CN107587870A

CN107587870A - 页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法及系统

Info

Publication number: CN107587870A
Application number: CN201710812127.7A
Authority: CN
Inventors: 胡瑾秋; 张来斌; 刘惠舟; 张鑫
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本申请实施例提供了一种页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法及系统，该方法包括：实时采集压裂施工参数；确定裂缝净压力，并形成净压力时间双对数曲线；确定所述净压力时间双对数曲线的斜率；根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，并在预测出井下事故时发出预警信息。本申请实施例可实现页岩气压裂作业井下事故监测与预警的自动化处理。

Description

页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法及系统

技术领域

本申请涉及页岩气压裂作业监测技术领域，尤其是涉及一种页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法及系统。

背景技术

页岩气实际开采率依赖于有效的压裂措施，但受限于页岩气开采过程中较为复杂的地质地层环境、配套设备设施的缺陷失效、人为操作和管理失误等问题，页岩气压裂施工经常伴随着各类非正常工况的发生。因此需要有效的实时监测诊断系统来降低事故发生概率。

当前页岩气压裂施工现场都会配备压裂指挥车或仪表车，其上装有压裂车组仪表车监控系统，压裂设备将数据传输至仪表车监控系统进而实现施工数据的集成与实时监测，但此系统只能够显示当前作业过程中各类参数，不能够进行实时诊断和预警。

压裂施工曲线分析法是当前主流的页岩气压裂施工的监测诊断方法，许多压裂施工监测系统也是基于该方法。压裂施工曲线一般以时间为横坐标，纵坐标由4部分构成，分别为油压曲线、套压曲线、施工排量曲线以及加砂浓度(砂比)曲线，有时也以泵注压力、施工排量和加砂浓度3部分组成。这些参数是地上地下情况的真实反映，通过对其变化趋势的分析就能大致判别当前压裂施工情况。但这种分析方法需要操作人员在整个施工过程人为地进行实时分析和诊断，受到的影响因素较多，在准确性与及时性上存在着不足。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法及系统，以实现页岩气压裂作业井下事故监测与预警的自动化处理。

为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，包括：

实时采集压裂施工参数；

确定裂缝净压力，并形成净压力时间双对数曲线；

确定所述净压力时间双对数曲线的斜率；

根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，并在预测出井下事故时发出预警信息。

优选的，所述裂缝净压力通过以下公式确定：

p_N＝p_w+p_H-p_F-p_M-p_c

其中，p_w为地面泵压；p_H为井筒液柱静压力；p_F为压裂管柱的沿程摩阻损失；p_M为射孔孔眼摩阻损失压降；p_c为裂缝闭合压力。

优选的，所述压裂管柱的沿程摩阻损失p_F通过降阻比法获得。

优选的，所述射孔孔眼摩阻损失压降p_M通过以下公式确定：

其中，C_d为施工排量系数；d_F为孔眼直径；N_p为孔眼数；P_f为压裂液混合密度；Q为施工排量。

优选的，所述裂缝闭合压力p_c通过以下公式确定：

其中，v为泊松比。

优选的，所述形成净压力时间双对数曲线，包括：

将裂缝净压力与时间分别取对数，以裂缝净压力对数lgp为纵坐标，时间对数lgt为横坐标绘图，形成净压力时间双对数曲线。

优选的，所述确定所述净压力时间双对数曲线的斜率，包括：

根据公式实时计算所述净压力时间双对数曲线在指定时间步长范围内的斜率；其中，K为斜率，lgp_t+a为t+a时刻的净压力时间双对数曲线，lgp_t为t时刻的净压力时间双对数曲线，a为时间步长。

