钻井实时监控与技术决策系统研发进展

钻井实时监控与技术决策系统是及时分析钻井施工状况、预防和减少井下事故与复杂发生、保障钻井安全的工具,具有邻井数据管理、钻井实时数据显示、钻井风险因素分析和钻井风险推理等功能。文章提出了钻井实时监控与技术决策系统的总体功能和物理架构,介绍了构成该系统的远程数据无线传输子系统、数据管理子系统、钻井风险因素分析子系统和钻井复杂事故诊断与处理子系统4个主要子系统,探讨了井下风险预测技术、风险识别技术和风险评价技术等关键技术。中国石油集团钻井工程技术研究院开发了井漏风险和地层流体侵入风险综合评价预测软件并在井上进行了应用,结果表明,该系统在预测井下事故与复杂情况方面是有效的,为进一步完善开发钻井实时监控与技术决策系统奠定了基础。     

钻井实时监控与技术决策系统研发进展

钻井实时监控与技术决策系统是及时分析钻井施工状况、预防和减少井下事故与复杂发生、保障钻井安全的工具．具有邻井数据管理、钻井实时数据显示、钻井风险因素分析和钻井风险推理等功能。文章提出了钻井实时监控与技术决策系统的总体功能和物理架构,介绍了构成该系统的远程数据无线传输子系统、数据管理子系统、钻井风险因素分析子系统和钻井复杂事故诊断与处理子系统4个主要子系统,探计了井下风险预测技术、风险识别技术和风险评价技术等关键技术、中国石油集团钻井工程技术研究院开发了井漏风险和地层流体侵入风险综合评价预测软件并在井上进行了应用,结果表明,该系统在预测井下事故与复杂情况方面是有效的,为进一步完善开发钻井实时监控与技术决策系统奠定了基础。     

基于BP神经网络的气体钻井复杂工况预警技术研究与应用

文章从分析气体钻井常见9种复杂工况的参数响应关系入手,建立了基于BP神经网络的气体钻井复杂工况预警方法,开发了软件。软件依据现场集中监控系统采集到的钻井参数、入井、返出气体参数和排砂管线压力,通过人工神经网络算法成功实现井下复杂工况随钻预警,为防范作业风险提供了技术平台。     

基于近钻头测量数据的异常振动预警方法研究

钻井过程中，时常由于钻井参数、钻具组合与地层之间不匹配等因素，导致底部钻具异常振动，进而导致钻具损坏、钻井效率降低、井眼质量不合格等。为此，建立基于Informer时间序列的井下异常振动预警模型；基于近钻头振动数据时频域特征，标注正常振动和异常振动数据集，将井下振动经过小波变换后的均值和均方根值作为输入量进行预警模型训练；利用测试集数据测试预警模型的有效性。研究结果表明：在长序列预测结果上，该模型的建立相较于LSTM模型，E_MS降低了70%,预测精度提高。同时针对井下振动均值的长序列预测，可提前90 s判断黏滑振动的发生。该预警模型的建立可以有效识别和预警井下异常振动，降低钻井风险，为进一步建立先进的智能钻井系统提供一定的技术基础。     

气体钻井随钻安全风险识别与监控

气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,因此随钻井下风险识别及监测对于保障气体钻井安全具有重要意义。为此,提出将理论分析和现场案例相结合,总结气体钻井过程中井壁失稳、产水、产气、井下燃爆、钻柱失效等主要风险发生时的工况参数表征,建立风险发生与对应工况参数变化的关系模型,开发自动化分析平台对工况参数变化进行分析,以判断发生的风险类型。基于已有的地面监测技术,研发了地面—井下参数监测系统,用测量短接实时监测井下温度、压力、湿度以及钻具振动等参数,并通过中继短接传输到地面,可以更快速、准确地获知井下各项参数的变化情况。将关系模型、分析平台以及监测系统相结合,形成了气体钻井随钻安全风险辨识方法。在新疆塔里木盆地开展的现场试验结果表明,该方法能够快速反映出气体钻井各项参数的变化情况,准确判断井下发生的风险类型,可有效降低气体钻井安全风险,提高气体钻井效率。     

南海西部窄安全密度窗口超高温高压钻井技术

为解决南海西部窄安全密度窗口地层钻井中易发生井漏、井涌甚至井喷等井下故障的问题,通过研究超高温高压复杂地层压力预测监测技术、钻井液随钻堵漏技术、井下当量循环密度预测与监测技术、抗高温钻井液、超高温高压固井技术,形成了适用于南海西部的窄安全密度窗口超高温高压钻井技术。该技术在乐东区域的7口超高温高压探井进行了应用,钻井成功率达到100%,井下故障率显著降低,与应用前的同类型井相比,钻井生产时效平均提高了21%。这表明,窄安全密度窗口超高温高压钻井技术可以解决南海西部安全密度窗口窄导致的问题,可为深水高温高压领域的勘探开发提供技术支持。      

