堵，此時應(yīng)控制排量和砂比來降低油壓套壓。當(dāng)油壓-時間雙對數(shù)斜率或套壓-時間雙對數(shù)斜率小于等于-1時，說明此時“加砂”曲線處于第Ⅳ階段，此時如果井底凈壓力-時間雙對數(shù)曲線斜率也小于等于-1，表明發(fā)生了壓竄，此時應(yīng)注意壓力變化，防止出現(xiàn)砂堵和井噴，必要時暫停施工。

2軟件設(shè)計(jì)

基于上述預(yù)警模型結(jié)合壓裂實(shí)時監(jiān)測、壓裂多源信息采集和遠(yuǎn)程傳輸，建立了壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖如圖3所示，主要分為壓裂實(shí)時輔助決策層、數(shù)據(jù)通信層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫管理層[7]。

圖3　系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)圖

壓裂實(shí)時輔助決策層主要實(shí)現(xiàn)對壓裂現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測、分析計(jì)算進(jìn)行預(yù)警和對壓裂數(shù)據(jù)的動態(tài)回放等功能，用于向壓裂施工人員和基地技術(shù)專家提供施工過程中的各項(xiàng)信息，幫助其實(shí)時獲取壓裂施工的進(jìn)展情況，為下一步將要進(jìn)行的施工步驟起到輔助決策的作用[8]。歷史數(shù)據(jù)動態(tài)回放模塊實(shí)現(xiàn)對選定的某口井的歷史數(shù)據(jù)回放，重現(xiàn)施工過程中的壓裂數(shù)據(jù)走向。壓裂預(yù)警模塊采用上述預(yù)警模型對可能出現(xiàn)的危險進(jìn)行預(yù)警，提高壓裂的成功率。

數(shù)據(jù)通信層主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和暫存，規(guī)范數(shù)據(jù)流，防止發(fā)生混亂。它包括壓裂數(shù)據(jù)實(shí)時采集、遠(yuǎn)程傳輸和多源數(shù)據(jù)調(diào)閱。數(shù)據(jù)實(shí)時采集由安裝了壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)軟件井場端的現(xiàn)場工控機(jī)將壓裂儀表車上采集到的施工數(shù)據(jù)實(shí)時讀取進(jìn)來，并將數(shù)據(jù)暫存在內(nèi)存中的公共數(shù)據(jù)區(qū)。遠(yuǎn)程傳輸則是將暫存在公共數(shù)據(jù)區(qū)的實(shí)時數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回到基地服務(wù)器。本文采用3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示，多源數(shù)據(jù)調(diào)閱模塊調(diào)用服務(wù)器的多源數(shù)據(jù)調(diào)閱服務(wù)，從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫獲取當(dāng)前壓裂施工井的輔助施工信息。

圖4　系統(tǒng)拓?fù)鋱D

服務(wù)層是整個壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的基石，處于整個系統(tǒng)架構(gòu)的最底層，可以直接訪問數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的中轉(zhuǎn)站。壓裂遠(yuǎn)程實(shí)時傳輸服務(wù)主要為井場端的壓裂數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)交囟颂峁┌l(fā)送和接收服務(wù)，是數(shù)據(jù)通信流的中轉(zhuǎn)站；多源數(shù)據(jù)調(diào)閱服務(wù)分為多源數(shù)據(jù)的上傳和下載，主要實(shí)現(xiàn)存儲于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的多源數(shù)據(jù)的下載調(diào)閱和計(jì)算應(yīng)用分析。數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)主要為各種數(shù)據(jù)的上傳、下載和調(diào)閱查看提供服務(wù)。

數(shù)據(jù)庫管理層不直接訪問數(shù)據(jù)庫，它的所有操作通過調(diào)用服務(wù)層的數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)實(shí)現(xiàn);而服務(wù)層直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行井型交互，這樣數(shù)據(jù)就不再分散地存儲在井場端工控機(jī)上或基地端客戶機(jī)上，而是全部統(tǒng)一地存儲在基地服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中管理?；囟丝蛻魴C(jī)和井場端工控機(jī)就可以通過數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行各自的管理操作，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分布式操作。公共數(shù)據(jù)管理主要對用戶管理數(shù)據(jù)、在線工程數(shù)據(jù)和工程索引數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；壓裂施工數(shù)據(jù)管理主要對壓裂液諸如涉及數(shù)據(jù)、施工圖進(jìn)行管理；施工總結(jié)報(bào)告主要實(shí)現(xiàn)對選定壓裂施工工程自動生成施工總結(jié)報(bào)告，并對其進(jìn)行管理。

系統(tǒng)基于微軟公司的Visual Studio 2010，采用新一代的編程語言C#進(jìn)行開發(fā)。由于壓裂施工監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)分為井場客戶端軟件、服務(wù)器端軟件和基地端軟件，是一種客戶端與服務(wù)器的交互模式，因此采用面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture,SOA)。在.NET框架下實(shí)現(xiàn)SOA最好的方式是通信開發(fā)平臺(windows communication foundation，WCF)[9]，WCF能很好地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承院桶踩?，在繪制曲線方面采用了圖形設(shè)備接口(graphics device interface，GDI)技術(shù)[10]。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2008對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，SQL Server2008具有高效性、智能性和可信任性。通過數(shù)據(jù)庫存儲，便于對壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)閱和分析。系統(tǒng)開發(fā)成功后，對系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試應(yīng)用。

3現(xiàn)場應(yīng)用

在華北油田壓裂現(xiàn)場，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試應(yīng)用，壓裂數(shù)據(jù)顯示實(shí)時準(zhǔn)確，實(shí)時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸延時在2 s以內(nèi)，數(shù)據(jù)完全準(zhǔn)確，可以滿足基地端專家對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時分析要求。預(yù)警系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確，在雁63-213x井壓裂過程中，當(dāng)進(jìn)行到146 min時發(fā)生警報(bào)，此時正處于“加砂”曲線的第Ⅲ階段，油壓-時間曲線斜率持續(xù)大于1且油壓也不斷升高，達(dá)到75 MPa，壓裂專家通過遠(yuǎn)程指揮現(xiàn)場施工人員采取降低排量、減小支撐劑濃度，使壓力逐漸趨于正常，最終施工順利完成。

4結(jié)束語

在分析了“加砂”曲線和加砂過程中的壓力后，建立壓裂預(yù)警模型，對可能出現(xiàn)的危險工況進(jìn)行預(yù)警，保證壓裂施工順利的進(jìn)行。

為實(shí)現(xiàn)壓裂施工信息多源采集、實(shí)時傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測和壓裂預(yù)警的總體目標(biāo)，調(diào)研壓裂施工現(xiàn)場信息通信現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一套適用于目前國內(nèi)壓裂施工情況的壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警的總體方案。

基于微軟Visual Studio 2010軟件開發(fā)工具，采用C#語言進(jìn)行編程，依據(jù)壓力-時間雙對數(shù)曲線斜率異常情況預(yù)警理論，結(jié)合已構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)軟件，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用測試，確保該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

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中圖分類號：TP274+.2;TH89

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602014

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號：2011ZX05013-003)。

修改稿收到日期：2014-12-10。

第一作者梁海波(1978-),男，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè),獲博士學(xué)位，講師；主要從事油氣井工程方面的研究。