基于趋势线的钻井工程异常预警方法

余华云，余泽禹 （长江大学计算机科学学院，湖北 荆州434023）

钻井工程异常预警是保障安全钻井的重要手段之一。目前，我国钻井工程异常预警基本是依赖综合录井仪对钻井工程参数、钻井液参数、气体参数、地层压力参数等进行实时监测［1］，综合录井操作人员通过设置单一的录井参数门限值和人工不间断监测参数曲线形态变化，进而发现录井参数异常并进行预警预报。而参数门限值设置合理性依赖综合录井操作人员录井经验和素质，人工不间断监测参数曲线形态变化则依赖综合录井操作人员的责任心，这样导致劳动强度增加和异常预报的及时性、准确性降低。下面，笔者通过对一些钻井工程异常预报方法的研究，提出了基于趋势线原理进行钻井工程异常自动预警方法，以解决上述问题。

1 钻井工程异常预警预报原理

在录井现场通过对钻井工程参数、钻井液参数、气体参数、地层压力参数等进行实时监测，及时发现因地面或地下异常而直接导致的相关录井参数变化而进行钻井异常预警预报［2］，为及早发现和处理钻井事故提供措施和决策依据。钻井工程参数包括大钩负荷、钻压、立压、泵冲、转盘转数、转盘扭矩、流量、钻时等［3］。钻井工程事故包括钻井液循环系统的刺扣、刺泵、堵塞、掉水眼；钻具的遇阻、遇卡、溜钻、断钻具、钻头掉牙轮。钻井液参数包括钻井液的进出口密度、温度、电导率、流量、钻井液体积等。钻井液参数的变化通常直接反映井下地层流体的活跃情况及井筒压力与地层压力的平衡情况，避免井喷、井漏等重大事故的发生，及时处理油气侵、盐侵、水侵，为顺利施工创造条件。气体参数主要反映地层内流体含气体浓度变化，主要包括全烃、组分、H2S、CO2等。气体参数异常预警能避免井喷着火事故和人员中毒事故发生。地层压力监测是为了发现异常高压地层。在油气勘探开发中，钻遇的异常高压常常导致井涌、井喷、井垮、卡钻等多种钻井工程事故的发生［4］。

各种钻井工程异常的检测见表1、表2和表3。

2 趋势线预报方法

趋势线预报方法就是通过将综合录井仪采集的各种钻井工程参数 （如悬重、扭矩、钻压、立管压力、套压、转盘转速、钻井液出口流量、钻井液池体积等）绘制成曲线，然后通过跟踪曲线形状的变化趋势来判定异常点从而进行预报的方法。

表1 钻井工程参数异常变化汇总表

表2 钻井液参数异常变化汇总表

首先，通过曲线的拐点确定异常预报点。在正常情况下，钻井工程参数曲线一般呈线性变化，如果在作业过程中，曲线轨迹发生较大的改变，即可认定发生改变点为异常预报时间点。具体有以下2个步骤：

1）通过单一钻井参数变化确定可能的预报点。钻井工程参数变化曲线形状主要有曲线的振幅、曲线上升和曲线下降 （拐点）3种变化形态，代表相应钻井工程参数的变化。笔者主要以曲线的振幅变化加以说明。曲线的振幅由强变弱或由弱变强说明受控参数发生异常变化，进而说明与该参数相关的工程作业状态发生改变。图1所示为曲线振幅变化处可能的异常预报点。图1中在不同的“泳道”采用不同的颜色曲线代表不同的钻井工程参数曲线。其中第1泳道，绿色代表悬重 （kN）、蓝色代表钻压 （kN）；第2泳道，绿色代表转速 （r／min）、蓝色代表扭矩 （kN／m）；第3泳道，红色代表立管压力 （MPa）、蓝色代表泵冲 （冲／min）；第4泳道为录井时间和井深；第5泳道，绿色代表入口密度 （g／cm3）、蓝色代表出口密度 （g／cm3）；第6泳道，绿色代表入口导电率 （s／m）、蓝色代表出口导电率 （s／m）；第7泳道，绿色代表入口温度 （℃）、蓝色代表出口温度 （℃）；第8泳道，绿色代表总池体积 （m3）、蓝色代表钻时 （min／m）。

