摘 要：為了控制鉆井復(fù)雜與事故，國(guó)內(nèi)外一直都致力于研究建立智能的鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)。通過調(diào)研分析NDS和eDrilling等國(guó)外成熟的鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)以及國(guó)內(nèi)在鉆井事故專家系統(tǒng)、利用智能方法識(shí)別鉆井事故、遠(yuǎn)程鉆井事故專家系統(tǒng)、借助綜合錄井儀進(jìn)行鉆井事故診斷等方面的成果，明確了我國(guó)自主開發(fā)鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的必要性和緊迫性。進(jìn)而提出并建立了國(guó)內(nèi)鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)方案，其應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)整體架構(gòu)、鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化、鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素分析、井下風(fēng)險(xiǎn)診斷與預(yù)測(cè)。最后，介紹了所研發(fā)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)取得的階段性成果，包括數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)傳輸與接收軟件、鉆井?dāng)?shù)據(jù)管理軟件，基于模糊綜合評(píng)價(jià)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種智能方法的鉆井復(fù)雜實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)子系統(tǒng)。多次現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合率和實(shí)用性均較高。
關(guān)鍵詞：鉆井復(fù)雜 可視化 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)傳輸 風(fēng)險(xiǎn)診斷 風(fēng)險(xiǎn)控制 符合率 實(shí)用性
Research progress of drilling risk control systems in China
Abstract：In order to control drilling complexities and downhole accidents，intelligent drilling risk control systems have been studied for a long time at home and abroad．First，we analyzed several foreign mature drilling risk control systems，such as NDS and eDrilling，and some achievements in China：an expert system for drilling accidents，drilling accidents diagnosed with intelligent methods，a long-distance expert system for drilling accidents，and drilling accidents diagnosed with comprehensive logging instruments．Also，we realize the necessity and urgency of China-developed drilling control systems．Therefore，we proposed and developed a program of a future China-developed drilling risk control system with functions of a whole system framework，real time drilling database，real-time data acquisition，real-time data transmission，real-time data visualization，drilling risk factor analysis，diagnosis and prediction of downhole risks．Some advances were made in this developed drilling risk control system including data transmission and receiving software，drilling data management software，diagnosis and prediction software based on the fuzzy comprehensive evaluation method and BP neural network method．The accordance rate and practicability of this system were also validated by many field tests．
Keywords：drilling accident，visualization，real-time database，data acquisition，data transmission，drilling risk diagnosis，risk control，accordance rate，practicability
自1960年Jackson將“決策分析”的概念引入鉆井工程領(lǐng)域后，信息技術(shù)在鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大的發(fā)展。國(guó)外在20世紀(jì)80年代開始研究將信息技術(shù)應(yīng)用到鉆井生產(chǎn)指揮中，至90年代即開始研究一體化的鉆井信息系統(tǒng)。近年來，隨著鉆井信息采集和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，被業(yè)內(nèi)公認(rèn)初步實(shí)現(xiàn)一體化鉆井技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制的信息系統(tǒng)有BP與Schlumberger公司研發(fā)NDS系統(tǒng)和挪威e-Drilling Solutions公司研發(fā)eDrilling系統(tǒng)。NDS系統(tǒng)[1-2](No Drilling Surprise)由鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)、鉆井?dāng)?shù)據(jù)解釋系統(tǒng)和鉆井風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)等組成，可以用來預(yù)測(cè)、判斷井下可能發(fā)生的復(fù)雜情況，預(yù)防復(fù)雜事故的發(fā)生，從而提高生產(chǎn)效率。eDrilling系統(tǒng)[3-4]是一套集實(shí)時(shí)鉆井仿真、實(shí)時(shí)3D可視化和遠(yuǎn)程專家控制為一體的鉆井系統(tǒng)。可以在鉆前模擬鉆井過程，預(yù)測(cè)鉆井過程中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，然后修正鉆井方案，最大限度地減少鉆井復(fù)雜情況，降低鉆井成本。該系統(tǒng)利用所有可以測(cè)量得到的鉆井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)時(shí)模型來監(jiān)測(cè)和優(yōu)化鉆井方案。
國(guó)內(nèi)在鉆井事故專家系統(tǒng)、利用智能方法識(shí)別鉆井事故、遠(yuǎn)程鉆井事故專家系統(tǒng)、借助綜合錄井儀進(jìn)行鉆井事故診斷等方面取得了一定的成果[5-15]，但在利用鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)方面，距國(guó)外的技術(shù)水平還有相當(dāng)大的差距，尚未形成類似NDS技術(shù)的完整鉆井軟件。而部分國(guó)外技術(shù)如NDS只提供技術(shù)服務(wù)，不出售知識(shí)產(chǎn)權(quán)，服務(wù)費(fèi)用昂貴。基于以上原因，國(guó)內(nèi)急需自主研發(fā)出具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)軟件。
