李宬曉， 周長(zhǎng)虹， 鄧 柯

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2國(guó)家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3中石油欠平衡與氣體鉆井試驗(yàn)基地)

“十一五”以來，氣體鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展，先后在川渝、新疆、青海、普光等地區(qū)應(yīng)用近千井次，在提高鉆速、防漏治漏和保護(hù)儲(chǔ)層三個(gè)方面展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。盡管通過多年攻關(guān)克服了地層產(chǎn)水、井下燃爆等先天難題，使氣體鉆井適用范圍、應(yīng)用進(jìn)尺和井深大幅提升，但新出現(xiàn)的井下復(fù)雜和事故仍然影響著人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的安全認(rèn)可。例如龍崗某井氮?dú)忏@井至3 764.50 m突遇異常高壓高產(chǎn)氣層導(dǎo)致排砂管線爆裂，邛崍1井氮?dú)忏@井突遇異常高壓高產(chǎn)氣層發(fā)生閃爆著火事故，如能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，上述事件將不會(huì)發(fā)生。

由于氣體環(huán)空上返速度快、時(shí)間短、壓力傳遞遲鈍等特點(diǎn)，在實(shí)鉆過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下復(fù)雜的難度較大，而目前主要依靠作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)和出口返出情況進(jìn)行判斷，具有較強(qiáng)的主觀性和滯后性，缺乏對(duì)事發(fā)前顯示征兆的量化判斷和科學(xué)分析。本文將利用人工智能方法和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)探索氣體鉆井復(fù)雜工況預(yù)警方法。

一、常見復(fù)雜工況及其參數(shù)響應(yīng)

(1)鉆遇強(qiáng)烈油氣顯示。鉆至產(chǎn)層后，產(chǎn)層和井底間極大的壓力差值瞬間釋放，致使井底巖石瞬間破碎形成沖擊力作用于鉆頭，造成懸重降低。由于應(yīng)力波在鉆桿內(nèi)的波速可達(dá)5 500～5 700 m/s，應(yīng)力波從井底傳到井口的時(shí)間低于氣體遲到時(shí)間，因此正常鉆進(jìn)時(shí)懸重的瞬間變化可以作為發(fā)現(xiàn)鉆遇產(chǎn)層的最快參數(shù)。此外環(huán)空氣體流速增大，摩阻增加，導(dǎo)致注入壓力和排砂管線壓力增大，返出氣體組分、濃度也會(huì)發(fā)生重大變化。所有響應(yīng)中最可靠的是氣體組分和濃度變化，但存在時(shí)間遲到和無法表現(xiàn)突發(fā)程度的缺點(diǎn)。預(yù)警依據(jù)以懸重為主，注入壓力和組分濃度變化為輔。

(2)井壁失穩(wěn)。井壁失穩(wěn)后環(huán)空中流動(dòng)固相增加，注入壓力增大，增幅較小時(shí)判定井壁失穩(wěn)需結(jié)合其他參數(shù)。若環(huán)空堵塞注入壓力將快速上升，由于氣體可壓縮，壓力蹩升需要一段時(shí)間，直到憋壓足以破壞堵塞巖塊時(shí)注入壓力快速降低。井壁坍塌巖石造成鉆具阻卡，上提下放時(shí)大鉤載荷變化幅度大，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)扭矩波動(dòng)大，轉(zhuǎn)速降低。此外排砂管線出口可見大顆粒巖屑返出，且返出氣流不規(guī)律，排砂管線壓力下降。預(yù)警依據(jù)以大鉤載荷、扭矩、轉(zhuǎn)速波動(dòng)為主，注入壓力和排砂管線壓力變化為輔。

(3)地層出水。返出氣體的濕度是反應(yīng)地層是否產(chǎn)水的最直接參數(shù)，一般而言，正常鉆進(jìn)時(shí)的氣體濕度在40%左右，且隨外界溫度和注入壓力規(guī)律性變化。若相對(duì)濕度超過40%或超出正常值30%可判斷地層已產(chǎn)水。同時(shí)也要加強(qiáng)返出巖樣監(jiān)測(cè)和停降塵水觀察出口是否有干灰返出。預(yù)警依據(jù)是返出氣體濕度。