基于钻井模型与人工智能相耦合的实时智能钻井监测技术

钻井过程中钻井复杂监测对于减少事故发生、降低钻井成本意义重大。在实际钻井过程中,钻井复杂的分析和判断主要靠人工完成,难以保证预警效率。为此,将动态钻井物理模型与人工智能、数据挖掘算法相结合,提出基于实时录井数据的实时钻井监测及事故预警技术。该技术以钻井施工过程中的综合录井数据作为输入,利用模型算法来实时准确呈现钻井过程中的井下工况条件,预测即将发生的复杂风险。从实时井眼清洁及水力学监测、实时卡钻预测、实时井涌监测3个方面对实时钻井监测及预警技术进行了详细分析。该技术可以实时准确模拟井下工况条件,识别并降低钻井事故发生概率,帮助钻井工程师提早发现问题,减少钻井事故的发生,并减少对自然环境以及人员安全的影响,为现场施工提供辅助决策,降低非有效生产时间。     

基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法

为了进一步提高深部地层钻井速度,利用机械比能理论对复合钻井参数进行优化。从岩石力学和能量守恒角度出发,分析了基于机械比能理论的钻井优化机理,得出了钻进参数与机械钻速之间的相互关系。在Teale机械比能模型的基础上,引入钻头滑动摩擦系数和钻头破岩效率系数,将扭矩表示为钻压的函数,解决了常规钻井中扭矩难以直接测量的问题,建立了基于比能理论的复合钻井参数优化模型,并开发了钻井优化系统。该系统在实钻过程中可以进行钻井参数的动态监测,实时反馈钻井参数优劣,提示井下复杂情况。现场试验应用后,优化井段平均机械钻速提高20%~30%,钻头使用寿命延长。研究结果表明,机械比能理论能够用于钻进参数优化,达到深层提速和降低钻井成本的目的。      

欠平衡钻井随钻监测系统的开发及应用

欠平衡钻井技术具有突出优点,因而得到了广泛应用,但欠平衡钻井条件下,施工设备、流程和钻井液体系等诸多变化常导致常规监测技术不能满足现场工作的要求。针对欠平衡钻井的特殊性,开发了一套适用于欠平衡钻井的随钻监测系统。该系统将地层和井筒看作一个系统,通过监测注入参数、返出参数和钻井工程参数,结合井筒多相流模型及地层渗流模型来对地面、井筒和地层进行综合监测与评价;通过对地层产出流体的监测,井筒压力及流态的监测,地层压力和孔隙度的监测,钻井安全、井控和有害气体的监测,实现了对欠平衡钻井状态下的包括流量、压力和气体组成等多参数的监测;结合地层渗流及井筒多相流耦合模型,可以实现对所钻井段井筒压力、地层压力、储层特性和流体特征进行全面监控与评价。通过在欠平衡钻井现场的多次实际应用,验证了该监测系统的合理性与实用性。该成果有助于提高欠平衡钻井的工艺水平和储层保护效果,同时还有利于早期识别和控制井下复杂情况。     

东海西湖凹陷安全高效钻井技术优化研究

东海西湖凹陷钻井作业钻井速度较慢,深部井段井下复杂情况频发,作业效率不高。为了增加东海西湖凹陷的钻井速度、提高钻井效率,在表层井段采取了减小井眼尺寸并建立力学模型分析下入深度的技术方案;优化了井身结构,减少了作业开次;中下部井段改用油基钻井液;使用了一体化钻具组合,优化了钻井参数。通过对表层提速、井身结构、钻井液性能、提速工具四个方面的技术进行了研究,形成了东海西湖凹陷安全高效钻井技术,能够提高机械钻速、增强井壁稳定性和井眼清洁能力、缩短钻井周期、降低深部地层的井下故障率。该项技术在东海西湖凹陷数个构造的10余口井进行了现场应用,与东海同期作业相比,全井段机械钻速提高20%,钻井周期缩短23%。该技术成果可以为海洋钻井提速提效提供行之有效的技术思路。     

渤海地区套管磨损问题的研究

对渤海地区近年来在探井中发生的套管磨穿现象进行了探讨。该问题直接涉及井下安全和钻井效率,必须予以高度重视。从理论与实践结合上阐述:由钻具运动产生的横向振动,和悬臂式钻井装置产生的横向振动,以及两者之间的耦联振动;在钻井参数的选配上如何有效地采取措施减少和避免谐振引起的过度磨损,如何正确的认识共振引起的危害。对今后进一步提高钻井效率、避免井下事故、降低成本进行了探讨。     

