煤层气水平井井壁坍塌实时监测与诊断系统

2014-02-17陈路原

天然气技术与经济 2014年5期

关键词：诊断模型录井诊断系统

陈路原

（中国石油化工股份有限公司华北分公司，河南郑州 450006）

煤层气水平井井壁坍塌实时监测与诊断系统

陈路原

（中国石油化工股份有限公司华北分公司，河南郑州 450006）

针对目前常用井壁坍塌监测手段是通过井下测量仪器实时采集数据，综合分析测井资料实现的，提出了一种有效利用地面测量数据实现对煤层气水平井井壁坍塌实时监测诊断的技术手段，基于支持向量机建立准确有效的诊断模型，并充分发挥了煤层气现有配套仪器的优势，在满足煤层气低成本开发的基础上，实现了井壁坍塌实时监测诊断。

煤层气水平井井壁坍塌监测诊断支持向量机

0 引言

煤层气欠平衡水平井技术是现今提高煤层气单井产量的主要技术手段之一。然而，煤岩与常规的油气储集岩相比，具有十分特殊的物理力学性质，煤层上多以泥页岩为盖层，当进行钻井施工时，井壁岩石水化膨胀或分散，导致井径大小的变化，在钻井完井过程中极易发生井壁坍塌事故，特别是在煤层气进行多分支水平井时，井壁坍塌事故时有发生［1-3］。为了降低井壁坍塌造成的损失，缩短非生产时间（NPT），就必须要采取具有针对性的监测及预防手段，及时对已发生的井壁坍塌事故进行报警并分析其产生风险的因素。

针对目前常用井壁坍塌监测手段是通过井下测量仪器实时采集数据，综合分析测井资料实现的，笔者提出了一种有效利用地面测量数据实现对煤层气水平井井壁坍塌实时监测诊断的技术手段，在深入研究井壁坍塌发生机理、井壁坍塌表征参数及其表征规律基础上，基于支持向量机建立准确有效的诊断模型，充分发挥现有仪器的优势，利用综合录井技术及配套软件实时监测诊断井壁坍塌，在钻井过程中及时对已经发生的井壁坍塌进行报警，分析产生风险的因素，为现场技术人员提供决策依据。这对于减少井下复杂事故的发生、降低储层损害与钻井成本、提高勘探与开发速度与效益均具有重要的现实意义［4］。

1 井壁坍塌监测诊断系统技术方案设计

系统整体技术方案设计主要包括：井壁坍塌实时监测诊断模型的建立、数据采集系统的设计与开发，以及井壁坍塌实时监测诊断软件系统的设计与开发。总体技术方案设计如图1所示。

图1 总体技术方案设计图

井壁坍塌实时监测诊断模型主要完成对环空ECD、摩阻／扭矩，以及比能等参数的计算，并基于支持向量机回归机算法对各参数进行综合评价分析，从而实现对井下参数的动态监测；在数据采集系统设计与开发部分，为了满足系统的数据需求，本系统对综合录井仪中部分传感器进行了配套选型，并基于WITS井场数据传输规范，设计和开发了配套的采集系统；井壁坍塌实时监测诊断软件系统

包括数据库管理模块、实时监测模块，以及实时诊断模块，能够实现对环空ECD、摩阻／扭矩，以及比能等参数的实时监测和动态分析，对井壁坍塌实时诊断。

2 基于SVM的井壁坍塌诊断模型

1）选取样本数据作为特征向量，并对特征向量进行归一化处理，减小由于输入参数量纲和单位的不同而产生的误差。

2）将1）中的训练样本数据输入到SVM分类器。利用网格搜索法确定最优惩罚因子C、不敏感损失参数ε，以及核函数中的相应参数。

3）输入经过处理的测试特征向量到SVM分类器中进行测试。

4）诊断结束后，详细记录结果并与实际情况做对比，保存模型。

2.2 诊断模型样本数据集的构建

通过分析井壁坍塌的表征现象及规律，总结优选出了3个主要表征参数作为特征向量：环空ECD、摩阻扭矩、比能。为了消除各参数不同量纲和单位的影响，对各参数进行线性归一化处理，将其转换到［0，1］的值。其线性归一化变换式为：

式中，xi是初始样本数据、-yi是归一化处理后的结果；xmax和xmin分别表示各组样初始样本数据中的最大值和最小值。

2.3 核函数的选择

庄子认为真正打动人的是言语背后的真诚，而不是虚有其表的华丽言辞。“道隐于小成，言隐于荣华”(《天道》)，“真者，精诚之至也。不精不诚，不能动人”(《渔父》)。庄子的“说”饱含人生的智慧，它突破一张大网，解放出鲜活的性灵。“无谓有谓，有谓无谓”，没说等于说了，说了等于没说。庄子将辩与不辩，言与不言已经齐一了。老庄正言若反，正话反说这一模式，正是对道家口语传播理念最好的阐释。

由于井壁坍塌诊断属于非线性问题，利用径向基函数擅长解决非线性问题，同时具有较少的超参数和更少的数学问题的优点［5］，因此，采用了径向基核函数。

2.4 参数选择

将最优惩罚因子C、不敏感损失参数ε，以及核函数中的相应参数看作是一个规划问题，利用网格搜索法确定在一定的范围内对该规划问题划分网格，网格线的交点就是一个规划方案。以固定的步长逐点地计算各个方案的性能指标，交叉验证，最终优选出最佳的参数组合。

3 煤层气水平井井壁坍塌实时监测诊断系统

3.1 煤层气水平井井壁坍塌实时监测诊断系统总体架构

基于WITS数据传输机理设计一套与井壁坍塌监测诊断系统相配套的实时数据采集系统，能够实现对实时数据进行采集、处理及存储的功能；同时，该系统应具有良好的人机互交功能及数据库管理功能，具有开放式数据接口，实现与外网连接，为管理人员、专家以及领导提供数据的实时查询、分析和处理提供了有效依据。煤层气水平井井壁坍塌监测诊断系统总体框架如图2所示。

图2 煤层气水平井井壁坍塌监测诊断系统总体框架图

3.2 实时数据采集传输系统设计

根据笔者所设计的监测诊断系统的数据传输需要，对比现有传输模式的优缺点，最终选择了井场信息传输规范（WITS）。笔者分别设计了实时传输和实时接收两大功能模块。其中，实时传输功能模块主要用于模拟现场综合录井仪WITS服务器实时传输综合录井仪实时采集数据的数据传输功能；实时接收功能模块主要完成WITS0数据接收，对已接收WITS0数据的解码以及解码后数据的入库操作，从而实现基于WITS数据采集系统的数据采集功能。

3.3 井壁坍塌监测诊断系统软件设计

根据对现场实际需求的分析，煤层气水平井井壁坍塌实时监测诊断系统软件设计主要包括了数据采集软件、数据管理软件、实时监测软件、实时诊断软件。系统的总体架构设计如图3所示。

图3 井壁坍塌实时监测系统总体架构设计图

通过对煤层气水平井井壁坍塌监测诊断系统工艺流程的分析，确定相应的监测参数，以C#编程语言完成煤层气水平井井壁坍塌监测诊断软件系统的开发。该监测诊断系统中实时数据采集软件系统主要完成综合录井仪实时测量数据的采集，进而实现井壁坍塌诊断软件系统与综合录井仪的无缝连接；数据库管理软件主要完成井基础数1据管理，综合录井数据管理，风险诊断数据管理等功能；实时监测软件系统主要负责对综合录井数据采集和实时诊断结果的实时更新和显示；诊断模型建立软件系统主要完成基于向量机的井壁坍塌诊断模型的建立。实时监测软件如图4所示。