摘 要：為了控制鉆井復雜與事故，國內(nèi)外一直都致力于研究建立智能的鉆井風險控制系統(tǒng)。通過調(diào)研分析NDS和eDrilling等國外成熟的鉆井風險控制系統(tǒng)以及國內(nèi)在鉆井事故專家系統(tǒng)、利用智能方法識別鉆井事故、遠程鉆井事故專家系統(tǒng)、借助綜合錄井儀進行鉆井事故診斷等方面的成果，明確了我國自主開發(fā)鉆井風險控制系統(tǒng)的必要性和緊迫性。進而提出并建立了國內(nèi)鉆井風險控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)方案，其應實現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)整體架構(gòu)、鉆井實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)傳輸、實時數(shù)據(jù)可視化、鉆井風險因素分析、井下風險診斷與預測。最后，介紹了所研發(fā)的鉆井風險控制系統(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、鉆井數(shù)據(jù)管理軟件，基于模糊綜合評價和BP神經(jīng)網(wǎng)絡兩種智能方法的鉆井復雜實時診斷與預測子系統(tǒng)。多次現(xiàn)場生產(chǎn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合率和實用性均較高。
關(guān)鍵詞：鉆井復雜 可視化 實時數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)傳輸 風險診斷 風險控制 符合率 實用性
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域后，信息技術(shù)在鉆井領域的應用取得了巨大的發(fā)展。國外在20世紀80年代開始研究將信息技術(shù)應用到鉆井生產(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用技術(shù)的發(fā)展，被業(yè)內(nèi)公認初步實現(xiàn)一體化鉆井技術(shù)風險控制的信息系統(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)由鉆井數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)、鉆井數(shù)據(jù)解釋系統(tǒng)和鉆井風險管理系統(tǒng)等組成，可以用來預測、判斷井下可能發(fā)生的復雜情況，預防復雜事故的發(fā)生，從而提高生產(chǎn)效率。eDrilling系統(tǒng)[3-4]是一套集實時鉆井仿真、實時3D可視化和遠程專家控制為一體的鉆井系統(tǒng)?？梢栽阢@前模擬鉆井過程，預測鉆井過程中可能發(fā)生的風險，然后修正鉆井方案，最大限度地減少鉆井復雜情況，降低鉆井成本。該系統(tǒng)利用所有可以測量得到的鉆井數(shù)據(jù)，結(jié)合實時模型來監(jiān)測和優(yōu)化鉆井方案。
國內(nèi)在鉆井事故專家系統(tǒng)、利用智能方法識別鉆井事故、遠程鉆井事故專家系統(tǒng)、借助綜合錄井儀進行鉆井事故診斷等方面取得了一定的成果[5-15]，但在利用鉆井實時數(shù)據(jù)分析技術(shù)對鉆井現(xiàn)場施工指導方面，距國外的技術(shù)水平還有相當大的差距，尚未形成類似NDS技術(shù)的完整鉆井軟件。而部分國外技術(shù)如NDS只提供技術(shù)服務，不出售知識產(chǎn)權(quán)，服務費用昂貴?；谝陨显颍瑖鴥?nèi)急需自主研發(fā)出具有知識產(chǎn)權(quán)的鉆井風險控制系統(tǒng)軟件。
1 系統(tǒng)構(gòu)架研究
通過調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)需要，提出了一套鉆井風險控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)方案，如圖1所示。系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)維護模塊、實時數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)遠程傳輸子系統(tǒng)、鉆井可視化模塊、鉆井風險因素實時分析子系統(tǒng)、不同井下復雜類型實時分析子系統(tǒng)等。實時數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)在井場采集錄井儀和隨鉆工具等儀器測量的鉆井實時參數(shù)，并存儲到數(shù)據(jù)庫中，供鉆井風險控制軟件系統(tǒng)調(diào)用、瀏覽、分析各項參數(shù)變化，并診斷、預測各種井下復雜情況，達到鉆井風險控制的目的。鉆井風險控制系統(tǒng)預期應實現(xiàn)的功能包括：