井下燃爆监测技术在气体钻井中的应用

气体钻井具有保护油气储层，机械钻速高，防漏、治漏效果好，防水敏垮塌，成本低等优点，因而应用越来越广泛。但天然气和原油等烃类物质与含氧气体混合后，在其混合浓度达到燃爆范围并有燃爆条件时，井下就可能出现燃爆，会造成井下复杂事故，影响气体钻井的安全性。尤其是近年来，气体钻井技术应用于非储层的长井段钻井提速，在缩短建井周期方面，钻遇小油气层的几率增大，发生井下燃爆的可能性也增加。利用井下燃爆监测技术，扩大气体钻井技术的应用范围、提高气体钻井效率是气体钻井技术的重要研究课题。基于对气体钻井过程中井下燃爆机理和方式的分析，采用西南石油大学欠平衡钻井技术研究室研发的多功能气体检测仪，对返出气体的成分、温度和压力的连续在线监测，可及时发现井下燃爆迹象，避免井下复杂事故的发生，为进一步完善气体钻井技术提供了有力的技术保证。     

川东北地区含硫气井钻井事故数据库系统

为了有效存储和合理利用川东北地区已钻井的事故数据,提高钻井事故数据管理的效率,设计开发了钻井事故数据库系统。以Microsoft Access为关系数据库管理工具,Visual Basic为用户访问端的开发工具,利用SQL实现数据统计分析功能。现场试验证明：利用该数据库系统可方便快捷地对钻井事故进行采集、存储、查询、统计与分析,为钻井事故原因分析、风险评估以及事故预防提供数据支持。以川东北地区钻井事故为对象开发的钻井事故数据库系统,加快了钻井事故科学化、数字化管理的进程,是钻井信息化的重要补充。     

钻井风险控制系统的研究进展

为了控制钻井复杂与事故,国内外一直都致力于研究建立智能的钻井风险控制系统。通过调研分析NDS和eDrilling等国外成熟的钻井风险控制系统以及国内在钻井事故专家系统、利用智能方法识别钻井事故、远程钻井事故专家系统、借助综合录井仪进行钻井事故诊断等方面的成果,明确了我国自主开发钻井风险控制系统的必要性和紧迫性。进而提出并建立了国内钻井风险控制系统的整体架构方案,其应实现的功能包括系统整体架构、钻井实时数据库、实时数据采集、实时数据传输、实时数据可视化、钻井风险因素分析、井下风险诊断与预测。最后,介绍了所研发的钻井风险控制系统取得的阶段性成果,包括数据采集软件、数据传输与接收软件、钻井数据管理软件,基于模糊综合评价和BP神经网络两种智能方法的钻井复杂实时诊断与预测子系统。多次现场生产测试结果表明,该系统符合率和实用性均较高。     

气体钻井技术在七北101井的应用与研究

川渝地区的深探井，由于井眼尺寸大，地层复杂，钻井机械钻速低，钻井周期长而且极易发生断钻具等井下复杂事故，严重制约了川渝地区的天然气勘探开发进程，如何提高钻井速度一直是川渝地区钻井工作的一个难题。在七北101井的钻井过程中，选择了适当的井段进行气体钻井技术试验研究，研究表明，采用这一技术可大幅地提高钻井速度，钻井机械钻速提高了3~15倍。还可保证井下安全，减少井漏和断钻具等井下复杂事故。     

基于区间分析的钻井工程风险评价方法

针对钻井基础信息参数存在不确定性的问题,以区间分析方法和可靠性理论为基础,通过分析钻井过程中井下故障发生的力学致险机理,建立了钻井工程风险的非概率可靠性评价方法。该方法只需根据先验信息确定出井下故障的风险评价函数和风险因素的上下界,即可进行风险系数计算。确定了几种常见井下故障的风险评价函数,根据区间变量运算法则推导出了风险系数表达式。以西部某区块的W井为例进行了验证分析,结果表明,该方法计算简便、实用,能够满足工程实际需要。      

井下风险管理系统设计及应用

井下风险管理系统可以用于预防和减少井下事故与复杂发生,提高钻井综合效益。以井下风险管理系统为研究对象,设计了井下风险管理系统体系结构及其工艺过程,探讨了井下风险多源信息融合技术、风险预测技术、风险识别技术和风险评价技术以及钻井作业参数智能优化技术等几项关键技术,并举例说明了BP神经网络法预测井漏风险的结果。研究认为:井下风险管理技术研究应在保障钻井安全的前提下追求成本最小化,以安全工程的基本原则作为指导思想,以信息技术作为基本手段,以跨学科技术融合作为研究重点。该研究成果可为井下风险管理系统开发及其相关技术研究提供参考。