优选的，所述根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，包括：

根据所述压裂施工参数拟合其在指定时间步长范围内的变化趋势特征；

将所述变化趋势特征与所述事故特征集中的事故趋势特征进行匹配；

在找到与所述变化趋势特征匹配的事故趋势特征时，将所述净压力时间双对数曲线的斜率与所述事故特征集中的事故斜率特征进行匹配；

在找到与所述变化趋势特征匹配的事故斜率特征时，确定对应的事故类型。

优选的，所述在预测出有存在井下事故发生时发出预警信息，包括：

根据所述变化趋势特征与所述事故斜率特征之间的差值大小，确认发生所述事故类型的发生概率；

在所述发生概率达到预设阈值时，向服务器发送预警信息，并由所述服务器将所述预警信息转发给指定客户端。

另一方面，本申请实施例还提供了一种页岩气压裂作业井下事故监测与预警系统，包括：

数据采集模块，用于实时采集压裂施工参数；

曲线形成模块，用于确定裂缝净压力，并形成净压力时间双对数曲线；

斜率确定模块，用于确定所述净压力时间双对数曲线的斜率；

监测预警模块，用于根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，并在预测出井下事故时发出预警信息。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例首先实时采集压裂施工参数；然后确定裂缝净压力并形成净压力时间双对数曲线；其次确定净压力时间双对数曲线的斜率；然后根据压裂施工参数、净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，并在预测出井下事故时发出预警信息，从而实现了页岩气压裂作业井下事故监测与预警的自动化处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请一实施例中页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法的流程图；

图2为本申请一实施例中实时采集的压裂施工曲线示意图；

图3为本申请一实施例中净压力时间双对数曲线示意图；

图4为本申请一实施例中净压力时间双对数曲线的斜率示意图；

图5为本申请一实施例中接收预警信息的客户端的用户界面示意图；

图6为本申请一实施例中页岩气压裂作业井下事故监测与预警系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

参考图1所示，本申请实施例的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，可以包括以下步骤：

S101、实时采集压裂施工参数。

在本申请实一些施例中，压裂施工参数可以包括油管压力(油压)、套管压力(套压)、排量以及加砂浓度(砂比)等，这些压裂施工参数可从压裂施工指挥车内的数据采集系统中获取得到。

S102、确定裂缝净压力，并形成净压力时间双对数曲线。

在本申请实一些施例中，裂缝净压力是进行压裂现场施工曲线实时诊断研究中的主要参数，其可通过如下公式计算得到：

p_N＝p_w+p_H-p_F-p_M-p_c

其中，p_N为裂缝净压力，单位MPa；p_w为地面泵压，单位MPa；p_H为井筒液柱静压力，单位MPa；p_F为压裂管柱的沿程摩阻损失，单位MPa；p_M为射孔孔眼摩阻损失压降，单位MPa；p_c为裂缝闭合压力，单位MPa。

在本申请实一些施例中，上式中的压裂管柱的沿程摩阻损失p_F可通过降阻比法计算得到。即在相同条件(如管径、排量、管长相同)下，降阻比即为压裂液摩阻损失与清水摩阻损失之比σ，公式如下：

进而得到压裂管柱的沿程摩阻损失p_F：

式中，(VP_f)_p表示压裂液摩阻损失，单位为MPa；(VP_f)_o表示清水的摩阻损失，单位为MPa。而清水摩阻损失计算公式为：

(VP_f)_o＝1.385×10⁶D^-4.8Q^1.8L

式中，D为管内径，单位mm；Q为施工排量，单位为m³/min；L表示管柱下深，单位m。

在本申请实一些施例中，上式中的射孔孔眼摩阻损失压降p_M的计算公式如下所示：

其中，C_d为施工排量系数，一般取值范围为0.6～0.9，无因次；d_F为孔眼直径，单位cm；N_p为孔眼数；P_f为压裂液混合密度，单位为g/cm³；Q为施工排量。

在本申请实一些施例中，上式中的裂缝闭合压力p_c可通过以下公式进行计算：

式中P_C为裂缝闭合压力，单位为MPa/m；v为泊松比，无因次。

而通过以上计算可得到不同时刻的裂缝净压力，从而形成裂缝净压力曲线。

在本申请一些实施例中，将得到的裂缝净压力与时间分别取对数，以净压力对数lgp为纵坐标，时间的对数lgt为横坐标绘图，可得到如图4所示的净压力时间双对数曲线。

S103、确定所述净压力时间双对数曲线的斜率。

在本申请一些实施例中，净压力时间双对数曲线是诊断和解释压裂过程的有效工具，其可以用来定性的判断裂缝在压裂施工过程的几何形态。根据净压力时间双对数曲线的斜率即可对井下压裂工况进行分析和判定(参见图4所示):

