钻井工程预报.ppt

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1、钻井工程预报 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望内容提要内容提要. .概述；概述；. .主要钻井工程事故简介；主要钻井工程事故简介；. . 工程工程预报的发展；预报的发展；. .钻井工程预警专家系统介绍；钻井工程预警专家系统介绍；. . 异常预报实例；异常预报实例；. .地层压力监测与预报；地层压力监测与预报； 概 述 众所周知，石油钻探是一项风险性强、耗资巨大的系统工程；在钻井施工过程当中，工程事故随时都有可能发生，是钻井安全的最大隐患。资料显示，

2、每年钻探施工中事故处理时间占总时间的68%，同时造成了巨额的资金浪费。 概 述 如今，HSE已深入人心，工程安全也显得尤其重要，重庆开县12.23重大井喷事故为我们敲响了警钟，如何更好的为石油地质和钻井工程两方面服务正成为录井行业的重要任务。 概 述 长期以来，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。随着综合录井和计算机技术的迅猛发展，如果能有一套完整的预警系统在工程事故发生的早期，给出某种程度、某种意义上的报警，则对于控制事故的发展，最大限度地减少损失，具有重大意义。 不断发展的钻井技术的要求钻速不断加快钻井工艺越来越复杂风险加大新的钻井模式管理的要求随着国家可持续性发展战略的制

3、定以及石油行业大力推行HSE管理体系的大环境的形成，以人为本、安全工作、保护环境的观念逐渐深入人心。为保证HSE方针和目标的成功实现，作为石油勘探行业的重要组成部分，综合录井本身也必须在工程安全方面作出自己的贡献。石油市场国际化的要求目前，石油市场国际化的大趋势已日益明显，综合录井面向海外的服务成为行业发展新的增长点，越来越多的国内录井队伍进入国际市场，由于文化和体制的差异以及经验不足，在国外录井作业过程中遇到了一些困难；特别是国际市场对于工程安全方面有着非常严格的要求，必须在这方面做很多工作。综合录井本身的发展的要求自90年代末期开始，随着国内石油行业体制的变化，录井技术更加强调为油公司（甲

4、方）服务，即为勘探和开发服务。就目前综合录井的技术发展态势看，所面临的挑战越来越多、越来越大，形势十分严峻。内容提要内容提要. .概述；概述；. .主要钻井工程事故简介；主要钻井工程事故简介；. . 工程工程预报的发展；预报的发展；. .钻井工程预警专家系统介绍；钻井工程预警专家系统介绍；. . 异常预报实例；异常预报实例；. .地层压力监测与预报；地层压力监测与预报； 四四、 主主要要异异常常预预报报类类型型与与实实时时参参数数逻逻辑辑关关系系表表 异常类型 WOH WOB Torque SPP ROP HOH DrillCost PVT SPM Flow_Out MW_Out TG H2S

5、 井涌 井漏 刺钻具 刺泵 掉水眼 堵水眼 溜钻 放空 卡钻 0 遇阻 0 跳钻 断钻具 井壁垮塌 钻头寿命终结 快钻时 慢钻时 大钩超高 H2S 内容提要内容提要. .概述；概述；. .主要钻井工程事故简介；主要钻井工程事故简介；. . 工程工程预报的发展；预报的发展；. .钻井工程预警专家系统介绍；钻井工程预警专家系统介绍；. . 异常预报实例；异常预报实例；. .地层压力监测与预报；地层压力监测与预报；综合录井工程预报的现状综合录井在工程预报方面的应用经历了一个从无到综合录井在工程预报方面的应用经历了一个从无到有，从简单的参数报警到较复杂的事故预警的发展阶段；有，从简单的参数报警到较复杂

6、的事故预警的发展阶段；但从国内录井行业的总体情况来看，目前尚没有一个完但从国内录井行业的总体情况来看，目前尚没有一个完整的、全面的又能反映工程事故复杂多变特性的自动预整的、全面的又能反映工程事故复杂多变特性的自动预报系统和方法，无法当前满足钻井技术的飞速发展的需报系统和方法，无法当前满足钻井技术的飞速发展的需要。要。目前常用的预告方法有以下几种： 1.1.参数异常报警；参数异常报警；常用的预告方法介绍2.2.工程事故人工经验报警；工程事故人工经验报警；3.3.工程事故工程事故“二值逻辑二值逻辑”方式报警；方式报警；传统预警方法及缺陷 原理：参数异常报警是采用单一参量、单一门限的逻辑判别方式，通

