智能处理技术在工程录井事故预警中的应用研究

-1-智能处理技术在工程录井事故预警中的应用研究刘波1孙辉1范业活1（中国电子科技集团公司第二十二研究所河南新乡453000）摘要：工程录井对钻井安全监测、提速增效起到了重要的作用。但随着钻井技术快速发展和勘探难度不断加大，迫切需要提升工程录井事故预警的自动化和智能化程度。通过引入多种智能处理技术，形成了一套智能化工程录井预警方法，涵盖了数据采集、数据预处理、异常趋势判断、多参数融合分析的整套数据处理流程。在此基础上成功开发出工程录井事故预警系统，其具备“实时跟踪”、“持续监测”、“自动调整”、“多参数分析”的技术特点，并已在中石化、中石油多家油田开展了应用研究与推广部署。关键词：工程录井；智能预警；野点剔除；趋势分析；多参数融合分析0引言石油钻探是一项高风险性、耗资巨大的系统工程。在钻井施工过程中，工程事故发生的可能性随时存在，是威胁钻井安全的最大隐患，也是影响经济效益和勘探效益的重要因素。长期以来，工程事故的预报始终是生产过程中需要关注的关键技术问题。工程录井以其特有的实时性、预测性对安全钻井发挥了重要作用，通过随钻监测各种参数的变化，及时发现工程异常情况，从而有效地避免工程事故复杂的发生或恶化。本着提高录井作业水平，加强工程事故预警功能的指导思想，中国电子科技集团公司第二十二研究所在国内首次提出了充分利用综合录井资源、研究工程录井事故预报方法为钻井工程服务的理念。通过多年的研究与实践，目前已形成一套以智能处理技术为基础的工程录井预警方法，涵盖了数据采集、数据预处理、异常趋势判断、多参数融合分析的整套数据处理流程，在此基础上开发出的工程录井事故预警系统已在中石化、中石油多家油田开展了应用研究与推广部署。1国内外研究现状安全钻井和优化钻井一直是钻探工程的重要研究课题之一，国外非常重视录井在工程安全应用方面的作用，研究重点已经从被动判断向主动异常预报方向发展[1]。早期国外在工程事故预报研究方面主要是通过钻具振动分析和综合录井参数分析等技术手段，如贝克休斯等公司早期开发的钻具工作状态检测系统和利用录井参数分析进行故障预警的系统。这些预警-2-系统模式相对固定、单一，不能融合工程专家的现场工作经验，对于井场经常发生的各种钻井工程故障的监测缺乏系统、全面的预报手段。近年来，如国际石油巨头纷纷加大工程安全研究力度，如BP与斯伦贝谢共同开展的无风险钻井服务支撑(NoDrillingSurprises)技术研究[2]，涵盖了压力预测、漏失控制等多项智能预警技术，动态实时调整钻井计划和流程，实现了钻井风险的有效监测。国内的工程录井为钻井施工安全作出了很大的贡献，但在钻井技术、工艺飞速进步的今天，工程录井事故预警技术的发展却相对滞后。国内综合录井进行工程事故预报，主要是模仿国外的早期技术，以参数异常分析或逻辑判断方式为主，没有一套完整、全面的又能反映工程事故复杂多变特性的智能预警技术为安全钻井提供监测服务；其次，不同型号和配置的综合录井仪器在性能方面也有一定的差距，其工程事故的预报水平也参差不齐，无法满足当前钻井技术飞速发展的需要[3]。2智能化预警的技术思路工程录井预警技术的智能化研究是在分析大量综合录井原始数据的基础上，总结各项录井参数异常与钻井工程事故的内在关系，建立专家经验知识库，利用智能处理方法或算法计算各类参数异常情况及其对钻井工程事故的贡献度，从而在事故未发生或者发生的早期给予一定程度的预警。具体技术思路如下：2.1数据采集与预处理利用数据插件技术与综合录井仪器实现数据对接，完成工程录井原始数据的实时采集；利用数据预处理技术滤除非事故因素引起的参数异常变化。2.2参数异常趋势分析分析工程事故在不同钻井状态发生时各类工程参数的变化特征、规律，利用参数异常趋势分析方法，实现参数异常的自动识别；针对各油田区块、各个井位的参数变化规律，利用参数阈值自适应算法实时调整参数异常判断阈值，增强预警方法在不同地区、不同井位间的适应性。