(4)鉆頭泥包。氣體鉆井鉆頭泥包的前提是地層產(chǎn)水，巖屑遇水后膨脹，當(dāng)產(chǎn)水量達(dá)到一定程度時(shí)巖屑團(tuán)黏聚于鉆頭上，形成泥包。泥包后鉆頭與井壁間隙減少，環(huán)空循環(huán)不暢，造成注入壓力、上提下放摩阻增大，扭矩和轉(zhuǎn)速變化頻繁，鉆頭破巖效率降低等。預(yù)警依據(jù)以氣體濕度、注入壓力和扭矩波動(dòng)為主，鉆時(shí)為輔。

(5)卡鉆。氣體鉆井常見卡鉆類型是沉砂或垮塌卡鉆，原因一般由井壁失穩(wěn)和井漏、出水導(dǎo)致的攜砂不暢引起。鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生卡鉆的最直接征兆是扭矩突然增加，一般情況下，扭矩的波動(dòng)范圍為25%，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍為5%，當(dāng)發(fā)生阻卡時(shí)，扭矩的波動(dòng)范圍達(dá)25%～90%，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍達(dá)5%～75%。預(yù)警依據(jù)以扭矩、轉(zhuǎn)速變化為主，注入壓力、懸重、排砂管線壓力為輔。

(6)井下燃爆。當(dāng)空氣鉆井鉆遇地層出氣后，井下天然氣與空氣混合，在一定的壓力、溫度條件下會(huì)發(fā)生井下燃爆，造成井壁垮塌、鉆具/套管燒毀等復(fù)雜。燃爆為不完全燃燒過程，導(dǎo)致返出氣體中O2濃度和全烴含量降低，CO、CO2濃度升高，同時(shí)溫度升高。預(yù)警依據(jù)以氣體組分、濃度變化為主，溫度為輔。

(7)鉆柱斷裂。懸重突然降低是鉆柱斷裂的最直觀反映，立壓一般會(huì)下降0.5～1 MPa，扭矩下降，鉆時(shí)上升。預(yù)警依據(jù)以懸重為主，立壓和扭矩變化為輔。

(8)鉆具刺漏。一部分氣體從刺漏處進(jìn)入環(huán)空，與環(huán)空建立微循環(huán)，刺漏點(diǎn)以下氣體流速降低，立壓一般會(huì)下降0.1～0.2 MPa，其他參數(shù)基本不受影響。

各復(fù)雜工況參數(shù)定性響應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 氣體鉆井異常工況與表征參數(shù)的定性響應(yīng)關(guān)系

二、隨鉆復(fù)雜工況預(yù)警方法

鉆井復(fù)雜工況診斷建立精確的模型是非常困難的，只能通過人工智能、模糊識(shí)別的方法將復(fù)雜工況與監(jiān)測(cè)參數(shù)聯(lián)系起來[1]?；舅枷胧峭ㄟ^系統(tǒng)UI讀入監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理機(jī)，運(yùn)行后再對(duì)結(jié)果進(jìn)行還原操作，并返回至系統(tǒng)UI，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)主要的推理工作，并且是連接知識(shí)庫(kù)和系統(tǒng)界面的關(guān)鍵部分。

目前用于故障診斷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)種類較多，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是前饋型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)于實(shí)際中難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)更顯示出其獨(dú)特功效，目前最為流行[2]。由于不能事先人為確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值必須通過自學(xué)習(xí)來完成。

1.知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

一個(gè)專家系統(tǒng)的完善程度主要取決于其知識(shí)庫(kù)的完善程度，知識(shí)的歸納整理是一個(gè)非常繁瑣和重要的過程，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)我們先期構(gòu)建了43個(gè)參數(shù)響應(yīng)樣本訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。在軟件使用過程中也會(huì)將推理與實(shí)鉆的對(duì)比結(jié)果存儲(chǔ)到知識(shí)庫(kù)中，并向前反饋調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值。表2給出了規(guī)則庫(kù)部分示例。

表2 氣體鉆井異常工況判斷規(guī)則庫(kù)示例

其中規(guī)則可信度是由技術(shù)人員、專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)確定的，例如相對(duì)濕度上升超過30%發(fā)生地層出水的可能性高達(dá)90%。為方便管理，軟件設(shè)計(jì)了專門的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則錄入模塊。

