壓裂施工遠程監測與預警系統設計

Design of the Remote Monitoring and Early Warning System for Fracturing Construction

梁海波　方博濤　鄧　臻

(西南石油大學機電工程學院，四川 成都　610500)

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壓裂施工遠程監測與預警系統設計

Design of the Remote Monitoring and Early Warning System for Fracturing Construction

梁海波方博濤鄧臻

(西南石油大學機電工程學院，四川 成都610500)

摘要：壓裂施工需要壓裂專家現場指導，但隨著壓裂井數的不斷增加，且壓裂多在野外施工，條件惡劣，很難對突發事件進行專家會診。根據這種情況，建立了一套壓裂施工遠程監測與預警系統，可以實時監測現場壓裂施工狀況。同時，通過對壓裂施工過程中“加砂”曲線的分析研究，建立了壓裂預警模型，可以實時對可能遇到的風險進行預警，提高壓裂施工的成功率。經過在華北油田的現場測試表明系統擁有良好的應用和推廣價值。

關鍵詞：油氣田油井勘探開發安全預警監測壓力控制自動化

Abstract：Fracturing construction request on-site guidance of experts,while with the increasing of number of fracturing wells,and harsh field construction conditions,expert consultation is difficult to be implemented for unexpected events.In accordance with such situation,the remote monitoring and early warning system for fracturing construction has been established for monitoring on-site constructing status in real time.In addition,through analyzing and researching the curve of filling sand in fracturing construction,the fracturing early warning model is established for releasing early warning in real time for the possible risks to enhance the success rate of construction.The field test in North China oil field demonstrates excellent applicable and promoting values of the system.

Keywords：Oil and gas fieldOil wellExploration and developmentSafety pre-warningDetectionPressureControlAutomation

0引言

壓裂施工能夠在儲層中形成一條具有較高導流能力的裂縫，從而降低油、氣井的滲流阻力，提高油氣田的產量，其已成為油氣田勘探和開發不可缺少的一項重要技術手段[1]。壓裂的效果主要取決于壓裂工藝，通過實時監測壓裂施工中的主要參數，在監測參數發生變化時采取相應的措施，有助于提高壓裂的效果。在目前國內壓裂施工作業中，對壓裂施工情況僅靠施工人員和技術專家依據監測參數和施工經驗進行人工判斷預警。這種預警方式預警不及時，準確率低，預警效果不理想；而且一旦預警不及時或預警失敗，很有可能提高施工風險，造成井筒發生砂埋、砂卡、高壓憋斷施工管柱等事故。本文在研究了多條“加砂”曲線的基礎上，建立了井底靜壓力-時間雙對數曲線結合油壓-時間、套壓-時間雙對數曲線的預警模型，對可能遇到的危險進行預警。

1壓裂預警模型設計

在壓裂施工過程中，可能出現砂堵、壓竄等危險工況，通過對“加砂”曲線和加砂過程中的壓力進行分析，建立了壓裂預警模型。

1.1基本原理

1.1.1“加砂”曲線分析

在“加砂”過程中，壓裂井底凈壓力P和時間t的雙對數曲線主要有五種類型，如圖1所示[2]。

圖1　P-t雙對數曲線

(1) 線段Ⅰ是正常的壓裂曲線，表示裂縫在高度方向上延伸受阻；沿水平方向，可能是地層滲透性差、層薄等因素造成。

(2) 線段Ⅱ曲線斜率為0，對應壓力為地層壓力容量，表示縫高穩定增長到應力遮擋層，或是地層內天然微裂隙張開使濾失量與注入量持平，說明裂縫的延伸速度將下降，隨后有可能發生砂堵。

(3) 線段Ⅲ壓力與時間成正比，也就是壓力的增量比例于注入液體體積的增量，說明裂縫端部受阻，縫內壓力急劇上升；其斜率大于1，則表示裂縫內發生了堵塞。

(4) 線段Ⅳ表示裂縫穿過了低應力層，縫高發生不穩定增長，直到遇到高應力層或加入支撐劑之后才變緩，或者是溝通了天然裂縫，濾失量大大增加。

(5) 線段Ⅴ壓力曲線上下波動，表示裂縫也在不斷延伸。同一地層的嚴重非勻質性是造成這類曲線的主要原因[3]。

1.1.2井底凈壓力求解和曲線的擬合

井底凈壓力是指裂縫內流體流動和巖石閉合壓力之差，目前用井底壓力和閉合壓力之差來表示。因此，要確定井底凈壓力，必須先得到井底壓力和裂縫閉合壓力。井底壓力可以由井下儀器精確測量，但由于目前壓裂施工條件的限制，很少有壓裂井直接下入井下儀器測量井底壓力，因此只有通過計算得到，井底凈壓力計算公式為[4]：

PN=PW+PH-PF-PM-PC

(1)

式中：PN為井底凈壓力，MPa；PW為地面井口壓力，MPa；PH為井筒靜液柱壓力，MPa；PF為管柱沿程摩阻損失，MPa；PM為孔眼摩阻損失，MPa；PC為裂縫閉合壓力，MPa。

