羅光強(qiáng)，李 揚(yáng)，周 策，陳文俊

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611734；2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川成都 611734)

0 前言

智能化、自動化、信息化是鉆井工程的發(fā)展方向。鉆井工程是地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查工作最直接的技術(shù)手段(趙大軍等，2006;王達(dá)等，2016)。鉆探又是一門系統(tǒng)工程，在井底看不見摸不著，其難度大、風(fēng)險高、隱蔽性強(qiáng)，其工作對象又是幾乎完全未知、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地球(胡郁樂等，2011；Van de Sande,2012)。為保證鉆井工程科學(xué)有序的進(jìn)行，減少鉆井工程的盲目性，對鉆井參數(shù)的實時、遠(yuǎn)程監(jiān)控必不可少，而且，鉆井復(fù)雜工況的識別與鉆井事故的實時診斷也相當(dāng)重要(Wang and Wang,2009)。鉆進(jìn)過程中易發(fā)生復(fù)雜情況甚至造成嚴(yán)重的事故，智能化鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)是鉆探系統(tǒng)安全運行的重要保障，被稱為“鉆探工程的眼睛”(殷參等，2012)。在鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控與識別系統(tǒng)中，需要解決傳感器信號的近程傳輸、復(fù)雜鉆進(jìn)工況識別、異地遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)瓤茖W(xué)問題，主要難點在于信息的集成、20 km范圍內(nèi)信號傳輸、人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別、遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)信息及軟件的傳輸?shù)取?/p>

目前，設(shè)計完善、使用可靠廣泛的工況識別系統(tǒng)大部分都只應(yīng)用于國外石油行業(yè)，主要有Well-safe井場安全控制專家系統(tǒng)、RSES井場實時專家系統(tǒng)、Drilling Advisor(鉆井顧問)等。國內(nèi)石油行業(yè)的工況識別系統(tǒng)才剛剛起步，還在研發(fā)應(yīng)用調(diào)試階段，還缺乏大范圍的推廣應(yīng)用(Wrobel,2012；羅光強(qiáng)和胡郁樂，2014；李永釗,2017；陳思博，2018)。但研究的角度、側(cè)重點、運用的手段方法不同，主要技術(shù)特點是基于專家系統(tǒng)、多信息融合、人工智能等。然而，對于巖心鉆探行業(yè)來說，也處于研制調(diào)試階段，缺少大范圍的推廣應(yīng)用，或多或少都存在一些問題。比如國內(nèi)研制使用的如DDW-3型、WZY-1型、DPI-1等鉆參儀只有簡單的多個參數(shù)檢測、單個參數(shù)檢測報警功能，沒有系統(tǒng)的分析診斷，預(yù)報預(yù)測，對工況識別，特別是孔內(nèi)事故診斷的研究十分欠缺。同時，任何事故的發(fā)生都會在鉆進(jìn)工藝過程中提前產(chǎn)生征兆(夏陽等，2010；張曉西等，2012)，征兆往往表現(xiàn)為不同參數(shù)數(shù)據(jù)的異常，通過多參數(shù)融合分析與診斷，及時有針對性地分析判斷。要根據(jù)這些數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地對孔下各種復(fù)雜鉆進(jìn)工況與事故進(jìn)行分析和診斷，傳統(tǒng)的經(jīng)驗判斷方法已經(jīng)無能為力(張金昌等，2007；張恒春等，2018)，必須運用人工智能方法進(jìn)行快速智能分析判斷(孟武勝等，2008；湯鳳林等，2009)，實時反應(yīng)孔底鉆進(jìn)工況的異常狀態(tài)(胡郁樂等，2004；馬智躍等，2019；方鵬，2019)。因此，在鉆井工程中，對鉆進(jìn)參數(shù)的實時、安全、準(zhǔn)確、高效傳輸就顯得十分重要。擬研究一套由無線發(fā)送接收模塊、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、復(fù)雜鉆進(jìn)工況識別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成的深孔智能化鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)，可以實現(xiàn)鉆井參數(shù)實時傳輸、智能顯示、分析存儲、三維圖表分析顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸、復(fù)雜工況識別、事故診斷等功能(張捍東和紀(jì)文志，2009)，解決深部鉆探、科學(xué)鉆探、干熱巖鉆探、頁巖氣鉆探中鉆井參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸、工況識別等技術(shù)難題。本文主要側(cè)重信號傳輸及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜工況識別和鉆井事故診斷。