2.3事故预警模型推理总结各类参数异常与工程事故之间的内在联系，建立开放式的工程事故预警模型；利用多参数融合分析技术实现预警模型的自动推理，实现事故预报的智能化。智能化预警技术工作流程见下图。数据信息源（综合录井仪）数据采集（插件独立化）数据预处理（野点剔除）参数异常（趋势分析）事故预警（多参数融合）预警结果（程度性预警）图1智能化预警技术工作流程3智能化预警技术研究-3-3.1数据插件独立化技术获取实时录井数据是工程事故预警的前提，本研究采用实时录井数据插件独立化技术，解决了预警系统在国内外主流综合录井仪上挂接的难题，实现了预警系统的独立使用，使其具备了良好的兼容性和通用性。该技术的难点在于综合录井仪软件系统架构和数据接口的研究，由于各进口和国产综合录井仪的采用的多种操作系统平台：如Windows和Unix等，软件内部数据通讯所采用的技术也各不相同，而且大多数仪器的软件接口方法不公开，必须采用复杂的接口分析技术来进行解析。通过对国内外主流综合录井仪的研究，在实时数据获取方面采用了多种方式：如网络通讯方式、从串口获取实时数据、WITS格式获取、自动化组件方式等。表1实时数据获取方式对照表仪器型号插件技术仪器型号插件技术ALS2串口通讯、WITSWellStar自动化接口ALS2.2WITS、TCP/IPCMS1UDP协议网络通讯ALS3WITS、TCP/IPCMS2TCP/IP协议网络通讯SDL9000Ⅱ自动化接口SK2000文件传输SDL9000Ⅲ自动化接口SK2000C文件传输DLS自动化接口SnowWolf5-2.0WITS、TCP/IPDLS-China自动化接口SnowWolf5-3.0WITS、TCP/IPAdvantageWITS、TCP/IPSLZ2A文件传输DataLogWITS、TCP/IPACE自动化接口DMLWITS、TCP/IPKeLogWITS、TCP/IP3.2野点剔除滤波算法由于钻井作业状态的改变和外界因素的干扰，综合录井仪各类传感器采集到的参数数据不会一直处于一种完全正常、有效的状态，特别是受外界干扰因素的影响，数据往往存在有很大的噪声，必须进行降噪处理。在早期研究过程中采用了AR模型滤除野点，起到了一定效果。随着研究的深入，发现此类滤波算法有可能过度滤除本应属于事故异常的数据点。后逐步转入基于统计学原理的滤波算法研究。在研究过程中对多种滤波算法进行了实验分析，其中3σ准则法得到良好的应用效果。由正态分布随机变量的分布函数可知，正态变量的取值在（μ-3σ，μ+3σ）范围内的概率超过99%，这就是所说的3σ准则。-4-图23σ准则尽管钻进过程各类录井参数变量并不服从严格的正态分布，但是在统计区间内，取值在（μ-3σ，μ+3σ）之外的仍然是小概率点，由此可以利用这一原理检测小概率点为野值点。以3σ准则法为基础并结合钻井状态自动判别来进行数据预处理，既能实现较好的滤除外界干扰，也能够防止将钻井状态变化引起的数据波动误认为是野值点，该算法具有计算量小、剔除效果较好、滑动窗口可自适应等特点，为预警系统实现也提供了便利条件。3.3参数趋势分析技术在整个钻井录井过程当中，采集到了大量的时间序列数据，需要从时间序列数据中得到对于异常判断有用的信息，因此参数趋势分析是智能预警技术的重要组成部分。尤其对于工程事故中的缓慢变化类异常，如井漏、溢流等有一个积累、发展、扩大的过程，表现特征是如总池体积、立压、出口流量等参数的趋势性异常变化。基于数理统计模型的趋势分析算法，如主成份分析、小波分析等算法的计算量较大，对预警的实时性会有影响；通过时间序列分段线性化来进行趋势分析，这种方法将数据的短期波动忽略，用直线段来表示一定时间区间内数据的趋势变化，计算结果直观且有一定的预测作用。通过实验分析，本研究采用了基于最小二乘法的时间序列分段线性化算法进行趋势判断。分段线性化方法是将采样数据直接拟合为直线段，通过直线段的斜率来分析其变化趋势。