王潛龍，謝鵬飛，李睿

（西安石油大學(xué)，陜西西安710065）

基于云計(jì)算的水力噴砂壓裂噴嘴研制方法探索

王潛龍，謝鵬飛，李睿

（西安石油大學(xué)，陜西西安710065）

水力噴砂壓裂是定向射孔、壓裂聯(lián)作的一種復(fù)合技術(shù)，它具有：效率高、適用范圍寬、低成本的優(yōu)點(diǎn)。其中噴砂噴嘴是噴射的關(guān)鍵部件，它承受著支撐劑的高速?zèng)_刷，需要具有超高硬度、高耐磨性特性，工藝復(fù)雜、制造難度大。本文利用人工智能啟發(fā)式搜索技術(shù)對(duì)噴嘴研制影響因素進(jìn)行搜索與解析，建立了噴嘴研制影響因素模型，并通過(guò)知識(shí)判斷策略及推理機(jī)制優(yōu)選出噴嘴結(jié)構(gòu)、材料組分、燒結(jié)工藝等影響噴嘴配方及工藝參數(shù)，最終提出用于水力噴砂壓裂的噴嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)井下實(shí)驗(yàn)證明在過(guò)砂量大的情況下，研制的噴嘴耐磨性能夠達(dá)到要求。本文探索出了云計(jì)算下的多源新型專家系統(tǒng)，為復(fù)雜問(wèn)題的求解提供了一種高效可靠的方法。

水力噴砂壓裂；噴嘴；人工智能；云計(jì)算；專家系統(tǒng)

水力噴砂壓裂是集水力噴砂射孔和水力壓裂于一體的一種新型增產(chǎn)改造技術(shù)，具有施工效率高，成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。噴嘴作為水力噴砂壓裂技術(shù)所使用的關(guān)鍵部件，需經(jīng)受流速高達(dá)150 m/s～200 m/s的石英砂和陶粒沖蝕，噴嘴對(duì)耐磨、抗沖擊性能要求非常高［1］，然而噴嘴材料的影響因素眾多，需要廣泛與深度的知識(shí)背景，制造十分復(fù)雜，難度大。本文采取云計(jì)算多源信息融合技術(shù)，探索分布式人工智能的方法求解噴砂噴嘴研制難題。

1　噴嘴研制的專家系統(tǒng)

水力噴砂壓裂用碳化鎢噴嘴的研發(fā)需要考慮的材料因素非常之多，并且各因素又互相影響。因此，考慮到影響因素諸多，本文利用專家系統(tǒng)方法進(jìn)行噴嘴復(fù)雜影響因素分析［2-3］。

水力噴砂噴嘴設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括5部分（見(jiàn)圖1）：

（1）知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)是一個(gè)專業(yè)知識(shí)存儲(chǔ)器，它存放以一定形式表示專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及書(shū)本知識(shí)和常識(shí)，以備系統(tǒng)推理判斷之用。

（2）動(dòng)態(tài)庫(kù)，它用于存儲(chǔ)噴嘴初始數(shù)據(jù)和推理過(guò)程中得到的各種中間信息，也就是存放用戶回答的事實(shí)，已知的事實(shí)和由推理而得到的事實(shí)。

（3）推理機(jī)，它是一組程序，用來(lái)控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

（4）解釋部分，它的主要功能是解釋系統(tǒng)本身的推理結(jié)果，回答用戶的問(wèn)題。

（5）知識(shí)獲取部分，知識(shí)獲取部分也稱為學(xué)習(xí)功能，它為修改知識(shí)庫(kù)中原有的知識(shí)和擴(kuò)充知識(shí)提供手段。

圖1　新型專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of a new type of expert system

噴嘴協(xié)同式專家系統(tǒng)工具開(kāi)發(fā)的過(guò)程（見(jiàn)圖2）。噴嘴設(shè)計(jì)的主系統(tǒng)是一個(gè)協(xié)同式專家系統(tǒng)［4］，它的各個(gè)子專家系統(tǒng)都是一個(gè)分布式的專家系統(tǒng)。當(dāng)用戶向多專家系統(tǒng)提出問(wèn)題后，由主協(xié)同專家系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器，將原問(wèn)題進(jìn)行“同構(gòu)”或“同態(tài)”變換，然后把“同構(gòu)”或“同態(tài)”問(wèn)題輸出給相應(yīng)領(lǐng)域的分布式專家系統(tǒng)。接著，該分布式專家系統(tǒng)的主專家系統(tǒng)的分解器把來(lái)自上一層專家系統(tǒng)的問(wèn)題分解，然后分配給各個(gè)子專家系統(tǒng)進(jìn)行并行處理。再由分布式主專家系統(tǒng)的綜合器對(duì)局部解進(jìn)行綜合，再提交到上一層。最后，由協(xié)同式噴嘴設(shè)計(jì)主專家系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器把各領(lǐng)域的局部解進(jìn)行協(xié)調(diào)處理，得出噴嘴系統(tǒng)的全局解。

圖2　協(xié)同式專家系統(tǒng)Fig.2 The cooperative expert system

具體求解為用戶通過(guò)噴嘴設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)首先向控制系統(tǒng)求助，然后由控制系統(tǒng)進(jìn)行某些檢查和轉(zhuǎn)換，再將該任務(wù)委托給噴嘴結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)，噴嘴材料專家系統(tǒng)。待該專家系統(tǒng)求解完畢，把結(jié)果送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換和結(jié)果綜合，把結(jié)果送還給申請(qǐng)求助的用戶（見(jiàn)圖2）。