2.推理機(jī)設(shè)計(jì)

考慮到氣體鉆井工況判斷的特點(diǎn)，提出了傳統(tǒng)推理模式與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，其特點(diǎn)是在啟用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理前首先運(yùn)用正向推理方式走了一個(gè)“捷徑”，減少了計(jì)算工作量，其流程如圖1所示。

圖1 推理機(jī)設(shè)計(jì)思路

三、隨鉆安全監(jiān)控與數(shù)據(jù)提取

1.集中監(jiān)控系統(tǒng)

“十二五”期間，川慶鉆采院研發(fā)了氣體鉆井集中監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井參數(shù)(懸重、扭矩、轉(zhuǎn)速等)、入井氣體參數(shù)(壓力、流量、O2含量等)、返出流體參數(shù)(CH4、H2S、CO2、O2含量、濕度等)以及排砂管線壓力、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，并具備設(shè)備控制、注氣量調(diào)節(jié)功能。氣體鉆井復(fù)雜工況預(yù)警所需的13項(xiàng)參數(shù)均取于此。

2.數(shù)據(jù)提取與預(yù)處理

在進(jìn)行復(fù)雜工況預(yù)警前，必須得到適當(dāng)?shù)奶卣鲄?shù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量。直接數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)誤差和統(tǒng)計(jì)起伏等無用信息，可能會(huì)導(dǎo)致收斂性下降。這些無用信息應(yīng)盡可能地加以消除，以提高分析效率和精度。首先按照以下步驟對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：①剔除資料不全和明顯不符合事實(shí)的數(shù)據(jù)；②對(duì)剩下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)其數(shù)量，對(duì)于數(shù)據(jù)量少于一定閾值(如20)的種類做出標(biāo)注，表明使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)推理的誤差可能會(huì)很大；③最后對(duì)保留的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出數(shù)據(jù)限制在(0，1)區(qū)間內(nèi)，最大程度地拉大了同一組樣本數(shù)據(jù)中各個(gè)數(shù)據(jù)的差異，以保證較為健全的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練環(huán)境。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2016年11月在ST7井空氣鉆井中進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用井段90.00～503.00 m，成功預(yù)警了地層出水。11月16日00 ∶24空氣鉆進(jìn)至井深405.81 m，立壓1.85↑1.88 MPa，出口濕度28.5%↑54.2%，系統(tǒng)發(fā)出地層出水預(yù)警；01 ∶05空氣鉆進(jìn)至井深414.72 m，空氣錘不工作，立壓1.83↓1.52 MPa，起鉆后發(fā)現(xiàn)空氣錘泥包，巖屑濕潤(rùn)，預(yù)警成功。期間還利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷井筒干燥情況，為現(xiàn)場(chǎng)決定是否繼續(xù)實(shí)施空氣鉆井提供了科學(xué)依據(jù)。

起出空氣錘，更換牙輪鉆頭后劃眼到底的過程中出口氣體濕度沒有繼續(xù)增大，說明地層出水量微小，可以通過增大氣量的方式烘干井筒，沒必要轉(zhuǎn)換鉆井液。基于這一判斷現(xiàn)場(chǎng)決定增大氣量，繼續(xù)空氣鉆井，最后成功鉆至設(shè)計(jì)井深503.00 m。鉆進(jìn)過程中多次停降塵水有粉塵返出驗(yàn)證了上述判斷的正確性。

五、結(jié)論與建議

(1)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的氣體鉆井復(fù)雜工況預(yù)模型具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力，是鉆井復(fù)雜工況預(yù)警較為理想的推理方法。

(2)模型知識(shí)庫(kù)需要在實(shí)踐中不斷豐富和完善，使得模型更加適應(yīng)氣體鉆井作業(yè)環(huán)境，建議推廣應(yīng)用。

[1]樂守群,梁海波.鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)診斷技術(shù)概念設(shè)計(jì)[J].鉆采工藝,2011,34(1):7-10.

[2]王江萍，孟祥芹，鮑澤富. 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)診斷鉆井事故[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(2)：99-102.