煤層氣水平井井壁坍塌實時監測與診斷系統

陳路原

（中國石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

煤層氣水平井井壁坍塌實時監測與診斷系統

陳路原

（中國石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

針對目前常用井壁坍塌監測手段是通過井下測量儀器實時采集數據，綜合分析測井資料實現的，提出了一種有效利用地面測量數據實現對煤層氣水平井井壁坍塌實時監測診斷的技術手段，基于支持向量機建立準確有效的診斷模型，并充分發揮了煤層氣現有配套儀器的優勢，在滿足煤層氣低成本開發的基礎上，實現了井壁坍塌實時監測診斷。

煤層氣水平井 井壁坍塌 監測診斷 支持向量機

0 引言

煤層氣欠平衡水平井技術是現今提高煤層氣單井產量的主要技術手段之一。然而，煤巖與常規的油氣儲集巖相比，具有十分特殊的物理力學性質，煤層上多以泥頁巖為蓋層，當進行鉆井施工時，井壁巖石水化膨脹或分散，導致井徑大小的變化，在鉆井完井過程中極易發生井壁坍塌事故，特別是在煤層氣進行多分支水平井時，井壁坍塌事故時有發生［1-3］。為了降低井壁坍塌造成的損失，縮短非生產時間（NPT），就必須要采取具有針對性的監測及預防手段，及時對已發生的井壁坍塌事故進行報警并分析其產生風險的因素。

針對目前常用井壁坍塌監測手段是通過井下測量儀器實時采集數據，綜合分析測井資料實現的，筆者提出了一種有效利用地面測量數據實現對煤層氣水平井井壁坍塌實時監測診斷的技術手段，在深入研究井壁坍塌發生機理、井壁坍塌表征參數及其表征規律基礎上，基于支持向量機建立準確有效的診斷模型，充分發揮現有儀器的優勢，利用綜合錄井技術及配套軟件實時監測診斷井壁坍塌，在鉆井過程中及時對已經發生的井壁坍塌進行報警，分析產生風險的因素，為現場技術人員提供決策依據。這對于減少井下復雜事故的發生、降低儲層損害與鉆井成本、提高勘探與開發速度與效益均具有重要的現實意義［4］。

1 井壁坍塌監測診斷系統技術方案設計

系統整體技術方案設計主要包括：井壁坍塌實時監測診斷模型的建立、數據采集系統的設計與開發，以及井壁坍塌實時監測診斷軟件系統的設計與開發?？傮w技術方案設計如圖1所示。

圖1 總體技術方案設計圖

井壁坍塌實時監測診斷模型主要完成對環空ECD、摩阻／扭矩，以及比能等參數的計算，并基于支持向量機回歸機算法對各參數進行綜合評價分析，從而實現對井下參數的動態監測；在數據采集系統設計與開發部分，為了滿足系統的數據需求，本系統對綜合錄井儀中部分傳感器進行了配套選型，并基于WITS井場數據傳輸規范，設計和開發了配套的采集系統；井壁坍塌實時監測診斷軟件系統

包括數據庫管理模塊、實時監測模塊，以及實時診斷模塊，能夠實現對環空ECD、摩阻／扭矩，以及比能等參數的實時監測和動態分析，對井壁坍塌實時診斷。

2 基于SVM的井壁坍塌診斷模型

1）選取樣本數據作為特征向量，并對特征向量進行歸一化處理，減小由于輸入參數量綱和單位的不同而產生的誤差。

2）將1）中的訓練樣本數據輸入到SVM分類器。利用網格搜索法確定最優懲罰因子C、不敏感損失參數ε，以及核函數中的相應參數。

3）輸入經過處理的測試特征向量到SVM分類器中進行測試。

4）診斷結束后，詳細記錄結果并與實際情況做對比，保存模型。

2.2 診斷模型樣本數據集的構建

通過分析井壁坍塌的表征現象及規律，總結優選出了3個主要表征參數作為特征向量：環空ECD、摩阻扭矩、比能。為了消除各參數不同量綱和單位的影響，對各參數進行線性歸一化處理，將其轉換到［0，1］的值。其線性歸一化變換式為：

式中，xi是初始樣本數據、-yi是歸一化處理后的結果；xmax和xmin分別表示各組樣初始樣本數據中的最大值和最小值。

2.3 核函數的選擇

莊子認為真正打動人的是言語背后的真誠，而不是虛有其表的華麗言辭。“道隱于小成，言隱于榮華”(《天道》)，“真者，精誠之至也。不精不誠，不能動人”(《漁父》)。莊子的“說”飽含人生的智慧，它突破一張大網，解放出鮮活的性靈?！盁o謂有謂，有謂無謂”，沒說等于說了，說了等于沒說。莊子將辯與不辯，言與不言已經齊一了。老莊正言若反，正話反說這一模式，正是對道家口語傳播理念最好的闡釋。

