黃波 鄭春峰 郝濤 李昂

1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；2. 中國石油大學(北京)石油工程學院

油田數(shù)字化建設(shè)基本實現(xiàn)了注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時采集及遠程監(jiān)控，一定程度上提升了油田注水管理智能化水平，但是現(xiàn)有的注水井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中存在重復報警、誤報漏報率高、重點警情不突出等問題。注水井是一個完整的壓力系統(tǒng)，包括井筒管流、管柱嘴流及地層滲流。每一個環(huán)節(jié)都有多種因素影響，包括壓力、流量、水質(zhì)、溫度等。因此對于注水井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，要明確同一口井各個監(jiān)控指標的報警優(yōu)先級，找出多口井中出現(xiàn)問題最嚴重的井，實現(xiàn)“嚴重井優(yōu)先，重要指標優(yōu)先”的報警原則。目前在風險評估和預報警方法方面，Ba Zhenning等[1]采用網(wǎng)絡分析法和模糊綜合評判法，對排水管網(wǎng)的失效風險進行了預報警分析，建立的指標模型保障了排水管網(wǎng)的安全運行；Lu Yi等 [2]采用組合群決策和模糊綜合評價方法對某低溫截止閥進行風險評估；Wu Yunna等[3]利用模糊綜合評價模型對海上波浪-風力-太陽能壓縮空氣儲能電站進行風險評估；Qiao Chen等[4]開展基于模糊層次評價的巖爆強度分類預測研究，建立了沖擊地壓強度模糊綜合評價模型，建立的巖爆預測綜合評價模型能夠提高預測結(jié)果的可靠性；Chen Cunliang[5]利用一種新的基于主成分分析的模糊綜合評判方法，有效識別和控制主導通道，提高了水驅(qū)油藏的采油效率。因此模糊綜合評判方法在風險評估和預報警方面已實現(xiàn)許多成功的應用。在油水井在線診斷報警方面，彭遠志等[6]建立了基于SPC的單參數(shù)預警模型，通過優(yōu)化判異準則，擴展出油井13類故障類型，提高參數(shù)的預警時效；于世春等[7]利用多信息融合、數(shù)據(jù)集成及計算機技術(shù)，通過特定的融合模型及算法，實現(xiàn)注水井工況分析診斷、故障預警、指標統(tǒng)計、遠程調(diào)配、注水曲線及報表自動生成等功能。以上方法建立了完善的故障工況類型，但是對于參數(shù)報警的嚴重程度均未進行定量判斷，對于部分已經(jīng)發(fā)生變化但是未達到報警閾值的情況無法進行提前預警。筆者對注水井安全運行影響因素進行分類，建立指標體系與隸屬函數(shù)，應用隸屬函數(shù)對各項指標報警嚴重程度進行定量描述；通過模糊評判法得到單井預報警指數(shù)并進行排序，實現(xiàn)注水井分級預報警；關(guān)聯(lián)信息合并報警，重點報警信息優(yōu)先推送。

1 注水井預報警指標體系及量化評價方法

注水井安全風險的影響因素包括油壓、套壓、注水水質(zhì)、注水量、注水溫度等。結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗和實際情況，注水壓力異?？蓪е戮诔袎撼抟鸢踩鹿?，或超過地層破裂壓力而傷害地層，另外注水井套管內(nèi)帶壓影響生產(chǎn)增產(chǎn)措施的實施，增加井口刺漏的風險，導致生產(chǎn)管柱在高壓環(huán)境下加速腐蝕，因此壓力指標是注水生產(chǎn)監(jiān)測的重點指標。注水量異常一方面會引起注水壓力的異常，產(chǎn)生安全隱患，另一方面欠注或超注會導致地層能量不能及時補充或引起注水突進，影響注水增油效果。注水水質(zhì)不合格會對地層造成傷害，引起滲流通道堵塞，降低地層吸水能力。根據(jù)油田注水用途，注水水質(zhì)主要包括注入性指標和腐蝕性指標。注入性指標包括含油率、懸浮物濃度、懸浮顆粒粒徑中值，腐蝕性指標包括腐蝕速率、硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細菌等，依據(jù)油田水質(zhì)標準確定報警值。綜上所述，以注水過程中壓力、注水量、水質(zhì)三類指標作為評價注水井預報警監(jiān)控的一級指標（見圖1）。