1 鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)主要由無線發(fā)送接收模塊、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、復(fù)雜鉆進(jìn)工況識別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成。在智能化鉆參儀或錄井?dāng)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器LabVIEW、Matlab、C++及Access數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的編程方式，研制的一套深部鉆探智能化鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)，專家不需要在鉆井現(xiàn)場，也可以實時了解鉆井現(xiàn)場的各個參數(shù)，分析現(xiàn)場情況，給出實時建議。深孔智能化鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智能化鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

將現(xiàn)場的轉(zhuǎn)盤鉆速、大鉤高度、大鉤負(fù)荷、立管壓力、稱重傳感器、電流、沖速、流量、溫度、密度、泥漿池體積等傳感器參數(shù)，通過USB數(shù)據(jù)采集卡，將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采集至鉆井現(xiàn)場。由于鉆井現(xiàn)場條件差、又要高負(fù)荷生成，需要采用無線發(fā)送電臺將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)發(fā)送至有網(wǎng)絡(luò)、條件好的野外基地，可以在20 km范圍內(nèi)采用無線接收電臺接收傳輸過來的傳感器信號，實現(xiàn)近程監(jiān)控。然后通過LabVIEW軟件平臺計算分析處理，可以得到鉆壓、井深、鉆頭位置、扭矩等二次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，很多二次轉(zhuǎn)換計算的數(shù)據(jù)才是現(xiàn)場情況的真實反應(yīng)，才是鉆井工藝需要存儲記錄的數(shù)據(jù)，然后將部分?jǐn)?shù)據(jù)二維曲線、三維曲線顯示、存儲、分析、挖掘，圖表體現(xiàn)出鉆機(jī)的進(jìn)尺，實效，機(jī)械效率等，數(shù)據(jù)庫記錄按天自動存儲。然后根據(jù)多個參數(shù)閾值判斷來推斷復(fù)雜工況，比如井涌的判斷，在正常鉆進(jìn)過程中，泥漿的出口流量>入口流量，且泥漿池的體積增加，就可以判斷為井涌(錢顯毅，2011)。然后根據(jù)多個參數(shù)的閾值判斷+風(fēng)險系數(shù)+數(shù)據(jù)融合來推斷鉆井事故，比如鉆具斷裂，在正常鉆進(jìn)過程中，鉆壓或扭矩數(shù)據(jù)急劇降低，且泥漿泵的泵壓明顯下降，綜合判斷就可以判斷為鉆具斷裂。最后，就可以通過LabVIEW網(wǎng)絡(luò)實時傳輸模塊，不在鉆機(jī)現(xiàn)場都可以看到現(xiàn)場的鉆井參數(shù)、三維曲線、復(fù)雜鉆進(jìn)工況、事故診斷等情況，還可以多個專家不同地方會診，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，調(diào)整鉆進(jìn)工藝，對工況、事故提出專家意見，提供智能、及時、科學(xué)的鉆進(jìn)參數(shù)，便于高效、專業(yè)的完成鉆井工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

圖2 智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)流程圖

發(fā)送、接收端都通過LabVIEW軟件平臺實現(xiàn)，即是通過LabVIEW軟件與無線發(fā)送接收電臺相連，實現(xiàn)無線傳輸(林靜等,2010)。無線發(fā)送接收模塊選用2個E90-DTU(433L37)無線數(shù)傳電臺即可實現(xiàn)其中一個電臺發(fā)送，另外一個電臺接收，可以實現(xiàn)20 km范圍內(nèi)的高速無間斷的實時傳輸。另外，還可以實現(xiàn)一個基地采集傳輸多個野外現(xiàn)場的鉆井?dāng)?shù)據(jù)。

2 復(fù)雜工況及事故診斷系統(tǒng)

工況識別系統(tǒng)主要由復(fù)雜工況識別及鉆井事故診斷兩部分組成。通過無線發(fā)送接收模塊將接收的傳感器信號及處理后的二次數(shù)據(jù)，如鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速、泵壓、泵量、扭矩、鉆頭位置、井深等作為輸入?yún)?shù)信號進(jìn)行綜合分析判斷，通過參數(shù)的閥值判斷+條件選擇，多個參數(shù)聯(lián)合識別不同的工況(毛玉蓉和翁惠輝，2004)，識別鉆進(jìn)工藝過程中復(fù)雜鉆進(jìn)工況井涌、井漏、巖心堵塞、到位報信等。如巖心堵塞的識別：在正常取心鉆進(jìn)過程中，泵壓持續(xù)突增，且出口流量減少，即可判斷為巖心堵塞。編程判斷語言：鉆壓>0，且轉(zhuǎn)速>0，且泵量>0，且泵壓>10秒鐘前的泵壓*1.25倍，且泵壓>60秒鐘前的泵壓*1.25倍，且泥漿的出口流量<10秒鐘前的出口流量*0.5倍。

