CN107035328B - 一种控压钻井节流回压控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控压钻井节流回压控制的方法，包括：获取控压钻井的第m时刻井口回压值P_m1，与设定的理想压力值作差，将差值ΔP与设定的偏差值比较，得出合适的压力控制量，再利用改进Squeezer聚类算法，得出质心方程，即为最优压力控制方程，根据计算得到合理的压力控制量，控制节流阀。本发明以井口回压为输入变量，采用基于改进Squeezer聚类算法的控制方法，解决由于钻井液流量波动，所造成的数据不准确、数据模型复杂，需要对数据反复的调整，对地面节流回压缺乏指导性控制，增加作业时间和增加钻井的成本等问题。同时避免系统滞后所带来的系统的不稳定，进而将井口回压控制在工程允许的波动范围之内，达到精确控制井底压力的目的。

Description

一种控压钻井节流回压控制的方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发技术领域，尤其涉及一种控压钻井节流回压控制的方法。

背景技术

21世纪初，国外在欠平衡钻井和气体钻井的基础之上提出了控压钻进技术，其目的是为了确定井底压力，并控制井筒环空压力，能够有效地解决深井复杂井钻探过程之中出现的卡钻、漏失等问题和窄密度窗口钻井过程之中遇到复杂的钻井事故。通过控制井底压力来降低重大钻井事故发生的概率，减少NPT(非生产时间)，同时提高钻井工作效率。因此，实时、快速而准确的控制井底压力对避免井下复杂事故和对控压钻井技术的推广有着重要的意义。

目前，井底压力的数据采集，通常是由随钻井底环空压力测量仪(APWD)或者随钻压力测量仪(PWD)进行测量的，但是使用费用十分昂贵，而且在一些特殊井中无法正常的使用，同时被少数的技术公司所垄断，在一定程度上制约了控压钻井技术的发展。作为控压钻井的关键技术之一的井口回压控制技术就发挥了很大作用，当井底压力发生变化的时候，通过调节井口回压，能够快速的控制井底压力的波动。井口回压的产生是由于节流阀的作用，通过使用节流阀来改变通过节流管汇的钻井液的压降，进而改变井口回压的大小。

现阶段，大多文献都在研究节流阀两端压差与节流阀相对开度之间的曲线关系，进而建立控压钻井节流回压的控制模型，由于这种曲线关系存在着严重的非线性关系，无法用准确的数学模型进行表示，传统的PID技术无法进行控制，同时这种曲线关系受钻井液流量波动影响较大。这样会造成数据不准确、数据波动大、数据模型复杂等特点，对地面节流回压的控制就缺乏指导性，需要对数据反复的调整，增加了作业时间和增加了钻井的成本。

发明内容

本发明以井口回压为输入变量，采用基于改进Squeezer聚类算法的控制方法，解决由于钻井液流量波动，所造成的数据不准确、数据模型复杂，需要对数据反复的调整，对地面节流回压缺乏指导性控制，增加作业时间和增加钻井的成本等问题。

一种控压钻井节流回压控制的方法，该方法包括以下的步骤：

(a)、获取控压钻井的第m时刻井口回压值P_m1，m＝0、1……N，N为正整数；

(b)、将获取的井口回压值P_m1与设定的理想压力值P₂作差，得到压力改变量ΔP＝|P_m1-P₂|；

(c)、计算合理的压力控制量：

(c1)、设定偏差值P₃和压力改变量ΔP作比较：如果ΔP＞P₃，则压力控制量为ΔP-P₃，对压力控制量ΔP-P₃进行拟合，得到曲线方程模型y₁，y₁＝f₁[f_1i(t)，ξ](i＝1、2……N，N为正整数)；如果ΔP＜P₃，则压力控制量为ΔP，对压力控制量ΔP进行拟合，得到曲线方程模型y₂，y₂＝f₂[f_2j(t)，ξ](j＝1、2……N，N为正整数)：

所述ξ为根据工程实际需要确定的随机误差的正态分布；

其中，y_n＝f_n[●]为曲线方程模型n(n＝1、2)；

f_1i(t)为曲线方程模型1中的第i条压力控制量ΔP-P₃随时间变化的曲线；

f_2j(t)为曲线方程模型2中的第j条压力控制量ΔP随时间变化的曲线；

(c2)、利用改进Squeezer聚类算法确定模型集合的质心方程y，y＝f(t)，所述模型集合由曲线方程模型y₁和曲线方程模型y₂组成；

根据实际工程需要，确定精度阈值，将所述精度阈值所为模型集合的半径，同时作为质心的止动阈值；

质心方程y＝f(t)是模型集合中到各曲线距离之和最小的一条；

(c3)、根据所述质心方程的变化趋势，确定压力控制量，根据压力控制量，控制节流阀开度，同时对步骤(b)的理想压力值P₂和步骤(c1)中的设定偏差值P₃进行更新。

进一步地，如上所述的控压钻井节流回压控制的方法，控压钻井正常实施的时候，由安装在井口的压力传感器采集井口回压值，再将计算处理之后的压力控制量按时间顺序展示在主控计算机上，再建立两个曲线方程模型。