圖1 注水井影響因素評價指標Fig. 1 Evaluation index of influential factor of water injector

將注水井預報警先后順序視為多層次模糊決策問題，采用模糊綜合評判法進行評價，可以為注水井安全風險嚴重程度和預報警優(yōu)先級提供一種定量化的方法。

根據(jù)模糊數(shù)學隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學對受到多因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價。它具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能較好解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決[8-9]。具體步驟如下。

（ 1）建立注水井因素集。因素集是指對影響評價對象的因素進行提取、整理，并將其組合成一組因素，根據(jù)圖1指標體系，注水井的因素集為U=

（ 2）建立評估集。為了量化評價對象的評價指標或等級，規(guī)范評價結(jié)果，選擇評價對象的評價指標vi構(gòu)成評價集V，即，

（ 3）確定注水井評價指標的權(quán)重向量。在層次分析的基礎(chǔ)上，確定注水井評價指標之間的層次關(guān)系，構(gòu)建評價指標層次體系；然后利用德爾菲法，通過1~9標度法得出ui與uj之 間的相對權(quán)重aij，利用層次分析法形成評價指標向量權(quán)重al，構(gòu)成注水井各評價指標的權(quán)重矩陣

（ 4）注水井單因素模糊評價的隸屬度確定。隸屬度函數(shù)是模糊集合應用于實際問題的基石，一個具體的模糊對象，首先應當確定其切合實際的隸屬度函數(shù)，才能應用模糊數(shù)學方法做具體的定量分析，通過函數(shù)分段法得到了各基本指標的隸屬度，進而得到模糊關(guān)系矩陣。

式中，rij表示某個評價對象從因素ui來看對等級模糊子集vj的隸屬度，其值通過建立注水井評價指標的隸屬函數(shù)來確定。

（5）注水井多指標綜合評價。利用合適的模糊合成算子將模糊權(quán)重矢量A與模糊關(guān)系矩陣R合成得到各被評價對象的模糊綜合評價結(jié)果矢量B。模糊綜合評價的模型為

式中，bj表示被評級對象從整體上看對評價等級模糊 子集元素vj的隸屬程度。

2 注水井預報警指數(shù)模型建立

利用層次分析法計算出圖1中各因素的相對權(quán)重，構(gòu)建確定各項指標的隸屬函數(shù)，建立注水井在線預報警指數(shù)模型，得到注水井預報警指數(shù)矩陣B，bi的大小即為注水井報警的嚴重程度。具體流程如圖 2所示，圖中CR為判斷矩陣的隨機一致性比率。

圖2 預報警模型建立流程圖Fig. 2 Establishment process of pre-alarm model

2 .1 注水井指標的隸屬函數(shù)的確定

2.1.1 井口注水壓力隸屬函數(shù)

井口注水壓力是注水過程中的重要安全指標[10]。合理的安全注水壓力既是保證注水井注水能力的關(guān)鍵，也是防止發(fā)生注水安全風險的保障[11-12]。其隸屬函數(shù)為

式中，pk為井口實時注水壓力，MPa；μ為安全系數(shù)，取0.85；pkf為地層破裂壓力折算到井口的注水壓力，M Pa。

2.1.2 小層注水壓力隸屬函數(shù)

分注井利用配水器的節(jié)流作用實現(xiàn)分層定量注水，導致同一口井各小層的注水壓力不同，會直接影響注水管柱安全及注水效果[13-14]。小層注水壓力隸屬函數(shù)為

式中，pid為 某小層地層實時注水壓力，MPa；pidf為某小層地層破裂壓力，MPa。

2.1.3 井口套壓隸屬函數(shù)