7、过设置某些参数的上下限来对该参数进行报警。 缺陷：这种报警方法虽然可以进行各种方式的自动报警，但过于简单、单调，只能对某些参数是否超限进行报警，并不能进行确切的工程事故报警。传统预警方法及缺陷 原理：该报警方法是最传统的工程事故报警方法，它要求操作人员能够仔细观察和了解工程等各方面参数的变化趋势，然后依靠自己多年来积累的经验对某些工程事故进行报警。 缺陷：这种报警方法要求操作人员要有足够的判别工程事故发生的经验并且全部由人工完成，无疑增加了操作人员的负担，也不能跟上录井和计算机技术迅猛发展的步伐。 原理：二值（1 1和0 0），即是数值逻辑中常用的两个开关量。1 1：成立（真），0 0：不成立

8、（假）。 设命题 f(x1) 代表第一个参数增大，命题 f(x2) 代表第二个参数增大，命题 f(y) 代表工程事故，那么二值逻辑判别规则为： 定义 x10.4 时第一个命题 f(x1) 成立，x20.35 时第二个命题 f(x2) 成立，则有如下二值逻辑表达式： 4 . 0104 . 011)1(xxxf， 35. 02035. 021)2(xxxf， ，没没有有发发生生，事事故故发发生生01)( yf if f(x1) and f(x2) then f(y)； 由以上几个表达式可得出如下具体的表达式： if x10.4 and x20.35 then f(y)=1；传统预警方法及缺陷传统预

9、警方法及缺陷 下面的图片形象的表示了上面所说的参数 x1 和 x2 在相应区间变化时所得到的输出曲面。 缺陷：这种报警方法虽然能依靠“二值逻辑”方法和计算机技术实现自动化报警，但从原理不难看出，这种方法的判别结果只有两个：事故发生和未发生，不能提供事故发生的程度信息，如果改变参数的门限值，其结果将使上图中的台阶前后移动，这只能导致虚警率、漏警率的变化。现有预告方法的缺陷 人为因素的影响过大操作员的经验和水平影响；操作员责任心的影响；设备性能的影响单一参数自动化，而非事故自动化预告；方法不科学手段过于单一；非自动化；非连续化；录井信息利用率低内容提要内容提要. .概述；概述；. .主要钻井工程事

10、故简介；主要钻井工程事故简介；. . 工程工程预报的发展；预报的发展；. .钻井工程预警专家系统介绍；钻井工程预警专家系统介绍；. . 异常预报实例；异常预报实例；. .地层压力监测与预报；地层压力监测与预报；什么是专家系统专家系统是一个含有大量某个领域专家水平的知识与经验的智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。什么是专家系统p启发性：专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。p透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的

11、信赖感。p灵活性：专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。什么是专家系统分为解释、预测、诊断、设计、规划、监视、控制、调试、教学、修理、决策、咨询等多种类型。从钻井工程预警的特点考虑，我们主要关注以下类专家系统：监视专家系统任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。特点系统具有快速反应能力，发出的警报要有很高的准确性，能够动态地处理其输入信息。什么是专家系统预测专家系统任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。特点系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全，系统需要有适应时间变化的动态模型。解释专

12、家系统任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况特点数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设，推理过程可能很复杂和很长。什么是专家系统人机交互、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分。专家系统基本结构 专家系统的工作原理专家系统工作流程 专家系统还可以通过解释器向用户解释以下问题：系统为什么要向用户提出该问题（Why）？计算机是如何得出最终结论的（How）？领域专家或知识工程师通过专门的软件工具，或编程实现专家系统中知识的获取，不断地充实和完善知识库中的知识。什么是专家系统系统的决策树 举动物识别专家系统的例子。这里