鉆井事故診斷是應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來識別，先建立正常鉆進(jìn)、卡鉆、埋鉆、燒鉆、鉆具斷裂5種工況的學(xué)習(xí)樣本，以鉆速、扭矩、轉(zhuǎn)速、大鉤載荷、泵壓、入口流量、出口流量、泥漿池體積等8個鉆進(jìn)參數(shù)為特征變量建立學(xué)習(xí)樣本，然后進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集訓(xùn)(王江萍等，2008)，輸出8個特征變量與5種工況對應(yīng)的權(quán)重值，之后將接收的多路鉆井參數(shù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識別、診斷，即可得到正常鉆進(jìn)、卡鉆、埋鉆、燒鉆、鉆具斷裂5種診斷結(jié)果，原理如圖3所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷原理圖

3 基于汶川科鉆WFSD-4孔的傳輸及應(yīng)用

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目四號孔(WFSD-4)是汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程的主孔之一，屬于“十一五”國家科技專項項目。目的是揭示汶川地震斷裂帶的地質(zhì)構(gòu)造及性質(zhì)，檢驗和深化地震斷裂發(fā)震機(jī)理。完鉆后，將在鉆孔內(nèi)安放地震探測儀器，為未來地震的監(jiān)測、預(yù)報或預(yù)警提供基本數(shù)據(jù)。它位于平武縣南壩鎮(zhèn)，采用交流變頻KZ30DB鉆機(jī)，設(shè)計深度3350 m，由于地層條件極其復(fù)雜導(dǎo)致多次井內(nèi)事故以及施工時間和費用的限制，該井鉆進(jìn)至2338.77 m后提前完鉆，完鉆井徑φ150 mm。

為驗證智能化鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別效果，以汶川科鉆WFSD-4孔鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析應(yīng)用。將錄井?dāng)?shù)據(jù)通過無線發(fā)送電臺、無線接收電臺，傳輸至17 km范圍的一個辦公基地，在LabVIEW軟件平臺存儲顯示，然后進(jìn)行復(fù)雜工況識別及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鉆井事故診斷，最后在網(wǎng)絡(luò)平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控。

汶川科鉆WFSD-4孔基本信息如圖4所示。實時傳輸軟件界面如圖5所示。

圖4 汶川科鉆WFSD-4孔鉆孔信息

圖5 實時傳輸軟件主界面

遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)軟件主界面顯示了實時鉆進(jìn)參數(shù)，從軟件圖中可以分析出當(dāng)時的鉆進(jìn)工況為掃孔鉆進(jìn)，扭矩參數(shù)也是鋸齒形變化，從鉆井的入口流量、出口流量及泥漿池的液位，可以判斷為輕微的井漏。通過鉆速、扭矩、轉(zhuǎn)速、大鉤載荷、泵壓、入口流量、出口流量、泥漿池體積等8個鉆進(jìn)參數(shù)為特征變量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，推斷當(dāng)時的工況為卡鉆。

在軟件中進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)置，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸界面如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程監(jiān)控

在網(wǎng)頁中輸入固定的網(wǎng)址，即可訪問鉆井現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場鉆進(jìn)工況，還可以通過不同地方專家同時會診，提出建議意見，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，調(diào)整鉆井工藝。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合科學(xué)鉆探汶川科鉆WFSD-4孔鉆井?dāng)?shù)據(jù)，針對性地設(shè)計了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)，解決鉆井參數(shù)傳輸瓶頸問題，可以廣泛應(yīng)用于復(fù)雜、深孔、智能化鉆井現(xiàn)場，為科學(xué)鉆探服務(wù)，滿足野外現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸要求，實時便捷，穩(wěn)定性好，經(jīng)濟(jì)適用，現(xiàn)場適用性強(qiáng)。

(2)通過虛擬儀器LabVIEW軟件、Matlab、C++、Access數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的編程方式，編制的遠(yuǎn)程監(jiān)控及工況識別系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了鉆進(jìn)參數(shù)的實時傳輸、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、工況識別、事故診斷等功能，智能便捷。

(3)設(shè)計了一套工況識別系統(tǒng)，實現(xiàn)4種復(fù)雜鉆井工況識別及4種鉆井事故的實時診斷，可廣泛應(yīng)用于不同鉆機(jī)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，廣泛匹配不同智能化鉆參儀及現(xiàn)場錄井?dāng)?shù)據(jù)。

(4)該系統(tǒng)可以應(yīng)用于巖心鉆機(jī)(立軸鉆機(jī))、水文鉆機(jī)、地?zé)徙@機(jī)，也可應(yīng)用于簡易的石油鉆機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、工況識別、遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)智能識別。