套壓能直接反映井下封隔器是否密封完好，較高的環(huán)空套壓對井口設(shè)備和作業(yè)人員構(gòu)成較大的安全威脅[15-16]。注水井井套壓隸屬函數(shù)為

式中，pt為井口實時套壓，MPa；K為套壓報警臨界值，根據(jù)注水類型與現(xiàn)場經(jīng)驗確定，MPa。

2.1.4 井口注水量隸屬函數(shù)

注水量是保證地層能量補充的基礎(chǔ)，會直接影響注水合格率[17]。注水量與注入壓力有直接關(guān)系，注水指示曲線即是注入壓力與注入量的關(guān)系曲線，反映地層吸水能力的變化。井口注水量隸屬函數(shù)為

式中，Qk為 井口實時注水量，m3；β為注水量浮動范圍 系數(shù)，取0.2；Qkp為井口配注量，m3。

2.1.5 小層注水量隸屬函數(shù)

分層注水是非均質(zhì)多層油藏注水井增加有效注水、均衡吸水剖面、減緩層間干擾、改善開發(fā)效果的重要技術(shù)，小層注水量能否滿足要求，影響精細注水效果。小層注水量隸屬函數(shù)為

式中，Qimp為 某小層實時注水量，m3；Qimsp為某小層配注 量，m3。

2.1.6 水質(zhì)指標隸屬函數(shù)

油田注水開發(fā)效果會受到多種客觀因素的影響，最為直接的就是注水水質(zhì)。這也是注水開發(fā)不能實現(xiàn)預期效果的原因之一[18-19]。水質(zhì)指標包括7項，其中含油率、懸浮物濃度、懸浮顆粒粒徑中值不合格會直接造成孔喉堵塞，造成地層傷害[20-21]；平均腐蝕率、硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細菌與注水管柱和井下設(shè)備的腐蝕速率有關(guān)，影響注水安全。各注水水質(zhì)指標有臨界界限值，當水質(zhì)指標的檢測值小于臨界界限值，水質(zhì)指標安全；當水質(zhì)指標的檢測值大于臨界界限值會發(fā)生報警。注水水質(zhì)指標的隸屬函數(shù)為

式中，qci為某一注水水質(zhì)指標的檢測值；qmi為某一注水水質(zhì)指標的臨界界限值；Rsi為某一注水水質(zhì)指標的隸屬函數(shù)，Rs1對 應含油率指標，Rs2對應懸浮物濃度指標，Rs3對 應懸浮顆粒粒徑中值指標，Rs4對應平均腐蝕率指標，Rs5對 應硫酸鹽還原菌指標，Rs6對應腐生 菌指標，Rs7對應鐵細菌指標。

2.2 計算指標權(quán)重

根據(jù)注水井影響因素指標，建立如圖1所示的層次分析模型，依據(jù)文獻[8]所述的層次分析法原理，得到各評價指標的權(quán)重分配，結(jié)果如表1所示。

表1 各評價指標權(quán)重分配表Table 1 Weight distribution of different evaluation indexes

2.3 計算預報警指數(shù)

基于層次分析法，得到監(jiān)控指標特征向量權(quán)重值，得到判斷矩陣A。

基于各影響因素的隸屬度函數(shù)，得到隸屬度矩陣R，由隸屬度矩陣R與判斷矩陣A相乘得到目標函數(shù)預報警指數(shù)矩陣B

式中，n表示報警井數(shù)；bn表 示第n口井的預報警指數(shù)，其值越大表示該井問題越嚴重；m表示每口井的m個指標。

3 實例分析

以QHD32-6油田某區(qū)塊的9口注水井為研究對象，目前該區(qū)塊注水井分注方式有預置電纜自動測調(diào)分注、同心集成分注、單極同心分注。部分注水井的注水壓力波動范圍大，存在異常注水壓力的情況，也有套壓升高的情況出現(xiàn)，注水量基本滿足配注要求，水質(zhì)指標中檢測到懸浮物含量超標的情況。其中，Well_01懸浮物濃度稍高于油田的指標界限值，Well_04存在懸浮物濃度嚴重超標的問題，Well_05存在注水壓力偏高、套壓異常偏高的問題，Well_06存在套壓異常偏高的問題。