13、，我们以一个简单的“动物识别专家系统”为例，初步认识专家系统的工作机制及系统特点。该系统的知识库是一个产生式规则的集合。钻井工程事故预警是一个长期、连续的过程，关键参数的细微变化往往就是事故发生的前兆，录井操作人员必须时刻关注钻井参数的变化，而单纯依靠人工和简单的参数监测是无法准确预告事故的。专家系统可以高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作，解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。而且通过对知识库升级可以不断吸收新的专家知识与经验，使系统的预警能力逐渐增强，从而达到准确预告钻井复杂情况和事故的目的。钻井工程事故预警专家系统根据钻井现场实际情况，总结各种事故的发生规律，运用模

14、糊数学及人工智能理论建立工程事故发生的数学模型，实时分析各种工程参数的变化趋势和工程事故发生的动态概率，能有效地提高钻井工程事故预警水平，保证工程安全进行！设计目标知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。系统知识库的构建输入信息观测的表示；推理结论的表示；推理规则的表示；推理过程的表示。系统知识库的构建系统的设计知识的使用和决策解释要素事故知识库的定义；事故结论的分级与选择；事故决策的解释定义。专家系统的构建过程首先要确定专家系统各组成部分的

15、构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。 系统知识库的构建系统知识库的构建系统知识库的构建问题知识化辨别所研究问题的实质 知识概念化即概括工程事故所需要的关键概念及其数据关系 概念形式化即确定用来组织事故模型的数据结构形式形式规则化即编制事故预警规则 规则合法化即确认规则化了事故模型的合理性 知识获取机制的构建 专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。确定系统知识获取机制，主要通过以下途径： 来自于专家的事故预报理论。

16、录井人员现场的使用经验。 钻井事故发生时对应的数据。事故推理机的构建 事故推理机的理论依据来源于模糊数学理论，因为工程事故具有模糊性、随机性和不确定性的特点, 所以对工程事故不能通过常规的数学方法进行简单的定性判断，必须通过特殊的方法进行推理，而模糊数学正是解决这一难题的最佳选择。 模糊数学是研究和处理模糊性现象的数学。这里所谓的模糊性，主要是指客观事物的差异在中介过渡时所呈现的“亦此亦彼”性。而传统数学的普通集合论却只能表现“非此即彼”的现象。 模糊数学不是让数学变成模模糊糊的东西，而是要让数学进入模糊现象这个禁区，从而解释这种现象；模糊数学把传统数学从二值逻辑的基础扩展到连续值上来，本身具

17、有着深远的意义。事故推理机的构建 模糊数学中用隶属程度来描述客观事务差异的中介过渡，这种隶属程度是用精确的数学语言对模糊性的一种描述。 给定论域U上的一个模糊子集A，是指对于任意uU，都指定了一个数A(u)0，1，叫做u对A的隶属程度。映射A：U0，1，uA(u)，叫做A的隶属函数。通常情况下，每一个隶属函数都有自己的数学表达式，这些表达式也都有相应的曲线形态，常用三角形、钟形或梯形表示。 通俗来讲，隶属函数就是指某种属性的程度，这个程度的最大值一般设为1 1。 事故推理机的构建 例（一）例（一）以年龄作为论域，青年作为该论域上的一个模糊子集，即年龄和青年的相互关系为： 01.0 14 18

18、28 32 岁岁 青年青年0.2515事故推理机的构建 例（二）例（二）温度和感觉 01.010 18 25 30 冷冷适中适中热热270.40.6事故推理机的构建 在进行建模时首先要搞清楚要为哪一个工程事故建立数学模型、这种工程事故发生的规律是什么、影响这种工程事故发生的主要以及次要工程参数是哪几个等等；接着我们就要用一种叫做隶属函数的图形来表达各种工程参数、工程事故变化的趋势及程度；最后促成整个模型的成立。 这里所说的隶属函数抽象为某种属性的程度，它是有三角形、梯形或者钟形等多种图形组成的一个复合图形，并且根据设置的变化，该函数应该能够包含所有属性的程度。 事故推理机的构建 结论：结论：

19、从以上两个实例的隶属函数形态及其意义可以看出，用模糊数学的方法可以表达客观事物的差异在中介过渡时所呈现的“亦此亦彼”性，这完全可以描述在复杂多变的钻井工程事故发生前期总池体积、出口流量以及立管压力等多个参数的变化情况，从而得出相应工程事故的报警。 事故推理机的构建 推理过程就是把参数的变化量经过推理机转化成事故发生程度的数值输出，从而进行报警。 参数1变化量X1参数2变化量X2参数n变化量Xn事故程度f(X1,X2Xn)f(X1,X2Xn)推理机事故推理机的构建 本系统不仅能够实时观测各项工程参数的变化趋势，为工作人员提供相应的报警提示，减轻工作人员的负担，更重要的是它采用模糊模型的方式进行工