表3 地层压力监测异常参数异常变化汇总表

图1 曲线振幅变化处的异常预报点

振幅拐点的判断较为简单，只需比较2个时间段的曲线振幅值之差是否超过异常预报极值即可。设异常判别周期为t（s），将判别周期分为这2个周期，然后对这2个周期的振幅进行比较，如果其振幅超过异常预报极值，则认为秒处为异常时间：

式中，Vt1max为t1周期（0到时间段）的振幅最大值；Vt1min为t1周期的振幅最小值；Vt2max为t2周期到t时间段）的振幅最大值；Vt2min为t2周期的振幅最小值；如果A＞A极，则表示异常。根据工程参数的不同，A极也会不同，A极为常量。

2）通过多曲线的振幅变化 （拐点）确定预报点。单一钻井工程参数变化，往往并不能准确判断钻井过程中产生了某种异常，且极易产生误报。为减少误报，笔者采用多参数综合预报的方法，即在同一页面展示多种不同参数曲线，如图2所示多曲线振幅的变化所表征的异常现象。

图2 多曲线振幅的变化所表征的异常现象

其次，滤波去噪。虽然通过曲线变化能很容易找出预报点，但由于实时工程参数不可避免存在一些噪音数据，如果直接预报将出现许多误报。为了更准确地找到预报点，需要去噪，去掉一些误报点。去噪主要是进行滤波处理，滤波算法可采用小波算法［5］。

最后，应用回归趋势线方法进行预警预报。尽管找到预报点，但2s内的数据变化预报在实际预报中仍然产生不少误报。为此，引入回归趋势线方法［6，7］进行预测。回归趋势线方法是对趋势线做回归分析，即利用线性回归方程的最小平方函数对一个或多个自变量和因变量之间关系进行建模的一种回归分析，该方法为统计学中常用的分析方法。经过现场反复实验，确定用20s、2min、4min为步长趋势回归线。其中20s趋势回归线定义为工程异常预报预警线，2min趋势回归线定义为工程异常预报确认线，4min趋势回归线定义为工程异常预报确定线，通过预警线、确认线、确定线实现对工程异常预警预报，如图3所示。从图3中可以看到，立压实时曲线中出现的游离单个或多个尖峰值经过趋势回归后而消失。这不仅克服了在过去异常预报软件采用门限值法会增加很多异常预报的缺陷［8］，而且预警预报只取决于数据采集仪器，避免人工干预产生的误差，使预警预报更加准确。

图3 立压原始曲线和20s、2min、4min为步长趋势线

3 应用实例

2012年2月到12月在吐哈油田的51口井进行了测试，测试结果见表4。

表4 2012年钻井工程异常预警系统测试结果

从表4中可见，共预报291次，符合实际次数286次，准确率达到98.2%。工程异常实时预警系统显著提高了综合录井综合预报技术水平。

4 结语

采用趋势线方法进行钻井工程异常预报，打破了设置门限报警、输入经验参数等传统的需要人工干预的报警方式；通过采用跟踪多曲线表示的多种钻井参数变化确定某种钻井工程异常预报点及预警线、确认线、确定线等全新的思路，不仅提高了预警预报的准确率，而且大大降低了误报率。目前，通过该方法编制的钻井工程异常预报软件系统已在中石油各钻探公司全面使用。

［1］ 王佑宁 .录井技术发展现状与展望 ［J］.录井工程，1998，9 （1）：1～5.

［2］ 吴俊杰 .钻井工程事故检测和预警方法研究 ［J］.录井工程2006，17（1）：53～55，70.

［3］ 谢辉 .浅谈录井信息的分类、意义、作用及应用 ［J］.录井工程，2004，15（4）：47～51.

［4］ 杨明清 .综合录井在俄罗斯钻井井控中的应用分析 ［J］.中外能源，2011，16（5）：74～76.

［5］ Wang H，So P，Yang S，et al.Numerical modeling of multicomponent induction well－logging tools in the cylindrically stratified anisotropic media ［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，2008，46 （4）：1134～1147.

［6］ Ebihara S，Inoue Y.Analysis of eccentered dipole antenna for borehole radar［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，2009，47 （4）：1073～1088.

［7］ Millison R R.3－D induction logging improves evaluation of low resistivity pay zones［J］.The American Oil＆ Gas Reporter，2001，9：129～153.

［8］ 姚文华 .钻井工程异常预警系统的设计与应用 ［J］.石油仪器，2011，25（1）：5～9.