其中，地面井口壓力可通過測量得到，井筒靜液柱壓力、管柱沿程摩阻損失、孔眼摩阻損失和裂縫閉合壓力可以由計算得到，壓裂裂縫閉合壓力也可通過現場降壓實驗分析得出。

在求出井底靜壓力之后，就可以對壓力數據進行擬合。井底凈壓力與時間關系為[5]：

PN(t)∝te

(2)

式中：t為時間，s；e為壓力-時間雙對數曲線的斜率計算值。兩邊取對數之后為線性關系，因此采用一元回歸分析來擬合直線。

本文通過對一段壓力-時間數據采取一元線性回歸分析，擬合出一條線性直線段來代表此段壓力曲線，并使用擬合的線性直線段的斜率來表示此段壓力曲線的斜率。由于將所有壓力數據采用一段線性直線進行擬合會存在較大誤差，因此，為提高擬合精確度，在采用一元線性回歸分析進行線性擬合前，對壓力數據進行分段很有必要。

在對壓力數據進行分類時，采取在同一段數據內每兩兩相鄰數據點斜率大小相近的原則。本文采用數據挖掘的方法進行同類數據的聚類[6]，滿足以上要求。在采集到新的壓力點時，先用聚類算法分析新加入的壓力點是否屬于已有的壓力段，如屬于則進行擬合，否則結合前一點壓力點建立新的壓力段。即此時的壓力-時間雙對數曲線斜率突變，這種新產生的數據段，很有可能是斜率突變點，也是監測的重點。

1.2預警模型的建立

結合上述原理，建立了一套井底靜壓力-時間雙對數曲線結合油壓套壓-時間雙對數曲線預警模型。通過計算得到井底壓力和閉合壓力，求出井底凈壓力，求出井底靜壓力-時間雙對數曲線斜率，判斷其斜率屬于上述五種類型中的哪一種。由于在發生壓裂施工危險時總會伴隨著油壓套壓的變化，因此采取了井底靜壓力-時間雙對數曲線斜率結合油壓套壓-時間雙對數曲線斜率進行預警。油壓-時間雙對數曲線預警模型如圖2所示。套壓-時間雙對數預警模型與此模型相同。

圖2　油壓預警模型

圖2中，Pc表示油壓;k1表示油壓-時間雙對數曲線的斜率；k2表示井底靜壓力-時間雙對數曲線的斜率。

通過支撐劑濃度是否大于0來判斷是否加砂，如果正在進行加砂，當油壓-時間雙對數斜率或套壓-時間雙對數斜率大于等于1時，說明此時“加砂”曲線處于第Ⅲ階段，此時如果井底凈壓力-時間雙對數曲線斜率也大于等于1，表明發生了砂堵，此時應控制排量和砂比來降低油壓套壓。當油壓-時間雙對數斜率或套壓-時間雙對數斜率小于等于-1時，說明此時“加砂”曲線處于第Ⅳ階段，此時如果井底凈壓力-時間雙對數曲線斜率也小于等于-1，表明發生了壓竄，此時應注意壓力變化，防止出現砂堵和井噴，必要時暫停施工。

2軟件設計

基于上述預警模型結合壓裂實時監測、壓裂多源信息采集和遠程傳輸，建立了壓裂施工遠程監測與預警系統。系統邏輯架構圖如圖3所示，主要分為壓裂實時輔助決策層、數據通信層、服務層、數據庫管理層[7]。

圖3　系統總體邏輯架構圖

壓裂實時輔助決策層主要實現對壓裂現場施工數據的實時監測、分析計算進行預警和對壓裂數據的動態回放等功能，用于向壓裂施工人員和基地技術專家提供施工過程中的各項信息，幫助其實時獲取壓裂施工的進展情況，為下一步將要進行的施工步驟起到輔助決策的作用[8]。歷史數據動態回放模塊實現對選定的某口井的歷史數據回放，重現施工過程中的壓裂數據走向。壓裂預警模塊采用上述預警模型對可能出現的危險進行預警，提高壓裂的成功率。

數據通信層主要負責整個系統數據的發送、接收和暫存，規范數據流，防止發生混亂。它包括壓裂數據實時采集、遠程傳輸和多源數據調閱。數據實時采集由安裝了壓裂施工遠程監測與預警系統軟件井場端的現場工控機將壓裂儀表車上采集到的施工數據實時讀取進來，并將數據暫存在內存中的公共數據區。遠程傳輸則是將暫存在公共數據區的實時數據通過無線網絡傳回到基地服務器。本文采用3G無線網絡進行數據遠程傳輸，系統拓撲圖如圖4所示，多源數據調閱模塊調用服務器的多源數據調閱服務，從服務器數據庫獲取當前壓裂施工井的輔助施工信息。