1)系統(tǒng)整體架構(gòu)。支持后期開發(fā)的各模塊集成和運行。
2)隨鉆實時數(shù)據(jù)采集模塊。調(diào)研國內(nèi)外隨鉆測量工具應用情況，掌握隨鉆測量工具可測的參數(shù)，設計一種數(shù)據(jù)采集方案并開發(fā)相應軟件模塊實現(xiàn)對井場實時數(shù)據(jù)的采集。
3)鉆井實時數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對鉆井實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的管理。
4)鉆井數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸模塊。調(diào)研井場信息集成與傳輸?shù)募夹g(shù)，實現(xiàn)基地與井場之間實時數(shù)據(jù)的傳輸與共享。
5)鉆井叮視化模塊。實現(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時數(shù)據(jù)，輔助決策。3D可視化應實現(xiàn)包括實時井眼軌跡、實時地質(zhì)模型和實時井眼狀況等整個鉆井過程的實時可視化，最終還應該能夠?qū)崿F(xiàn)從地面設備到井下環(huán)境的一體化仿真。
6)鉆井風險因素分析模塊。對于鉆井涉及的巖石力學、地應力反演、四壓力分析、井底壓力分析以及鉆柱力學分析等相關(guān)因素，研究相應的計算模型進行計算分析。
7)井下風險診斷與預測模塊。確定井下風險診斷與預測的方法，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險診斷與預測的模型，開發(fā)相應的軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對井下各種風險的實時診斷與預測。
2 研究進展
中國石油鉆井工程技術(shù)研究院聯(lián)合西南石油大學共同開展攻關(guān)，初步完成了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，開發(fā)了鉆井風險控制系統(tǒng)相應軟件，建立的鉆井風險控制系統(tǒng)架構(gòu)擴展性強，支持后期開發(fā)的其他鉆井復雜事故配套軟件的運行和集成，取得的主要研究成果有：
1)以套接字理論為基礎，開發(fā)了鉆井風險控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集軟件，實現(xiàn)了各種工程數(shù)據(jù)、氣測數(shù)據(jù)及不同鉆井工況下的各種鉆井風險因素數(shù)據(jù)的實時采集，同時將截取到的實時數(shù)據(jù)自動存儲到實時數(shù)據(jù)庫中，現(xiàn)場測試表明所采集的數(shù)據(jù)完全與現(xiàn)場儀器測量實時數(shù)據(jù)同步，滿足鉆井現(xiàn)場實際的需求。
2)基于SSL協(xié)議，設計了數(shù)據(jù)包加密和解密過程，開發(fā)了一套適合于鉆井風險控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遠程傳輸子系統(tǒng)，包含2套軟件：數(shù)據(jù)遠程傳輸軟件和基地數(shù)據(jù)接收軟件。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)完成了遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布桑粩?shù)據(jù)傳輸采用斷點續(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，即允許井場向基地通信，也允許基地向井場通信。
3)建立了以國際通用WITS標準為參考依據(jù)的鉆井風險控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并優(yōu)化了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)及查詢模式，開發(fā)了鉆井風險控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫管理軟件。軟件為用戶提供了數(shù)據(jù)庫備份、數(shù)據(jù)庫還原功能；可以瀏覽、修改、查詢、導出、導入、刪除、整理任意井的鉆井數(shù)據(jù)；可以對各種數(shù)據(jù)進行實時顯示、按時間回放、按井深回放；可以將任意數(shù)據(jù)導出到文本文件中；可以進行異地備份；可以按用戶需要導入相關(guān)數(shù)據(jù)，鉆井實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖2所示。