进一步地，如上所述的控压钻井节流回压控制的方法，所述运用改进Squeezer聚类算法确定模型集合的质心方程y，即模型集合中某一曲线到各曲线距离之和最小的曲线。

所述改进Squeezer聚类算法其参考文献为：《系统仿真学报》2009年11月第21卷第22期《多元线性回归模型的聚类分析方法研究》王惠文等。该算法重点突出在选用了精度阈值和确定质心方程的方法。精度阈值的选定，同时确定了半径，防止聚类结果不断扩容，提高聚类的精度。将模型集合中某一条曲线到其他曲线距离之和最小的一个定义为确定质心方程的方法，这种方法能够减小由于数据波动造成在曲线拟合过程中，模型集合中某些曲线的拟合误差，进一步提高质心方程的准确性。

本发明提供的一种控压钻井节流回压控制的方法，相比于现有技术有益效果如下：

(1)用对井口回压的控制来间接控制井底压力值，不需要用PWD实时采集井底压力，减少钻井成本；也不需要利用邻井数据进行样本训练来获取数据模型，数据来源更加可靠、安全；而井口回压值可从安装在井口的压力传感器获得，监测及时方便、精确度较高，对井口回压的调节作用能够快速的传达至井底，能够应对各种复杂的井下状况。

(2)将获取的井口回压值与设定理想压力值作差，同时与设定的偏差量比较，根据比较结果自动划分为两类模型，提高聚类的运算速度，这就对现场的主控计算机性能要求低，更加符合现场复杂的环境的使用。

(3)根据压力控制量随时间变化的特点，建立曲线方程模型，并使用聚类算法找到质心方程，根据在质心方程的变化确定某一时刻的压力控制量，根据压力控制量调节节流阀，减少因计算不准确，而反复调节节流阀所带来的经济损失。

(4)根据实际工程需要，设定精度阈值和随机误差ξ的正态分布，将距离小于阈值的归为一类，进一步缩小两类模型的半径，去掉误差较大的曲线；同时阈值也将作为模型集合的止动阈值，能够有效地抑制质心波动，控制模型集合半径，进一步去掉误差较大的曲线，有效地提高质心方程的准确度，从而提高压力控制量的精确度。

附图说明

图1为本发明控压钻井节流回压控制的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过在实施控压钻井的工程之中，将实测数据与设定理想压力值作差，同时与设定偏差值比较，得到两种压力控制量与时间的关系曲线，建立两组方程模型，利用改进Squeezer聚类算法找到模型集合的质心方程，根据质心方程的变化趋势，确定压力控制量，根据压力控制量确定节流阀的控制。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

一种控压钻井节流回压控制的方法，该方法包括以下的步骤：

(a)、获取控压钻井的第m时刻井口回压值P_m1，m＝0、1……N，N为正整数；

(b)、将获取的井口回压值P_m1与设定的理想压力值P₂作差，得到压力改变量ΔP＝|P_m1-P₂|；

(c)、计算合理的压力控制量：

(c1)、设定偏差值P₃和压力改变量ΔP作比较：如果ΔP＞P₃，则压力控制量为ΔP-P₃，对压力控制量ΔP-P₃进行拟合，得到曲线方程模型y₁，y₁＝f₁[f_1i(t)，ξ](i＝1、2……N，N为正整数)；如果ΔP＜P₃，则压力控制量为ΔP，对压力控制量ΔP进行拟合，得到曲线方程模型y₂，y₂＝f₂[f_2j(t)，ξ](j＝1、2……N，N为正整数)：