20、程事故的报警，不仅完成了报警方式的自动化功能，还融合了技术人员判别工程事故的经验 。 本系统输出曲面如下图所示，该曲面不象前面“二值逻辑”展现出来的台阶状，而是一个连续的曲面，从而反映出了工程事故发生的程度信息。事故推理机的构建事故解释器的构建事故解释器主要是对用户对于事故的判断过程而提出的问提，就结论、求解过程做出说明，因而用户对事故的发生和发展能得到更加详细的了解。 专家系统工作过程信息来源于对参数的采集和预处理，通过模糊化过程进入事故处理过程。 模糊化的过程实际上就是确定模糊变量的过程。在这个过程中首先要找出判别该工程事故的主要参数，然后根据实际工作经验建立起各个参数的隶属函数，最后根据

21、参数的变化情况应用到隶属函数得出模糊变量。事故推理过程是用模糊化出来的模糊变量去激活模糊推理规则，最后利用模糊数学可加性原则得出事故隶属函数形态的最小化叠加结果。专家系统工作过程 通过知识库进行推理规则指定； 事故隶属函数建立； 推理规则激活； 事故解释过程；事故推理和解释结论产生以及各种输出（图、文、多媒体）的实现。包括以下内容：*图形（或动画）显示的事故信息*曲线方式显示事故的变化趋势*事故的声音报警*动态提示* 事故相关数据的显示专家系统工作过程 原型机的开发与试验 在选定知识表达方法之后，即可着手建立整个系统所需要的实验子集，它包括整个模型的典型知识，而且只涉及与试验有关的足够简单的任

22、务和推理过程。 知识库的改进与归纳 反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出更完善的结果。经过相当长时间(例如数月至二、三年)的努力，使系统在一定范围内达到人类专家的水平。专家系统的完善井涌专家模型实例1.1.模糊化模糊化2.2.模糊推理模糊推理3.3.反模糊反模糊4.4.求加分求加分5.5.预警输出预警输出井涌专家模型实例 模糊化的过程实际上就是确定模糊变量的过程。在这个过程中首先要找出判别该工程事故的主要参数，然后根据实际工作经验建立起各个参数的隶属函数，最后根据参数的变化情况应用到隶属函数得出模糊变量。 判别井涌的参数有出口流量、总体积、套管压力、出口密度以及出口电导等，这里我们考察一

23、段时间内出口流量上升百分比和总体积上升量。 首先定义一组模糊子集：“无”、“小”、“中”、“大”，分别代表出口流量和总体积的上升程度以及井涌发生的大小程度。井涌专家模型实例隶属函数形态总体积出口流量1.00 0.3 0.5 0.7 0.9 1.3 1.8 立方米立方米 无 小 中 大1.0 0 3 7 11 12 16 无 小 中 大井涌专家模型实例1.00 0.3 0.5 0.7 0.9 1.3 1.8 立方米立方米 无 小 中 大1.0 0 3 7 11 12 16 无 小 中 大 0.8 立方米总体积上升上升 9出口流量0.89总体积上升中总体积上升小出口流量上升中出口流量上升小井涌专家

24、模型实例推理过程是用模糊化出来的模糊变量去激活模糊推理规则，最后利用模糊数学可加性原则得出事故隶属函数形态的最小化叠加结果。推理规则指定推理规则指定推理规则激活推理规则激活事故隶属函数建立事故隶属函数建立事故图形生成事故图形生成井涌专家模型实例中电集团二十二所推理规则指定 模糊推理规则需要由有一定判别工程事故经验的技术人员来创建，它是整个模糊推理过程中很重要的一块内容，规则的基本内容是 ：if x is A and y is B then z is C 其中x，y为参数1和参数2及其变化特征，z为事故，A，B，C是模糊子集（无小中大等）。 例如井涌的一条推理规则描述及整个推理规则为： 如果 出

