基于多參數(shù)控制的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

白麗麗 孫文峰 高金蘭 李宏玉 任 爽

(東北石油大學(xué) a.電氣信息工程學(xué)院；b.石油工程學(xué)院)

基于多參數(shù)控制的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

白麗麗a孫文峰b高金蘭a李宏玉a任 爽a

(東北石油大學(xué) a.電氣信息工程學(xué)院；b.石油工程學(xué)院)

以鉆井液流量、液位和密度為控制參數(shù)，結(jié)合鉆井現(xiàn)場實際工況，研發(fā)基于多參數(shù)控制的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。現(xiàn)場試驗表明：該系統(tǒng)能夠?qū)︺@井現(xiàn)場的各種工況進(jìn)行實時監(jiān)測并對井漏和溢流現(xiàn)象及時預(yù)警。

鉆井事故監(jiān)測預(yù)警 多參數(shù)

油田鉆井施工過程中，一旦發(fā)生鉆井事故，輕則造成巨大的財產(chǎn)損失，重則造成人員傷亡和地層污染[1]。建立完善的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對降低鉆井施工風(fēng)險意義重大。國外研發(fā)鉆井事故監(jiān)控系統(tǒng)的公司包括美國Varco公司、加拿大Datalog公司及英國Rigsery公司等，其事故預(yù)警系統(tǒng)能監(jiān)測200多個鉆井參數(shù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場事故風(fēng)險的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控[2]。但是國外的監(jiān)測系統(tǒng)較龐大、功能復(fù)雜而且價格昂貴，并不適合我國的生產(chǎn)需求。國內(nèi)多家科研院所也對鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)，并取得了一定的成果[3，4]，但是總體上還不成熟，相關(guān)產(chǎn)品的系統(tǒng)功能無法滿足現(xiàn)場實際需求，并沒有廣泛應(yīng)用[5，6]。國內(nèi)一些傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)在建立預(yù)警模型時，認(rèn)為出口流量大于進(jìn)口流量即發(fā)生溢流事故，未考慮實際工況對鉆井液流量的影響，因而預(yù)警的準(zhǔn)確性難以保證。為此，筆者以鉆井液流量、密度和液位參數(shù)為控制對象，開發(fā)了一套可以針對不同地質(zhì)條件和工況狀態(tài)，進(jìn)行綜合分析判斷并發(fā)出報警信號的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)測鉆井液總量、密度和進(jìn)/出口流量變化，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷分析實現(xiàn)高效預(yù)警。鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)(圖1)包括數(shù)據(jù)采集、信號傳輸、數(shù)據(jù)處理和報警4個主要部分。為了提高測量精度和抗壓程度，數(shù)據(jù)采集采用電磁流量計[7]，同時采用非接觸式鉆井液密度儀，以避免數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)男畔⒄`差和介質(zhì)測量元件的腐蝕。信號傳輸采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括監(jiān)控主機(jī)和系統(tǒng)處理軟件，用以監(jiān)控主機(jī)接收采集信號，并與安全基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較從而判斷是否發(fā)出預(yù)警信號。

圖1 鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件部分

基于多參數(shù)控制的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)下位機(jī)需要處理的程序較為簡單、占用空間少，I/O接口數(shù)也較少，因此在微處理器的選型上采用的是ATMEL公司的低檔型芯片89C51。為提高測量精度和儀表抗壓程度，出口處采用電磁流量計。采用自主研發(fā)的鉆井液密度儀，應(yīng)用氣壓平衡原理對介質(zhì)密度進(jìn)行測量，儀表非接觸式的結(jié)構(gòu)特點減小了誤差并延長了設(shè)備的使用壽命。液位測量選用超聲波液位計，其測量準(zhǔn)確性高且穩(wěn)定性好[8,9]。

