陳銳 ，李黔 ，尹虎 ，袁本福

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)不斷向新領(lǐng)域拓展，高風(fēng)險、高難度復(fù)雜井鉆井過程中遇到的問題越來越多，特別是在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地層中鉆井，更容易發(fā)生各種復(fù)雜情況，如井漏、井涌、井塌、卡鉆、鉆具事故、鉆頭事故、固井風(fēng)險及其他風(fēng)險等［1-2］。

國外公司在鉆井風(fēng)險監(jiān)測與診斷研究及應(yīng)用方面已經(jīng)取得了一定成果，具有代表性的是斯倫貝謝和BP公司聯(lián)合開發(fā)的無意外風(fēng)險鉆井（NDS）技術(shù)系統(tǒng)［3-5］，該系統(tǒng)在克拉瑪依和迪那地區(qū)已成功應(yīng)用，大大節(jié)約了鉆井成本。國內(nèi)雖然在鉆井風(fēng)險診斷方面進(jìn)行了大量研究，但主要限于專家知識系統(tǒng)［6-8］，還不能完全滿足現(xiàn)場作業(yè)的需要。鉆井風(fēng)險實(shí)時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)以地質(zhì)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，以鉆井風(fēng)險管理技術(shù)為手段，在鉆井過程中，對采集到的綜合錄井參數(shù)和地層壓力、水力學(xué)等計(jì)算參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，減少鉆井風(fēng)險的發(fā)生；同時結(jié)合具有人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對鉆井風(fēng)險的實(shí)時診斷。

1 系統(tǒng)工藝流程

鉆井風(fēng)險實(shí)時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，利用鉆井現(xiàn)場采集的綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)和隨鉆測量數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)的鉆井工程參數(shù)分析計(jì)算模型，實(shí)時計(jì)算各種鉆井風(fēng)險影響因素，通過實(shí)時監(jiān)測分析鉆井風(fēng)險特征參數(shù)的變化情況，對即將發(fā)生或潛在的鉆井風(fēng)險進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測及診斷。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地質(zhì)力學(xué)模型［9-12］

地質(zhì)力學(xué)模型就是利用計(jì)算機(jī)描述油藏或盆地特定地層剖面應(yīng)力和巖石力學(xué)特性的數(shù)值模型。地質(zhì)力學(xué)模型由地層頂部、斷層、巖石強(qiáng)度、孔隙壓力、應(yīng)力大小和方向等各種參數(shù)的地質(zhì)剖面組成，并同區(qū)域地層和地質(zhì)構(gòu)造相連接。通過分析巖石的地層剖面特性，可以實(shí)時了解巖石強(qiáng)度、上覆巖層壓力、孔隙壓力等各種地質(zhì)剖面參數(shù)，對某個區(qū)域的地層應(yīng)力與巖石力學(xué)特性相關(guān)信息進(jìn)行邏輯匯編組合，并利用這些參數(shù)指導(dǎo)鉆井作業(yè)。

大量事實(shí)證明，在目前許多復(fù)雜的鉆井、完井和開采作業(yè)中，都需要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)分析來降低鉆井風(fēng)險。通過鉆前建立地質(zhì)力學(xué)模型，并在鉆進(jìn)過程中實(shí)時更新，實(shí)時掌握地層巖石力學(xué)參數(shù)的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對鉆井風(fēng)險因素的實(shí)時監(jiān)測。

2.2 風(fēng)險影響因素分析

鉆井風(fēng)險影響因素是指與鉆井風(fēng)險直接相關(guān)的地層特征參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，主要包括地層壓力、水力學(xué)和鉆柱力學(xué)等參數(shù)。鉆進(jìn)過程中通過計(jì)算分析，實(shí)時監(jiān)測影響因素的變化情況，并結(jié)合綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)對鉆進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，充分保證風(fēng)險監(jiān)測與診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