(1)Ⅰ线段—为正斜率。斜率介于0.14～0.25之间(0.14<e<0.25)，说明水力裂缝在预期的缝高和压裂液综合滤失系数下正在向储集层深处延伸。

(2)Ⅱ线段—斜率为0。说明缝高稳定增长到应力遮挡层，地层内有天然微裂缝张开或新缝压开，从而使注入量和滤失量达到平衡，裂缝内压力稳定，缝宽基本不增加。但此时裂缝延伸速度一旦下降，则伴随砂堵事故的发生。

(3)Ⅲ线段—斜率e＝1。该线段表明缝内已经出现砂堵。裂缝已停止延伸，后续的压裂流体是在拓展裂缝的宽度。

(4)Ⅳ线段—斜率e为负值。此刻说明缝高完全失控。引起的原因可能是裂缝穿越低应力层在未射井段地层内延伸、缝高增长不稳定、压开了多条裂缝或沟通了天然裂缝、遇到大规模裂缝体系、缝高快速延伸等，这些为地层间压窜特征。

当然，在本申请一些实施例中，根据实际施工监测需要，可根据公式实时计算所述净压力时间双对数曲线在指定时间步长范围内的斜率。

其中，K为斜率，lgp_t+a为t+a时刻的净压力时间双对数曲线，lgp_t为t时刻的净压力时间双对数曲线，a为时间步长。

S104、根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，并在预测出井下事故时发出预警信息。

在本申请一些实施例中，可预先基于压裂施工周期内各类典型井下压裂事故的泵压、套压、砂比等主要参数，建立事故特征集。所述事故特征集例如可以包括压裂施工曲线的事故趋势特征(例如同时上升、同时下降、相对稳定或是既有上升又有下降)、净压力时间双对数曲线的事故斜率特征、以及压裂施工曲线的事故数值特征(峰峰值、最大值和最小值)等。各井段井下各类非正常工况的数据集可在线共享和更新。

在本申请一些实施例中，所述根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故可以包括以下步骤：

首先，根据所述压裂施工参数拟合其在指定时间步长范围内的变化趋势特征。

然后，将所述变化趋势特征与所述事故特征集中的事故趋势特征进行匹配。如果找到与之匹配的事故趋势特征，表明当前压裂施工有朝着与该事故趋势特征对应的事故发展的趋势。如果未找到与之匹配的事故趋势特征，表明当前压裂施工可能处于正常工况状态。

其次，在找到与所述变化趋势特征匹配的事故趋势特征时，将所述净压力时间双对数曲线的斜率与所述事故特征集中的事故斜率特征进行匹配。

然后，在找到与所述变化趋势特征匹配的事故斜率特征时，确定对应的事故类型。斜率特征匹配的目的是为了判断出可能的事故类型。而且，由于事故特征集中各事故斜率特征都有与之相对应的事故类型。因此，在找到与所述变化趋势特征匹配的事故斜率特征时，就可以确定对应的事故类型。

在本申请一些实施例中，所述在预测出有存在井下事故发生时发出预警信息，可以包括以下步骤：

首先，根据所述变化趋势特征与所述事故斜率特征之间的差值大小，确认发生所述事故类型的发生概率；差值的数值越小相应发生事故概率则越大。

然后，在所述发生概率达到预设阈值(例如80％等)时，向服务器发送预警信息，并由所述服务器将所述预警信息转发给指定客户端。在本申请一些实施例中，所述指定客户端可以是可安装于移动终端上的应用(application，简称app)，各岗位施工人员通过手机上的应用平台可以接收到预警信息，同时还可以得到操作人员确认后启动预设的事故应急处理预案，从而降低事故的可能后果及严重性，并实现了远程预警信息发布功能。在本申请一示例性实施例中，所述指定客户端可具有如图5所示的用户界面，该用户界面可实时显示当前各个井段的事故预警信息及井段开停工情况，在实时状态栏中可查看当前各井段主要施工参数，各级电话中可存有各个施工部分及上级电话，在事故发生时可直接点击拨打，而事故记录板块中历史事故记录可供查阅。