所述ξ为根据工程实际需要确定的随机误差的正态分布；

其中，y_n＝f_n[●]为曲线方程模型n(n＝1、2)；

f_1i(t)为曲线方程模型1中的第i条压力控制量ΔP-P₃随时间变化的曲线；

f_2j(t)为曲线方程模型2中的第j条压力控制量ΔP随时间变化的曲线；

(c2)、利用改进Squeezer聚类算法确定模型集合的质心方程y，y＝f(t)，所述模型集合由曲线方程模型y₁和曲线方程模型y₂组成；

根据实际工程需要，确定精度阈值，将所述精度阈值所为模型集合的半径，同时作为质心的止动阈值；

质心方程y＝f(t)是模型集合中到各曲线距离之和最小的一条；

(c3)、根据所述质心方程的变化趋势，确定压力控制量，根据压力控制量，控制节流阀开度，同时对步骤(b)的理想压力值P₂和步骤(c1)中的设定偏差值P₃进行更新。

控压钻井正常实施的时候，由安装在井口的压力传感器采集井口回压值，再将计算处理之后的压力控制量按时间顺序展示在主控计算机上，再建立两个曲线方程模型。

所述运用改进Squeezer聚类算法确定模型集合的质心方程y，即模型集合中某一曲线到各曲线距离之和最小的曲线。

本发明根据工程现场的实际情况来确定模型集合的精度阈值，精确阈值将作为模型集合的半径阈值，目的是将两个曲线方程模型半径控制在一定的范围之内，忽略距离大于阈值的曲线，防止样本数据出现“链条效应”而使类不断扩容；同时阈值也将作为模型集合的质心止动阈值，使模型集合的质心停止变动，根据聚类算法找到符合条件的质心曲线，进一步同时除去波动误差较大的曲线，减小由于数据波动大带来的误差，提高质心方程的精确度。

实施例

下面截取XX油田YY井，井深5000m，在462963s～463465s时间段控压钻井为例，使用型号为ZZ的控压钻井节流阀，在其有效行程的30％～80％开度范围内，进出口压差为线性关系，以此为例来对本发明进行说明。

(1)、实施控压钻井的过程之中，将数据采集器实时采集的井口回压的数据和设定理想压力值做差；

(2)、将差值与设定偏差值作比较，确定压力控制量，同时将压力控制量按时间顺序，显示在主控计算机上，并对两组数据进行拟合；

(3)、利用改进Squeezer聚类算法，根据工程实际，确定精度阈值和随机误差ξ的正态分布，确定该模型集合的质心方程：y＝at+b；

(4)、根据实际钻井施工的特点，设定ξ～N(0，0.005)，精度阈值为0.05；

(5)、利用改进Squeezer聚类算法，找到质心方程，即为y＝0.012759t-5903.16+0.005；

(6)、利用质心方程计算第463067s时的压力控制量为5.11686，回压控制误差为0.45Mpa，根据PWD实测数据，当对井口回压进行控制约4s之后，井底压力值明显降低，根据钻井液在第463067s时的排量和此时的阀门开度，根据该阀门的进出口压力传感器测得数据的差值为5.1309；

(7)、根据质心方程，确定某一时刻的压力控制量，控制节流阀开度。

本实施例将本发明方法计算得到的数据和实际测量数据进行对比，结果说明：采用本发明所提供的控压钻井节流回压的方法能够准确的得出某一时刻的压力控制量，根据得出的合理控制量对节流阀进行控制，能够将回压控制误差控制在合理的范围之内，同时可测得井底压力值明显降低。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种控压钻井节流回压控制的方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：

(a)、获取控压钻井的第m时刻井口回压值P_m1，m＝0、1......N，N为正整数；

(b)、将获取的井口回压值P_m1与设定的理想压力值P₂作差，得到压力改变量ΔP＝|P_m1-P₂|；

(c)、计算合理的压力控制量：

(c1)、设定偏差值P₃和压力改变量ΔP作比较：如果ΔP＞P₃，则压力控制量为ΔP-P₃，对压力控制量ΔP-P₃进行拟合，得到曲线方程模型y₁，y₁＝f₁[f_1i(t)，ξ](i＝1、2......N，N为正整数)；如果ΔP＜P₃，则压力控制量为ΔP，对压力控制量ΔP进行拟合，得到曲线方程模型y₂，y₂＝f₂[f_2j(t)，ξ](j＝1、2......N，N为正整数)：

所述ξ为根据工程实际需要确定的随机误差的正态分布；

其中，y_n＝f_n[·]为曲线方程模型n(n＝1、2)；

f_1i(t)为曲线方程模型1中的第i条压力控制量ΔP-P₃随时间变化的曲线；

f_2j(t)为曲线方程模型2中的第j条压力控制量ΔP随时间变化的曲线；

(c2)、利用改进Squeezer聚类算法确定模型集合的质心方程y，y＝f(t)，所述模型集合由曲线方程模型y₁和曲线方程模型y₂组成；

根据实际工程需要，确定精度阈值，将所述精度阈值所为模型集合的半径，同时作为质心的止动阈值；

质心方程y＝f(t)是模型集合中到各曲线距离之和最小的一条；

(c3)、根据所述质心方程的变化趋势，确定压力控制量，根据压力控制量，控制节流阀开度，同时对步骤(b)的理想压力值P₂和步骤(c1)中的设定偏差值P₃进行更新；

控压钻井正常实施的时候，由安装在井口的压力传感器采集井口回压值，再将计算处理之后的压力控制量按时间顺序展示在主控计算机上，再建立两个曲线方程模型；

所述运用改进Squeezer聚类算法确定模型集合的质心方程y，即模型集合中某一曲线到各曲线距离之和最小的曲线。