系統(tǒng)配套傳感器和監(jiān)控設(shè)備的配置見表1。

表1 系統(tǒng)主要監(jiān)控設(shè)備和配套傳感器

硬件選型完畢后，把進(jìn)/出口流量計分別安放在進(jìn)/出口管路上，在每個鉆井液罐上安裝液位計，為了準(zhǔn)確測量出口處鉆井液的密度，需要把密度儀裝在第1個鉆井液罐內(nèi)；由于采用了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，控制設(shè)備可以安置在較遠(yuǎn)的控制室內(nèi)。鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件部分

3.1 系統(tǒng)軟件流程和功能

監(jiān)控軟件是預(yù)警系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)的功能是對進(jìn)/出口流量計、液位計、密度儀采集的流量、液位和密度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理與記錄，并進(jìn)行聲光報警[10]。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件控制界面包括聯(lián)機(jī)界面、監(jiān)測界面、控制界面、打印及查詢等，為操作者提供了方便的人機(jī)接口。軟件界面的數(shù)據(jù)和動態(tài)趨勢曲線相結(jié)合，當(dāng)發(fā)生預(yù)警信號時，及時彈出窗口顯示系統(tǒng)判斷的井況。也可以通過調(diào)整參數(shù)值有效減少誤報和漏報的發(fā)生。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，編制的軟件流程如圖3所示。

圖3 鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)程序流程

3.2 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的核心問題是預(yù)警模型的建立，根據(jù)實際工況確立科學(xué)合理的預(yù)警模型對于系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和判斷井下情況甚至減少錯判漏判的發(fā)生至關(guān)重要[11]。

在鉆進(jìn)或循環(huán)工況下，鉆井液液位保持不變，此時預(yù)警系統(tǒng)以流量Q和鉆井液密度ρ為預(yù)警判定標(biāo)準(zhǔn)：

a. 如果Q出>k1Q進(jìn)，此時，密度ρ降低，考慮為地下液體進(jìn)入鉆井液，預(yù)警系統(tǒng)判斷存在溢流風(fēng)險；

b. 如果Q出=k1Q進(jìn)，預(yù)警系統(tǒng)判斷為正常工作狀態(tài)；

c. 如果Q出

在起/下鉆工況下，流量必然有所變化，預(yù)警系統(tǒng)以液位V為預(yù)警判定標(biāo)準(zhǔn)：

a. 如果ΔV罐>k2ΔV鉆具，考慮為地下流體進(jìn)入鉆井液，預(yù)警系統(tǒng)判斷存在溢流風(fēng)險；

b. 如果ΔV罐=k2ΔV鉆具，預(yù)警系統(tǒng)判斷為正常工作狀態(tài)；

c. 如果ΔV罐

理論上，當(dāng)Q出>Q進(jìn)時可以認(rèn)為發(fā)生溢流；當(dāng)Q出

將一段時間均勻分為n段(t1，t2，…，tn)，鉆進(jìn)過程中，對應(yīng)各時間點的進(jìn)口和出口流量差為：

ΔQi=Q進(jìn),i-Q出,i，i=1,2,…,n

(1)

定義以ti為起始點連續(xù)時間序列上1 000個點的流量和Qi為：

(2)

在正常鉆進(jìn)狀態(tài)下，在以ti為起點的時間段中，以流量參數(shù)建立的數(shù)學(xué)模型判斷井況的依據(jù)見表2。

表2 以流量參數(shù)建立的數(shù)學(xué)模型判斷井況依據(jù)

預(yù)警系統(tǒng)實時檢測數(shù)據(jù)并計算ΔQ出和ΔQ進(jìn)，根據(jù)流量差歷史數(shù)據(jù)計算流量差微分?jǐn)?shù)值，同時結(jié)合流量變化獲取流量差的變化趨勢，結(jié)合液位和密度的差異即可做出綜合判定，從而得到預(yù)警結(jié)論。