1 系統(tǒng)構(gòu)架研究
通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)需要，提出了一套鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)方案，如圖1所示。系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)維護(hù)模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)、鉆井可視化模塊、鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)分析子系統(tǒng)、不同井下復(fù)雜類型實(shí)時(shí)分析子系統(tǒng)等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)在井場(chǎng)采集錄井儀和隨鉆工具等儀器測(cè)量的鉆井實(shí)時(shí)參數(shù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制軟件系統(tǒng)調(diào)用、瀏覽、分析各項(xiàng)參數(shù)變化，并診斷、預(yù)測(cè)各種井下復(fù)雜情況，達(dá)到鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制的目的。鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)預(yù)期應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：
1)系統(tǒng)整體架構(gòu)。支持后期開發(fā)的各模塊集成和運(yùn)行。
2)隨鉆實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊。調(diào)研國(guó)內(nèi)外隨鉆測(cè)量工具應(yīng)用情況，掌握隨鉆測(cè)量工具可測(cè)的參數(shù)，設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)采集方案并開發(fā)相應(yīng)軟件模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。
3)鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的管理。
4)鉆井?dāng)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。調(diào)研井場(chǎng)信息集成與傳輸?shù)募夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)基地與井場(chǎng)之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸與共享。
5)鉆井叮視化模塊。實(shí)現(xiàn)地面和井下信息的3D可視化，給技術(shù)人員和管理人員形象直觀地顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，輔助決策。3D可視化應(yīng)實(shí)現(xiàn)包括實(shí)時(shí)井眼軌跡、實(shí)時(shí)地質(zhì)模型和實(shí)時(shí)井眼狀況等整個(gè)鉆井過程的實(shí)時(shí)可視化，最終還應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)從地面設(shè)備到井下環(huán)境的一體化仿真。
6)鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素分析模塊。對(duì)于鉆井涉及的巖石力學(xué)、地應(yīng)力反演、四壓力分析、井底壓力分析以及鉆柱力學(xué)分析等相關(guān)因素，研究相應(yīng)的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析。
7)井下風(fēng)險(xiǎn)診斷與預(yù)測(cè)模塊。確定井下風(fēng)險(xiǎn)診斷與預(yù)測(cè)的方法，建立井漏、井侵、卡鉆、井塌、鉆具事故、井下落物事故等各種井下風(fēng)險(xiǎn)診斷與預(yù)測(cè)的模型，開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各種風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)。
2 研究進(jìn)展
中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院聯(lián)合西南石油大學(xué)共同開展攻關(guān)，初步完成了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，開發(fā)了鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)相應(yīng)軟件，建立的鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)架構(gòu)擴(kuò)展性強(qiáng)，支持后期開發(fā)的其他鉆井復(fù)雜事故配套軟件的運(yùn)行和集成，取得的主要研究成果有：
1)以套接字理論為基礎(chǔ)，開發(fā)了鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)了各種工程數(shù)據(jù)、氣測(cè)數(shù)據(jù)及不同鉆井工況下的各種鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)將截取到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明所采集的數(shù)據(jù)完全與現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步，滿足鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需求。
2)基于SSL協(xié)議，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)包加密和解密過程，開發(fā)了一套適合于鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)，包含2套軟件：數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸軟件和基地?cái)?shù)據(jù)接收軟件。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)完成了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布桑粩?shù)據(jù)傳輸采用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)的完整性；支持CDMA／GPRS無線傳輸信道，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通訊，即允許井場(chǎng)向基地通信，也允許基地向井場(chǎng)通信。
3)建立了以國(guó)際通用WITS標(biāo)準(zhǔn)為參考依據(jù)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并優(yōu)化了數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)及查詢模式，開發(fā)了鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。軟件為用戶提供了數(shù)據(jù)庫(kù)備份、數(shù)據(jù)庫(kù)還原功能；可以瀏覽、修改、查詢、導(dǎo)出、導(dǎo)入、刪除、整理任意井的鉆井?dāng)?shù)據(jù)；可以對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、按時(shí)間回放、按井深回放；可以將任意數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文本文件中；可以進(jìn)行異地備份；可以按用戶需要導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)，鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面如圖2所示。