基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將單井各指標數(shù)值代入對應的隸屬函數(shù)式(3)~式(8)，計算得到隸屬度矩陣R。

由式(10)計算得出單井的報警指數(shù)。

對該區(qū)塊內(nèi)注水井的預報警指數(shù)進行計算，根據(jù)結(jié)果將其按等級分為3類：第一類是嚴重井（預報警指數(shù)大于0.8），第二類是較嚴重井（預報警指數(shù)為0.5~0.8），第三類是不嚴重井（預報警指數(shù)小于0.5），結(jié)果見表2。可以看出，Well_05井報警指數(shù)0.891，為一類報警，主要原因為套壓與注入壓力異常；Well_04井報警指數(shù) 0.693，為二類報警，主要原因是懸浮物濃度嚴重超標；Well_06井報警指數(shù)0.688，為二類報警，主要原因為套壓異常；Well_01井報警指數(shù)0 .632，為二類報警，主要原因為套壓異常和懸浮物濃度較高。

表2 注水井預報警指數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculated pre-alarm index of water injector

由于壓力波動、注水量波動等因素的影響，需要驗證預報警的準確性和靈敏性。收集一類報警井Well_05近半年井口油壓、井口注水量、懸浮物濃度等數(shù)據(jù)。該井井口油壓注水指標界限值為12 MPa，懸浮物濃度注水指標界限值為5 mg/L。由圖3可以看出，在井口油壓波動變化情況下，有50%的測量數(shù)據(jù)超過12 MPa。

圖3 Well_05井近期重要指標測量數(shù)據(jù)Fig. 3 Recently measured important index of Well_05

利用Well_05井最近半年的數(shù)據(jù)進行預報警指數(shù)計算分析，由圖4可以看出，Well_05井預報警為一類報警的概率在70%，二類報警的概率在30%。因此考慮三大重要指標實時數(shù)據(jù)波動的因素，可以實現(xiàn)注水井實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線預報警功能。

圖4 Well_05井報警指數(shù)Fig. 4 Alarm index of Well_05

通過現(xiàn)場監(jiān)測統(tǒng)計校驗可知，9口井12項指標均無重復報警、漏報現(xiàn)象，預報警等級排序結(jié)果也符合渤海油田現(xiàn)場對注水井風險處理的優(yōu)先級，表明模糊綜合評判法建立的注水井預報警模型在渤海油田具有良好的適應性。

4 結(jié)論

（1）總結(jié)國內(nèi)外注水運行安全風險的相關(guān)指標，并從渤海油田現(xiàn)場實際管理需求出發(fā)，建立了注水壓力、注水量、注水水質(zhì)三類安全風險影響因素的預報警指標體系,能夠定量評價各影響因素之間的相對重要性。

（2）采用層次分析法定量確定各級評價指標權(quán)重，應用綜合評判方法建立注水井預報警指數(shù)模型，將模糊層次問題定量化，有效避免了多指標評判的主觀性，實現(xiàn)了“嚴重井優(yōu)先，重要指標優(yōu)先”的報警機制。

（3）通過現(xiàn)場的試驗應用，證明模糊綜合評判法建立的注水井預報警模型符合渤海油田實際情況，對其他類似油田的注水井安全運行預報警也具有較好的推廣借鑒意義。

（4）建立的預報警指數(shù)模型可對注水井狀態(tài)進行準確、量化評估，并有較強的可操作性，但是指標權(quán)重依賴于專家經(jīng)驗的主觀評價，如何依據(jù)油田實際情況科學應用專家經(jīng)驗是實現(xiàn)客觀評價和提高模型準確度的有效方法。