2.3 鉆井風(fēng)險監(jiān)測

鉆井風(fēng)險監(jiān)測以鉆井風(fēng)險因素實(shí)時分析技術(shù)為基礎(chǔ)，通過鉆前對各種風(fēng)險表征參數(shù)的綜合分析，結(jié)合綜合錄井現(xiàn)場異常預(yù)警方法，確定各種表征參數(shù)的風(fēng)險預(yù)警值［13-15］。在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)實(shí)時采集現(xiàn)場綜合錄井及井下隨鉆測量數(shù)據(jù)，將表征參數(shù)以曲線形式進(jìn)行瀏覽、回放，實(shí)時監(jiān)測各種風(fēng)險表征參數(shù)值的變化情況，當(dāng)表征參數(shù)值達(dá)到或超過風(fēng)險預(yù)警值時，發(fā)出風(fēng)險預(yù)警信號。系統(tǒng)風(fēng)險實(shí)時監(jiān)測工藝流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測工藝流程

2.4 鉆井風(fēng)險診斷［16-19］

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行鉆井風(fēng)險診斷，首先是在開鉆之前，通過收集鄰井相關(guān)風(fēng)險數(shù)據(jù)作為風(fēng)險學(xué)習(xí)樣本，建立一種結(jié)合實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)與風(fēng)險因素實(shí)時分析結(jié)果的鉆井風(fēng)險推理分析模型。其次是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，即將鉆井風(fēng)險因素?cái)?shù)據(jù)作為輸入層，經(jīng)隱含層激勵函數(shù)處理后，進(jìn)入誤差逆向?qū)W習(xí)過程，經(jīng)過隱含層向輸入層逐層返回，并分配給各層的所有神經(jīng)單元，從而獲得各層神經(jīng)單元的參考誤差，以作為修改各神經(jīng)單元權(quán)值的依據(jù)；通過不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值和閾值，一直持續(xù)到輸出誤差減至可接受的精度或達(dá)到設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止；然后保存樣本學(xué)習(xí)最優(yōu)權(quán)值和閾值。最后，在鉆井過程中，通過實(shí)時采集綜合錄井及井下隨鉆測量數(shù)據(jù)，以地質(zhì)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，計(jì)算各種鉆井風(fēng)險影響參數(shù)，分析風(fēng)險表征參數(shù)的變化情況，然后將風(fēng)險因素輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對鉆井風(fēng)險進(jìn)行實(shí)時推理分析，診斷出井下正在發(fā)生鉆井風(fēng)險的類型。系統(tǒng)風(fēng)險實(shí)時診斷工藝流程見圖3。

3 應(yīng)用實(shí)例

遼河興隆臺油田XG7-H221井位于西部凹陷潛山構(gòu)造，井型為水平井，設(shè)計(jì)井深4 900 m。通過收集2口發(fā)生過井漏的鄰井?dāng)?shù)據(jù)，建立井漏風(fēng)險診斷樣本，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法學(xué)習(xí)及訓(xùn)練所建立的井漏樣本，并利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)果，建立XG7-H221井井漏診斷網(wǎng)絡(luò)模型。在三開過程中，系統(tǒng)利用該井漏診斷網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合井漏風(fēng)險因素計(jì)算結(jié)果，實(shí)時診斷井漏風(fēng)險，分別在2821，2 825，2 826 m處診斷出發(fā)生井漏的可能性較大（見圖4）。實(shí)鉆至2 825 m時出現(xiàn)井漏，現(xiàn)場測試應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可實(shí)時診斷鉆井風(fēng)險。

圖3 系統(tǒng)實(shí)時診斷工藝流程

圖4 XG7-H221井井漏風(fēng)險實(shí)時診斷推理結(jié)果

4 結(jié)論

1）鉆井風(fēng)險實(shí)時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，集風(fēng)險監(jiān)測與診斷為一體，具有高度信息化和智能化；在鉆井過程中能有效監(jiān)測、診斷鉆井風(fēng)險，提高鉆井效率，減少鉆井時間，縮短鉆井周期。

2）鉆井風(fēng)險實(shí)時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，在建立準(zhǔn)確的地質(zhì)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測與診斷的作用。

3）國內(nèi)在鉆井風(fēng)險實(shí)時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的研發(fā)方面還處于起步階段，需要充分結(jié)合各方面的鉆井工程技術(shù)，特別是隨鉆測量技術(shù)，才能形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鉆井風(fēng)險實(shí)時監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。

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