如下图所示：图3分段线性化示例图中曲线为采样数据曲线，折线为分段线性化后的拟合直线，通过时间窗计算得到相应-5-的线性化效果，则每一段直线的斜率就反映了这一段数据的变化趋势，通过给定时间区间内线性段的变化就可以得到参数的趋势性变化。在参数趋势分析的基础上，构造长短时间周期的趋势监测特征量，相应的数据分析表明长短周期均值的均值差符合正态分布规律，基于3原理可动态构造参数异常判断阈值。该方法计算量相对较小，且能够反映长周期内的缓慢趋势变化，对于井漏、溢流等工程事故复杂中的参数缓慢变化有较好的判断和预测。3.4多参数融合分析技术传统的录井软件只能针对一个参数设置固定上下门限值，不具备对多个参数融合分析的能力；多参数融合分析可以降低单参数异常导致的误报，因为现场数据的变化受传感器的性能、安装位置、噪声干扰等因素很大，仅凭一个参数对工程事故复杂进行预警会导致误报。本研究首先通过充分调研、汲取现场工程专家的经验，以专家系统知识、统计理论为基础，借鉴知识库技术建立了预警模型库。现场事故形成因素多，环境、条件等对传感器测量也有很大影响，预警模型需随变化而调整，因此开放模型构建和定制过程，在预警过程中可以进行有效的干预，从而适应现场需要，提升事故预报的智能化程度。图4增一型分层模糊推理结构图其次引入模糊数学理论，构造了基于增一型分层模糊系统的多参数融合分析方法（如上图）。该方法不仅实现了多参数融合分析，做到了对工程事故复杂发生程度的综合推理，而且将系统模糊单元的多输入参数变量转化为低维模糊单元分层连接构成的模糊推理系统，使模糊系统的规则数只随输入变量数线性增长，杜绝了“维数灾”现象的发生，实现了准确、有效、便捷的预警[4]。由“开放式预警模型”+“分层模糊推理”组建的多参数融合分析技术可有效的实现多个录井参数异常的综合分析，提升预警准确性，并可利用模糊数据的理论优势计算出事故复杂发生的程度状况。4应用情况通过多种智能处理技术的研究与应用，工程录井事故预警系统具备了“实时跟踪”、“持-6-续监测”、“自动调整”、“多参数分析”的智能化特点，该系统自2009年起先后在中石化、中石油多家油田开展了系统适应性研究。2010年5月，中石化股份公司科技开发部立项，由中国石化石油工程技术研究院与中国电子科技集团公司第二十二研究所合作开展工程预警系统及应用研究，该项目成为近年来唯一一个由中石化外部单位承担的股份公司科技项目。2011年10月至2012年6月先后在胜利油田、中原油田、西南石油局所属工区开展现场应用，全面测试了预警方法和软件功能，取得了良好的应用效果。5结束语统计分析、模糊推理、趋势分析等多项新技术的应用，提升了工程录井预警的智能化程度。采用智能化技术手段进行综合录井事故预警对于安全钻井具有重要的意义，也必将成为未来综合录井发展的一个重要方向。大量现场应用表明，工程录井预警系统的功能已趋于完善，对于确保钻井现场异常情况预报的效率和质量，减轻操作人员的负担，有效提高钻井工程事故复杂预警水平具有积极的意义。未来工程录井预警系统将朝着“井下化”和“专项化”方向进一步发展，引入地下采集等多种信息来源，与各类新型钻井技术以及专项工程复杂监测紧密结合，在石油勘探过程中发挥更大的作用。参考文献[1]张卫,郑春山,张新华.国外录井技术新进展及发展方向[J].录井工程,2012,23(1):1～4.[2]连志龙,周英操,申瑞臣,赵庆,白仙莉.无意外风险钻井(NDS)技术探讨[J].石油钻采工艺,2009,31(1):90～94.[3]侯艳伟,李新.工程录井预警系统在钻井现场的应用效果及发展方向[J].石油仪器,2013,27(3):16～19.[4]吴俊杰.钻井工程事故监测和预警方法研究[J].录井工程，2006,17(1):53～55.作者简介：刘波，1981年2月出生，男，2003年毕业于华中科技大学计算机专业，2008年于西南交通大学计算应用专业获硕士学位，工程师，现在中国电子科技集团公司第二十二研究所第七研究部随钻与录井研究中心从事录井软件的研发工作。