連續油管專家系統設計及應用

梅舜豪

(江漢石油工程公司 信息化管理中心,湖北 武漢 430010)

因施工成本低且效率高,連續油管在鉆井、測井、射孔、修井、增產等多場景下[1],使用頻率逐年升高。近年來,隨著非常規資源的深入開發和連續油管作業類型的不斷擴充,連續油管現場施工難度的增加,因技術人員違規操作或未能及時發現并處理異常工況,導致事態惡化的問題在作業現場時有發生;因不確定每次起出和下入作業變形積累的連續油管疲勞狀態,現場連續油管的使用率往往偏低或因過度使用失效。利用信息化手段獲取連續油管工程數據,通過分析該數據實現動態跟蹤管理,并對各類異常情況進行提示,不僅能避免施工過程中可能出現的人員傷亡和財產損失[2],還能為連續油管生產決策提供科學依據,進一步提升連續油管作業的競爭力。

目前,中國連續油管工程分析軟件長期依賴進口[3],常用進口軟件存在引進、升級費用高,僅支持數據上傳至自有平臺,有用戶限制和數據封鎖等一系列問題,嚴重制約了國內連續油管工程的發展。針對上述問題,基于“數據+平臺+應用”模式開發了連續油管專家系統。該系統能監控連續油管施工實時數據,匯聚并融通地質、鉆井跨專業數據作為分析支撐,以數據挖掘技術為判斷手段,完成工況預警診斷和管材壽命計算,并以多種形式于多層級進行展示。

1 連續油管專家系統架構

連續油管專家系統架構如圖1所示。各連續油管隊伍在現場作業時打開數據采集軟件上傳實時數據,項目部資料員通過資料錄入端同步主體設備、井控設備、井基礎信息、分段數據、前期井況、井工作量概況、入井工具、復雜情況等靜態資料。以上兩類資料上傳至基地數據中心經處理后,以實時曲線圖、實時儀表圖等監控圖形式在工程一體化平臺展示,相關生產和預警信息將根據權限被推送至公司生產指揮平臺、各項目部和連續油管作業隊伍。

圖1 連續油管專家系統架構示意

1.1 平臺關鍵技術

集成了包括連續油管專家系統等多個公司業務系統的工程一體化平臺,通過接入網關將多專業工程數據安全地分類匯集存儲,并進行統一管理,規范不同角色用戶訪問權限,提供各類系統的可視化操作環境[4]。

該平臺應用了H5前端可視化技術,可適配多終端訪問,具有兼容性好、負載均衡,支持高并發、啟動時間短等特性。為用戶訪問提供便利,還具備使用虛擬化資源池補充機架式服務器節點,以支撐該系統基于秒級的實時數據分析、決策功能。

1.2 工程數據集

工程數據集主要有存儲源頭數據的數據庫和根據系統功能需求搭建的知識庫。

數據庫基于TCP/IP,UDP的Socket接口,按照WITS/WITSML標準,收集兩類井場源頭數據,各類源頭數據匯總見表1所列。表1中收集的源頭數據主要包括兩類: 一類是通過設置采集通道,由部署在井場傳感器直接采集的動態數據;另一類是井史資料等人工錄入的靜態數據,每日由項目部和技術人員及時根據質量檢測結果校正錄入數據。同一口井的部分靜態數據承接自開發前期的地質勘探、鉆井、酸化壓裂等工程錄入,保持了數據源頭一致,不必重復填寫。使用遠程傳輸系統通過4G網絡、光纖、衛星等傳輸數據,保存至基地數據庫,支持斷點續傳、自動恢復等功能[5]。所有數據均存儲在服務器上且定期異地備份,最大程度上避免數據丟失。管理員備份數據時僅可通過堡壘機操作備份一體機,確保數據安全。

表1 各類源頭數據匯總

知識庫主要包含: 概念庫、規則庫、模型庫、實例庫和措施庫,還包含連續油管領域基礎、標準化的理論、屬性、工藝、規則、經驗等內容,是形成預警機制的核心內容。

2 連續油管專家系統功能

2.1 工程預警

施工前結合多專業測試資料以及施工記錄等靜態數據,提示連續油管作業中可能出現故障的具體位置與風險類型;根據連續油管操作規程及相關作業標準,編寫工程預警底層邏輯,見表2所列。施工中將異常懸重、泵壓波動、排量異常等指標與實時采集的施工參數進行對比,監測施工參數定值是否超限并發出工程預警,提示技術人員或專家處理,收到預警后人工判斷提示是否正確,如人工判斷確實為存在風險則迅速處理,調節參數回歸正常范圍,否則取消警報,繼續作業。連續油管工程預警流程如圖2所示。

圖2 連續油管工程預警流程示意

預警后的信息支持在線日志查看追溯,將長期實踐中的異常處理經驗分類儲存至知識庫,通過該專家系統正向干預使報錯率持續降低。

2.2 壽命預警

連續油管多次起出或下入井內作業易產生變形失效。連續油管壽命預警模塊根據連續油管外徑、壁厚、材料類型等基本參數,考慮其疲勞損傷、直徑增長、壁厚減薄、應力、應變和反向應力等,利用疲勞壽命累積評估和極限承載能力評估相結合的方法,在線獲取油管現場連續作業數據,計算更新累計疲勞結果。診斷所選管材當前的使用狀態,輔助專業人員及時了解與預防連續油管提前失效,滿足連續油管在壽命富余情況下安全作業的需求[6]。連續油管壽命預警模塊底層邏輯見表3所列。

2.3 數據展示

2.3.1基礎數據展示

基礎數據展示內容包括: 結合地質、鉆井數據模擬連續油管施工動態圖,在圖上直觀展示井身結構、井眼軌跡、鉆頭位置、工具位置等信息;在同一展示界面多分屏同時查看多井實時數據;在用戶操作界面可查看每支連續油管隊伍實時數據上傳最新時間和每日傳輸隊伍;在用戶操作界面可查看連續油管結構化、非結構化資料,實際上傳、還未上傳項等詳細情況。以上功能的協同可加強現場與操作中心的聯動,縮短現場獲取公司專家遠程技術支持的時間。

2.3.2工程預警結果展示

工程預警結果展示內容包括: 查看歷史預報的異常記錄詳細信息;根據異常分類統計各預報記錄數;點擊任一異常記錄定位顯示異常曲線段;點擊異常記錄后的異常預報單按鈕,生成描述異常記錄的基本信息與施工曲線。工程預警結果展示實現了對作業中異常情況的展示,輔助專業人員及時了解與解決故障。

2.3.3壽命預警結果展示

壽命預警結果展示內容包括: 可輸出單次疲勞壽命計算值以及與連續油管直徑、壁厚、內壓等相關的關系曲線;考慮疲勞損傷影響下的連續油管沿管長累積失效損失分布曲線,并給出最大累積壽命位置;根據疲勞警戒線和報廢警戒線設定值做相應預警;根據極限承載模塊判斷連續油管極限的承載能力,連續油管受力若超出曲線范圍則會發生損毀。

3 結束語

目前,石油工程領域多系統數據融合、數據深度應用內容較少[7],連續油管專家系統通過挖掘相關關鍵生產要素信息進行動態跟蹤管理并提示各類預警信息,指導現場合理使用連續油管。經現場應用表明,該系統能有效提高連續油管作業裝備使用效率,降低裝備現場應用的風險,提升連續油管作業精細化管理水平。