鉆井現(xiàn)場工況復(fù)雜，鉆進(jìn)過程操作繁瑣，使得系統(tǒng)實際應(yīng)用情況變得很復(fù)雜。根據(jù)鉆井工藝流程和上述判定模型，將預(yù)警系統(tǒng)工作狀態(tài)劃分為8類(表3)，此8類狀態(tài)涵蓋了鉆井現(xiàn)場的所有工況。

表3 常見的8種工況分類

4 現(xiàn)場試驗

基于多參數(shù)控制的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在大慶油田南254-平335井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對現(xiàn)場模擬的各種工況都能夠及時做出準(zhǔn)確判斷并及時報警。篇幅限制，僅以系統(tǒng)工作狀態(tài)1和狀態(tài)7這兩種典型工況進(jìn)行分析說明。

狀態(tài)1(Q進(jìn)

圖4 系統(tǒng)循環(huán)流量曲線

圖5 正常打鉆流量曲線

狀態(tài)7(Q進(jìn)有流量，Q出為零或很小)為起鉆時的典型狀態(tài)，此時的流量曲線如圖6所示。下鉆過程需要補充鉆井液，而且鉆柱起出過程中必然導(dǎo)致出口流量減少，所以此時進(jìn)口流量大于出口流量屬于正常。但是當(dāng)ΔQ大于3柱鉆桿體積或Q進(jìn)與Q出微分符號相反時，系統(tǒng)立即彈出報警界面，說明存在事故風(fēng)險，系統(tǒng)判定為井漏。人為分析可能由抽吸導(dǎo)致溢流發(fā)生的可能性較大。

圖6 起鉆補泥漿時的流量曲線

5 結(jié)束語

基于鉆井液流量、密度及液位等參數(shù)研制了多參數(shù)控制的鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，以分布時間段的流量差為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，開發(fā)了鉆井事故監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件，能夠?qū)︺@井施工現(xiàn)場的各種復(fù)雜狀態(tài)做出科學(xué)合理的判斷。通過在大慶油田南254-平335井的現(xiàn)場試驗，驗證了預(yù)警系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和事故監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性。

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(Continued from Page 623)

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity; 2.PlanningandDesignInstituteofNo.2OilProductionPlant,DaqingOilfieldCo.,Ltd.)

AbstractRegarding the nonlinear stochastic time-delay system with mixed noises, the design of robustL1controller was studied. By adopting the integral inequality method, a delay-dependentL1criterion was constructed to derive sufficient conditions that guaranteeing the considered systems to be mean-square asymptotically bounded, and furthermore, the robustL1controller was designed to make closed-loop system’s mean-square asymptotic and the output value less than performance indexγof the givenL1. Based on the LMI technique, the robustL1control can be converted into a convex optimization problem and determined by solving a group of linear matrix inequalities. The numerical simulation certifies the effectiveness of this controller designed.

Keywordsstochastic time-delay system, mixed noises, robustL1controller, nonlinearity

DrillingAccidentMonitoringandEarly-warningSystemBasedonMulti-parameterControl

BAI Li-lia, SUN Wen-fengb, GAO Jin-lana, LI Hong-yua, REN Shuanga
( a.CollegeofElectricalEngineeringandInformation; b.CollegeofPetroleumEngineering，NortheastPetroleumUniversity)

Through taking flow, level and density of the drilling fluid as control parameters and having actual working condition of drilling site considered, a multi-parameter-based drilling accident monitoring and early-warning system was developed. The field test shows that, this system can be used for real-time monitoring of various conditions of the drilling site, including timely warning of both well leakage and overflow there.

drilling accident monitoring and warning, multi-parameter

TQ086.3

B

1000-3932(2017)07-0643-05

2017-01-03,

2017-04-01)

東北石油大學(xué)青年基金項目(NEPUQN2014-03)；“十三五”國家科技重大專項(2016ZX05020-002)。

白麗麗(1981-)，講師，從事油氣鉆采自動化技術(shù)的研究，baili.81@163.com。