25、口流量上升 中 并且 总体积上升 中 则 井涌 大 x A y B z C 井涌专家模型实例中电集团二十二所推理规则指定体积上升体积上升井涌程度井涌程度流量上升流量上升井涌专家模型实例推理规则激活总体积上升中总体积上升小出口流量上升中出口流量上升小体积上升体积上升井涌程度井涌程度流量上升流量上升井涌专家模型实例事故隶属函数建立井涌1.00 0.1 0.3 0.7 0.8 0.92 1.0无无 小小 中中 大大 很大很大 隶属度隶属度 程程 度度井涌模糊模型实例事故图形生成 按照模糊数学理论，规则“如果 出口流量上升 小 并且 总体积上升 小 则 井涌 小”生成井涌图形：小 小 小1.0 1.0

26、 1.00 0.3 0.9 立方米立方米 3 11 0 0.1 0.7 1 0.8 9 总体积 出口流量 井涌井涌专家模型实例事故图形生成 把四条激活的规则生成的图形进行叠加1.00 0.1 0.3 0.7 0.8 0.92 1.0无无 小小 中中 大大 很大很大 井涌专家模型实例对叠加后的事故图形进行求质心的过程就是事故解释过程，实际上就是分析事故的发生概率。 212XX1)(XXXXdXdXXXf质质心心井 涌：X质心0.51井涌专家模型实例 对于那些对事故判别稍有影响的参数，还可以再根据实际情况设定一些加分函数。分值0 起点 拐点 单位 井涌：出口密度作用于加分函数得X加分0.02。井涌

27、专家模型实例报警级别划分 0 0.23 0.57 0.78 1.0不报警不报警 一级报警一级报警 二级二级 三级三级 井 涌X质心0.51X加分0.02井涌一级报警专家系统的优势专家系统与传统的报警方式相比，具有以下专家系统与传统的报警方式相比，具有以下优势：优势：采用专家系统进行工程事故的报警，不仅完采用专家系统进行工程事故的报警，不仅完成了报警方式的自动化功能，更重要的事它融合成了报警方式的自动化功能，更重要的事它融合了技术人员判别工程事故的经验；了技术人员判别工程事故的经验；具有事故早期发现能力，在事故形成初期发具有事故早期发现能力，在事故形成初期发现事故的苗头，在其尚未形成时便将其排除

28、。现事故的苗头，在其尚未形成时便将其排除。采用模糊推理的方式不仅具有很好的过渡性，采用模糊推理的方式不仅具有很好的过渡性，还确切反映了客观事物的程度信息和交叉渐变特还确切反映了客观事物的程度信息和交叉渐变特性；性；内容提要内容提要. .概述；概述；. .主要钻井工程事故简介；主要钻井工程事故简介；. . 工程工程预报的发展；预报的发展；. .钻井工程预警专家系统介绍；钻井工程预警专家系统介绍；. . 异常预报实例；异常预报实例；. .地层压力监测与预报；地层压力监测与预报；文测井，卡钻遇阻：大钩负荷和扭矩出文测井，卡钻遇阻：大钩负荷和扭矩出现异常变化情况，小班根据预报情况汇报技术员，经核现异常

29、变化情况，小班根据预报情况汇报技术员，经核查确实有卡钻的苗头，井队采取了相应的预防措施查确实有卡钻的苗头，井队采取了相应的预防措施。正正确。确。异常时间2006-03-19 00:37:06预警时间2006-03-19 00:38:09预警级别1级井深2030.18m异常时参数变化情况大钩负荷跳变逐渐加大，出口流量变化明显。 20052005年年9 9月月1414日日1414：0606，井深钻至，井深钻至28002800米时，系统米时，系统进行进行“钻头磨损钻头磨损”二级报警，经井队查实正确。二级报警，经井队查实正确。异常时间2006-03-19 06:51:40预警时间2006-03-19 06:51:47预警级别2级井深2076.17m异常时参数变化情况分钟钻米出现下降，大钩负荷变化大。内容提要内容提要. .概述；概述；. .主要钻井工程事故简介；主要钻井工程事故简介；. . 工程工程预报的发展；预报的发展；. .钻井工程预警专家系统介绍；钻井工程预警专家系统介绍；. . 异常预报实例；异常预报实例；. .地层压力监测与预报；地层压力监测与预报；