2　多源信息庫(kù)的建立

噴嘴云計(jì)算環(huán)境下聚集了各種信息資源，并且該信息資源規(guī)模都很大，把這些分布在不同空間、不同地理位置的數(shù)據(jù)資源、物理資源、模型資源、知識(shí)資源以及計(jì)算資源等統(tǒng)一在一起，就形成了噴嘴設(shè)計(jì)的多源信息資源［5］。

噴嘴設(shè)計(jì)采用多源信息資源挖掘技術(shù)，在明確服務(wù)目標(biāo)的基礎(chǔ)上深度分析用戶需求，遵循用戶個(gè)性化服務(wù)定制原則，通過(guò)數(shù)據(jù)中心內(nèi)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)或跨云平臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用技術(shù)等，提取用戶興趣點(diǎn)并擴(kuò)展用戶隱性需求，以準(zhǔn)確搜索到預(yù)定資源。從信息檢索服務(wù)出發(fā)，借助搜索引擎服務(wù)模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)技術(shù)、本體和語(yǔ)義匹配技術(shù)來(lái)構(gòu)建基于用戶搜索意圖的多源信息資源模型（見(jiàn)圖4）。

圖3　云計(jì)算環(huán)境下多源信息資源Fig.3 Multi-source information resources in cloud computing environment

圖4　多源信息查詢方法Fig.4 The method of querying Multi-source information

建立噴嘴影響因素分析框架模型（見(jiàn)圖5）。

圖5　噴嘴影響因素Fig.5 The factors of influencing nozzle

下面列出了部分影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果：

材料：碳化鎢硬質(zhì)合金噴嘴；噴嘴形狀：等變速型；硬質(zhì)相：碳化鎢；晶?？刂铺砑游铮何⒘吭靥砑游?；燒結(jié)工藝：低壓熱等靜壓燒結(jié)；粘接相：鈷；燒結(jié)氣氛：甲烷+氫氣；壓帽與噴嘴連接方式：粘接或者焊接。

3　井下試驗(yàn)

新研制的噴嘴密度為15.58 g/cm3，洛氏硬度HRA能夠達(dá)到97，WC晶粒≤0.3 μm，鈷含量＜0.5%，斷裂韌性KIC＞6 MPa·m-1/2；在x井進(jìn)行水平段壓裂實(shí)驗(yàn)，過(guò)砂量150 m3，射孔破裂壓力46 MPa，排量2 m3/min。

表1　施工后國(guó)內(nèi)、外噴嘴磨損對(duì)比Tab.1 The comparison of domestic and foreign nozzle wear after the construction

試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的碳化鎢新型合金噴砂壓裂噴嘴耐磨性能達(dá)標(biāo)，且耐磨性能超過(guò)國(guó)外噴嘴。

4　結(jié)論

（1）通過(guò)采用多源信息資源挖掘技術(shù)，在明確服務(wù)目標(biāo)的基礎(chǔ)上深度分析用戶需求，遵循用戶個(gè)性化服務(wù)原則，從信息檢索服務(wù)出發(fā)，借助搜索引擎服務(wù)模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)技術(shù)、本體和語(yǔ)義匹配技術(shù)、跨云平臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用等技術(shù)來(lái)提取用戶興趣點(diǎn)并擴(kuò)展用戶隱性需求，構(gòu)建了多源協(xié)同式專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模型。

（2）結(jié)合噴嘴的研發(fā)證實(shí)了模型的可行性，形成了新型噴嘴材料的配方及加工工藝。

（3）通過(guò)井下試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析得出，在砂量過(guò)大的情況下研制的噴嘴的耐磨性能夠達(dá)到要求，超過(guò)國(guó)外進(jìn)口噴嘴的耐磨性能，并探索出了利用人工智能開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的新模式。

［1］馬新仿，張士誠(chéng)．水力壓裂技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］．河南油田，2002，16（1）：3-7.

［2］李智，胥云，等．水力噴砂壓裂工具噴嘴磨損分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（11）：25-28.

［3］王厚尚，趙東風(fēng)，等．基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的HAZOP專家系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（4）：82-86.

［4］陳建業(yè)，羅鳳鳴，徐向榮．基于分布式和協(xié)同式的多專家系統(tǒng)［J］．電腦知識(shí)與技術(shù)，2008，（14）：922-925.

［5］王笑宇，程良倫．云計(jì)算下的多源信息資源云體系及云服務(wù)模型研究［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014，31（3）：784-788.

Exploration of hydrajet fracturing nozzle design and manufacture method based on cloud computing

WANG Qianlong，XIE Pengfei，LI Rui
（Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Hydrajet fracturing is a composite technique combining directional perforation and fracturing，and it has advantages，high efficiency，wide application and low cost.The sand jet nozzle is the key component，suffering high speed proppant scouring，need to have characters of ultrahigh hardness and high wear resistance，and is complex in process and difficult in manufacture.This article uses artificial intelligence heuristic search technique to search and analysis the influence factors of nozzle design and manufacture，established the model of influencing factors，by the means of knowledge judgment strategy and reasoning mechanism，optimized selected the nozzle influencing formula and process parameters as nozzle structure，material composition，sintering process，etc.，and finally put forward the optimal design scheme of nozzle for hydrajet fracturing.The downhole experiments proved that，in the case of large sand amount，the wear resistance of the spray nozzle designed can meet the requirements. This article explored a new multi-source expert system based on cloud computing，and provides an efficient and reliable method to solve complex problems.

hydrajet fracturing；nozzle；artificial intelligence；cloud computing；expert system

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.04.005

TE934.2

A

1673-5285（2015）04-0018-03

2015－02-09

陜西省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2014K08-27。

王潛龍，男（1973-），博士，副教授，主要從事石油工程與相關(guān)材料領(lǐng)域研究工作，郵箱：kazeem@sohu.com。