4)在研究風險推理分析理論基礎上建立了兩種適合于鉆井風險工程應用的風險評估方法——基于層次分析法的模糊綜合評價法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡識別法。這兩種方法都是將鉆井風險因素實時分析和數(shù)學推理相結(jié)合的鉆井風險評估方法，確保了鉆井風險識別分析的實時性。完成了井漏、地層流體侵入[16-17]、井塌和卡鉆的發(fā)生機理研究，總結(jié)了這4種風險發(fā)生時的表征現(xiàn)象及規(guī)律，確定了風險因素邏輯關(guān)系，并建立了其風險實時識別模型，結(jié)合鉆井風險評估方法，構(gòu)建了風險模糊綜合評價識別模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡識別模型。圖3為井漏風險的實時識別模型。
5)優(yōu)選國內(nèi)外符合標準的或公認的風險因素計算模型，開發(fā)了鉆井風險因素實時分析軟件，可以為風險推理分析提供實時計算的鉆井風險兇素值。由地質(zhì)力學風險因素分析、鉆柱力學風險因素分析、水力學風險因素分析、鉆井風險因素管理4個模塊組成。
6)在風險控制分析理論基礎上，建立了鉆井風險的控制模型，并在此模型基礎上開發(fā)了鉆井風險控制軟件，利用它可以計算分析各可控風險因素恰當?shù)目刂品秶?/font>
7)初步開發(fā)了鉆井數(shù)據(jù)的實時可視化模塊，能夠跟蹤實時數(shù)據(jù)顯示井眼軌跡，有助于技術(shù)人員判斷鉆井進程(圖4)。
8)在不同鉆井風險BP神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊綜合評價的診斷、預測模型基礎上，開發(fā)了鉆井風險實時診斷和預測分析軟件，利用鉆井風險因素分析結(jié)果與采集的鉆井實時數(shù)據(jù)，實時診斷及預測井下風險。
在我國某油田鉆井時，應用鉆井風險控制系統(tǒng)實時診斷鉆井狀態(tài)，分別對鉆井實時數(shù)據(jù)采集軟件、鉆井實時數(shù)據(jù)庫管理軟件、鉆井風險因素實時計算分析軟件和鉆井風險推理風險軟件進行現(xiàn)場測試(圖5、6)。以采集的鉆井實時數(shù)據(jù)為基礎，應用鉆井風險因素實時分析軟件計算井底壓力和地層壓力等參數(shù)，以鄰井資料作為井漏風險學習的樣本，判斷該井井漏風險，系統(tǒng)判斷該井在鉆至2823m時井漏風險可能性較大，當鉆進至2825m時技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)井底發(fā)生漏失，決定進行起鉆堵漏作業(yè)?，F(xiàn)場測試表明鉆井風險控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件與儀器測量儀器同步性好，數(shù)據(jù)庫設計合理，且井漏風險實時診斷預測結(jié)果與現(xiàn)場完全吻合。
3 結(jié)論
1)國外的風險控制系統(tǒng)建立在先進的風險管理、數(shù)據(jù)管理、隨鉆測量和可視化等技術(shù)的基礎上，已經(jīng)相當成熟。而國內(nèi)的同類軟件雖然在近些年來取得了很大的發(fā)展，但是距國外仍有相當大的差距。鑒于國外部分公司只服務不出售的現(xiàn)狀，國內(nèi)急需發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鉆井風險控制軟件。
2)鉆井風險控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕畧鰧崟r數(shù)據(jù)傳輸給基地，并存儲在數(shù)據(jù)庫服務器上，供客戶端軟件實時調(diào)用、瀏覽、分析，診斷預測各種鉆井風險，并能實時3D顯示井眼軌跡，達到鉆井風險控制的目的。
3)鉆井風險控制系統(tǒng)已實現(xiàn)鉆井數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與處理，且初步實現(xiàn)了井眼軌跡的可視化，并且開發(fā)了基于模糊綜合評價和BP神經(jīng)網(wǎng)絡法的實時診斷與預測子系統(tǒng)，能夠?qū)崟r診斷預測鉆井過程中的井漏、溢流、井塌和卡鉆等鉆井復雜情況。
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