4)在研究風(fēng)險(xiǎn)推理分析理論基礎(chǔ)上建立了兩種適合于鉆井風(fēng)險(xiǎn)工程應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法——基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法。這兩種方法都是將鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)分析和數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，確保了鉆井風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析的實(shí)時(shí)性。完成了井漏、地層流體侵入[16-17]、井塌和卡鉆的發(fā)生機(jī)理研究，總結(jié)了這4種風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的表征現(xiàn)象及規(guī)律，確定了風(fēng)險(xiǎn)因素邏輯關(guān)系，并建立了其風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)識(shí)別模型，結(jié)合鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)識(shí)別模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型。圖3為井漏風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)識(shí)別模型。
5)優(yōu)選國(guó)內(nèi)外符合標(biāo)準(zhǔn)的或公認(rèn)的風(fēng)險(xiǎn)因素計(jì)算模型，開發(fā)了鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)分析軟件，可以為風(fēng)險(xiǎn)推理分析提供實(shí)時(shí)計(jì)算的鉆井風(fēng)險(xiǎn)兇素值。由地質(zhì)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素分析、鉆柱力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素分析、水力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)因素分析、鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素管理4個(gè)模塊組成。
6)在風(fēng)險(xiǎn)控制分析理論基礎(chǔ)上，建立了鉆井風(fēng)險(xiǎn)的控制模型，并在此模型基礎(chǔ)上開發(fā)了鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制軟件，利用它可以計(jì)算分析各可控風(fēng)險(xiǎn)因素恰當(dāng)?shù)目刂品秶?/font>
7)初步開發(fā)了鉆井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化模塊，能夠跟蹤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示井眼軌跡，有助于技術(shù)人員判斷鉆井進(jìn)程(圖4)。
8)在不同鉆井風(fēng)險(xiǎn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊綜合評(píng)價(jià)的診斷、預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，開發(fā)了鉆井風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)診斷和預(yù)測(cè)分析軟件，利用鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素分析結(jié)果與采集的鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)診斷及預(yù)測(cè)井下風(fēng)險(xiǎn)。
在我國(guó)某油田鉆井時(shí)，應(yīng)用鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)診斷鉆井狀態(tài)，分別對(duì)鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件、鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件、鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)計(jì)算分析軟件和鉆井風(fēng)險(xiǎn)推理風(fēng)險(xiǎn)軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(圖5、6)。以采集的鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)分析軟件計(jì)算井底壓力和地層壓力等參數(shù)，以鄰井資料作為井漏風(fēng)險(xiǎn)學(xué)習(xí)的樣本，判斷該井井漏風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)判斷該井在鉆至2823m時(shí)井漏風(fēng)險(xiǎn)可能性較大，當(dāng)鉆進(jìn)至2825m時(shí)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)井底發(fā)生漏失，決定進(jìn)行起鉆堵漏作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件與儀器測(cè)量?jī)x器同步性好，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)合理，且井漏風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)診斷預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)完全吻合。
3 結(jié)論
1)國(guó)外的風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)建立在先進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)管理、數(shù)據(jù)管理、隨鉆測(cè)量和可視化等技術(shù)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)相當(dāng)成熟。而國(guó)內(nèi)的同類軟件雖然在近些年來取得了很大的發(fā)展，但是距國(guó)外仍有相當(dāng)大的差距。鑒于國(guó)外部分公司只服務(wù)不出售的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)急需發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制軟件。
2)鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕畧?chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給基地，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，供客戶端軟件實(shí)時(shí)調(diào)用、瀏覽、分析，診斷預(yù)測(cè)各種鉆井風(fēng)險(xiǎn)，并能實(shí)時(shí)3D顯示井眼軌跡，達(dá)到鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制的目的。
3)鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理，且初步實(shí)現(xiàn)了井眼軌跡的可視化，并且開發(fā)了基于模糊綜合評(píng)價(jià)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)子系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)診斷預(yù)測(cè)鉆井過程中的井漏、溢流、井塌和卡鉆等鉆井復(fù)雜情況。
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