圖4　系統拓撲圖

服務層是整個壓裂施工遠程監測與預警系統的基石，處于整個系統架構的最底層，可以直接訪問數據庫進行讀寫操作，是系統數據流的中轉站。壓裂遠程實時傳輸服務主要為井場端的壓裂數據實時傳輸到基地端提供發送和接收服務，是數據通信流的中轉站；多源數據調閱服務分為多源數據的上傳和下載，主要實現存儲于網絡數據庫的多源數據的下載調閱和計算應用分析。數據庫管理服務主要為各種數據的上傳、下載和調閱查看提供服務。

數據庫管理層不直接訪問數據庫，它的所有操作通過調用服務層的數據庫管理服務實現;而服務層直接與數據庫進行井型交互，這樣數據就不再分散地存儲在井場端工控機上或基地端客戶機上，而是全部統一地存儲在基地服務器，從而實現對數據的集中管理。基地端客戶機和井場端工控機就可以通過數據庫對數據進行各自的管理操作，實現對數據的分布式操作。公共數據管理主要對用戶管理數據、在線工程數據和工程索引數據進行管理；壓裂施工數據管理主要對壓裂液諸如涉及數據、施工圖進行管理；施工總結報告主要實現對選定壓裂施工工程自動生成施工總結報告，并對其進行管理。

系統基于微軟公司的Visual Studio 2010，采用新一代的編程語言C#進行開發。由于壓裂施工監測及預警系統分為井場客戶端軟件、服務器端軟件和基地端軟件，是一種客戶端與服務器的交互模式，因此采用面向服務架構(service-oriented architecture,SOA)。在.NET框架下實現SOA最好的方式是通信開發平臺(windows communication foundation，WCF)[9]，WCF能很好地進行網絡和計算機的網絡通信，確保數據傳輸的流暢性和安全性，在繪制曲線方面采用了圖形設備接口(graphics device interface，GDI)技術[10]。數據庫采用SQL Server2008對數據進行存儲，SQL Server2008具有高效性、智能性和可信任性。通過數據庫存儲，便于對壓裂數據進行調閱和分析。系統開發成功后，對系統進行了現場測試應用。

3現場應用

在華北油田壓裂現場，對系統進行了測試應用，壓裂數據顯示實時準確，實時數據遠程傳輸延時在2 s以內，數據完全準確，可以滿足基地端專家對現場數據的實時分析要求。預警系統判斷準確，在雁63-213x井壓裂過程中，當進行到146 min時發生警報，此時正處于“加砂”曲線的第Ⅲ階段，油壓-時間曲線斜率持續大于1且油壓也不斷升高，達到75 MPa，壓裂專家通過遠程指揮現場施工人員采取降低排量、減小支撐劑濃度，使壓力逐漸趨于正常，最終施工順利完成。

4結束語

在分析了“加砂”曲線和加砂過程中的壓力后，建立壓裂預警模型，對可能出現的危險工況進行預警，保證壓裂施工順利的進行。

為實現壓裂施工信息多源采集、實時傳輸、遠程監測和壓裂預警的總體目標，調研壓裂施工現場信息通信現狀，設計出一套適用于目前國內壓裂施工情況的壓裂施工遠程監測與預警的總體方案。

基于微軟Visual Studio 2010軟件開發工具，采用C#語言進行編程，依據壓力-時間雙對數曲線斜率異常情況預警理論，結合已構建的數據庫，開發壓裂施工遠程監測與預警系統軟件，并進行現場應用測試，確保該系統的穩定性與可靠性。

參考文獻

[1] 胡博仲,蘭中孝.大慶油田水力壓裂工程[M].北京：石油工業出版社，2008：344-373.

[2] 常會江,孫璐,段曉杰.壓裂現場施工曲線實時診斷技術研究[J].內江科技,2013(5):27-28.

[3] 肖中海，劉巨生，陳義國.壓裂施工曲線特征分析及應用[J].石油地質與工程，2008(9)：99-102.

[4] 劉合,張廣明,張勁,等.油井水力壓裂摩阻計算和井口壓力預測[J]. 巖石力學與工程學報,2010(S1):2833-2839.

[5] 李穎川.采油工程[M].北京:石油工業出版社,2009:201-256.

[6] Smiti A, Elouedi Z.An improved clustering method based on Gaussian means and DBSCAN techniques[C]//Intelligent Engineering Systems(INES),2012 IEEE 16th,2012：573-578.

[7] 邱峰，徐占東，向利群,等.壓裂酸化施工遠程指揮決策系統設計方案研究[J].中國石油化工,2011(10):62-63.

[8] 王富春.大型壓裂遠程實時監控系統實現及應用[J].自動化技術與應用，2012(9):44-46.

[9] 楊延俊.基于WCF的分布式數據庫服務系統的架構研究與實現[D].北京：北京郵電大學,2011.

[10]閆志強，熊金華.壓裂遠程監測及決策支持系統研究與開發[J].石油科技論壇，2013(2):20-23.

中圖分類號：TP274+.2;TH89

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602014

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2011ZX05013-003)。

修改稿收到日期：2014-12-10。

第一作者梁海波(1978-),男，2008年畢業于西南石油大學油氣田開發專業,獲博士學位，講師；主要從事油氣井工程方面的研究。