在本申请一些实施例中，在事故处理后，通过服务器还可以自动备份本次事故及处理时的主要参数及数据并更新事故特征集，从而增加样本容量。

虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。

为便于理解本申请，下面介绍本申请一示例性实施例:

砂堵又称沉砂，分为近井地带砂堵和层内砂堵两种。一般的，发生砂堵的可能原因如下：

(1)页岩储层如果存在着本源裂缝会增加压裂液的滤失量，这种情况下易发生砂堵。

(2)裂缝扭曲。在近井筒地带由于井斜或射孔方位的影响，裂缝可能是非平面的或弯曲状，裂缝弯曲位置易造成支撑剂沉积，易导致砂堵。支撑剂在通过裂缝的这些位置时很可能发生沉积，从而形成砂堵现象。

(3)近井筒如果形成的裂缝太多但无法形成优势主缝，支撑剂通过井筒附近这些横截面积较小的裂缝时就易发生沉积，堵塞近井筒的裂缝，导致砂堵。此外盲目追求加砂量、加砂过程中因为机械设备故障、工具质量不过关或者人为操作上的失误导致意外停止施工也会造成砂堵。

以下为具体实施步骤：

第一步：实时采集压裂施工参数

本示例性实施例采集了砂堵事故发生时的压裂施工参数，从而形成如图2所示压裂施工曲线。

第二步：计算实时裂缝净压力

下表1列出了计算裂缝净压力的基本参数，如图3所示，为计算出的净压力。

表1目标井基本参数

第三步：绘制净压力时间双对数曲线

依据图3中实时裂缝净压力，绘制出净压力时间双对数曲线。

第四步：计算净压力时间双对数曲线的斜率

系统净压力与时间分别取对数，取步长20s计算双对数斜率K。

第五步：井下事故监测与诊断

系统根据套压、砂比等参数，拟合其变化趋势，与事故特征库进行第一次比对，判断图2中阴影区域(400s至420s)为潜在事故风险区，此时的斜率K≈1.12，与斜率特征比较，该斜率与图4中的Ⅳ部分接近，是发生砂堵的特征，这可能是由于混砂比过高，或加砂不均匀，造成管柱内、射孔炮眼或导压喷砂器处形成压裂砂堵所致。

第六步：事故智能预处理与远程预警信息发布

本次事故可能发生概率为80％，高于设定阈值，系统当即发出预警信息至服务器，由服务器转发给各指定客户端。

第七步：事故及处理数据入库

砂堵事故处理结束后，本次砂堵事故及处理过程中的数据被系统自行备份，更新事故特征集。

参考图6所示，本申请实施例的页岩气压裂作业井下事故监测与预警系统可以包括：

数据采集模块61，可以用于实时采集压裂施工参数；

曲线形成模块62，可以用于确定裂缝净压力，并形成净压力时间双对数曲线；

斜率确定模块63，可以用于确定所述净压力时间双对数曲线的斜率；

监测预警模块64，可以用于根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，并在预测出井下事故时发出预警信息。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，包括：

实时采集压裂施工参数；

确定裂缝净压力，并形成净压力时间双对数曲线；

确定所述净压力时间双对数曲线的斜率；

2.如权利要求1所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述裂缝净压力通过以下公式确定：

p_N＝p_w+p_H-p_F-p_M-p_c

3.如权利要求2所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述压裂管柱的沿程摩阻损失p_F通过降阻比法获得。

4.如权利要求2所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述射孔孔眼摩阻损失压降p_M通过以下公式确定：

5.如权利要求2所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述裂缝闭合压力p_c通过以下公式确定：

其中，v为泊松比。

6.如权利要求1所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述形成净压力时间双对数曲线，包括：

7.如权利要求1所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述确定所述净压力时间双对数曲线的斜率，包括：

8.如权利要求1所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述根据所述压裂施工参数、所述净压力时间双对数曲线的斜率及预设的事故特征集，预测指定时间步长范围内是否发生井下事故，包括：

9.如权利要求8所述的页岩气压裂作业井下事故监测与预警方法，其特征在于，所述在预测出有存在井下事故发生时发出预警信息，包括：

10.一种页岩气压裂作业井下事故监测与预警系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于实时采集压裂施工参数；