由于井壁坍塌診斷屬于非線性問題，利用徑向基函數擅長解決非線性問題，同時具有較少的超參數和更少的數學問題的優點［5］，因此，采用了徑向基核函數。

2.4 參數選擇

將最優懲罰因子C、不敏感損失參數ε，以及核函數中的相應參數看作是一個規劃問題，利用網格搜索法確定在一定的范圍內對該規劃問題劃分網格，網格線的交點就是一個規劃方案。以固定的步長逐點地計算各個方案的性能指標，交叉驗證，最終優選出最佳的參數組合。

3 煤層氣水平井井壁坍塌實時監測診斷系統

3.1 煤層氣水平井井壁坍塌實時監測診斷系統總體架構

基于WITS數據傳輸機理設計一套與井壁坍塌監測診斷系統相配套的實時數據采集系統，能夠實現對實時數據進行采集、處理及存儲的功能；同時，該系統應具有良好的人機互交功能及數據庫管理功能，具有開放式數據接口，實現與外網連接，為管理人員、專家以及領導提供數據的實時查詢、分析和處理提供了有效依據。煤層氣水平井井壁坍塌監測診斷系統總體框架如圖2所示。

圖2 煤層氣水平井井壁坍塌監測診斷系統總體框架圖

3.2 實時數據采集傳輸系統設計

根據筆者所設計的監測診斷系統的數據傳輸需要，對比現有傳輸模式的優缺點，最終選擇了井場信息傳輸規范（WITS）。筆者分別設計了實時傳輸和實時接收兩大功能模塊。其中，實時傳輸功能模塊主要用于模擬現場綜合錄井儀WITS服務器實時傳輸綜合錄井儀實時采集數據的數據傳輸功能；實時接收功能模塊主要完成WITS0數據接收，對已接收WITS0數據的解碼以及解碼后數據的入庫操作，從而實現基于WITS數據采集系統的數據采集功能。

3.3 井壁坍塌監測診斷系統軟件設計

根據對現場實際需求的分析，煤層氣水平井井壁坍塌實時監測診斷系統軟件設計主要包括了數據采集軟件、數據管理軟件、實時監測軟件、實時診斷軟件。系統的總體架構設計如圖3所示。

圖3 井壁坍塌實時監測系統總體架構設計圖

通過對煤層氣水平井井壁坍塌監測診斷系統工藝流程的分析，確定相應的監測參數，以C#編程語言完成煤層氣水平井井壁坍塌監測診斷軟件系統的開發。該監測診斷系統中實時數據采集軟件系統主要完成綜合錄井儀實時測量數據的采集，進而實現井壁坍塌診斷軟件系統與綜合錄井儀的無縫連接；數據庫管理軟件主要完成井基礎數1據管理，綜合錄井數據管理，風險診斷數據管理等功能；實時監測軟件系統主要負責對綜合錄井數據采集和實時診斷結果的實時更新和顯示；診斷模型建立軟件系統主要完成基于向量機的井壁坍塌診斷模型的建立。實時監測軟件如圖4所示。

圖4 井壁坍塌實時監測診斷軟件界面圖

4 結論

1）根據對煤層氣水平井井壁坍塌發生機理的研究，總結得出井壁坍塌發生的表征現象，優選出主要監測參數，有效地利用地面監測數據對井壁坍塌進行監測診斷。

2）基于支持向量機的井壁坍塌監測診斷系統在處理不均勻性、離散性及樣本數據較少的方面具有獨到的優越性，且其目標是得到現有信息下的最優解，診斷模型建立過程中通過選擇不同的核函數、懲罰參數、核參數等能夠有效保證診斷結果的準確性。

3）完成了基于WITS傳輸結構的數據采集系統的設計與開發，實現了數據的實時采集，為井壁坍塌監測診斷系統提供數據支持。

4）設計并開發了一套適用于煤層氣水平井的井壁坍塌監測診斷系統，該系統具有現場綜合錄井數據采集、數據管理、實時監測、實時診斷、實時報警等功能。該系統運行穩定，具有較好的實用性和應用前景。

［1］倪小明，蘇現波，張小東，等.煤層氣開發地質學［M］.北京：化學工業出版社，2010.

［2］石麗娜，杜慶軍，同登科.煤層氣竄流—擴散過程及其對開發效果的影響［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2011，33（3）：137-140.

［3］郭大立，貢玉軍，李曙光，等.煤層氣排采工藝技術研究和展望［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2012，34（2）：91-98.

［4］連志龍，周英操，申瑞臣，等.無意外風險鉆井（NDS）技術探討［J］.石油鉆采工藝，2008（6）：90-94.

［5］劉衛華.基于FA-SVM模型的企業技術創新能力成熟度評價研究［D］.鄭州：鄭州大學，2013.

（編輯：李臻）

B

2095-1132（2014）05-0028-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.05.008

修訂回稿日期：2014－08－13

陳路原（1962－），高級工程師，從事油氣田開發工作。E-mail：secondbo@126.com。