CN109798102A - 基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井工程技术领域，尤其是涉及一种基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于包括依次设置在井下钻杆上的数个井下工程参数测量短节，与此井下工程参数测量短节相连接且设置在井口的智能方钻杆，与此智能方钻杆相连接的数据处理终端。本发明由井下各工程参数测量短节测得井下实时工程参数，以电磁波方式向上传输到井口的智能方钻杆，再由智能方钻杆将数据发送到数据处理终端，数据处理终端通过插值回归算法，拟合出全井眼各处的工程参数数据，同时也实时监控钻井的整体过程，一旦存在钻井风险，及时预警，防止井下事故和复杂情况的发生，实现科学化钻井。

Description

基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统

技术领域

本发明属于钻井工程技术领域，尤其是涉及一种基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统。

背景技术

为了提高钻井效率、降低生产成本是科学化钻井的最终目标。而想要实现科学化钻井，一方面要求对钻井过程中井下情况及时的获取与了解，将井下参数实时传输到地面设备，同时配合地面钻井参数这样才能及时对复杂情况和钻井事故进行实时、精确的预测，降低发生事故的频度，节约钻进时间和资金；另一方面通过参数的对比分析，结合所钻地层情况，实时优选钻井成本最低的钻井参数和技术措施来提高钻井效率。目前，虽然在随钻井下测量方面有一定的技术基础，但是存在一些普遍性的问题，而要实现科学化的钻井，需要解决好以下几个方面的问题：

(1)井下数据采用脉冲式上传，其传输速度慢，复杂异常情况数据反应不及时；

(2)获取参数数据量少，缺少全井眼的参数信息，计算软件只能通过地面参数进行拟合计算，其理论值与现场实际误差大，无法准确反映全井段实际情况；

(3)现场多依靠钻井工程师的经验人工分析和判断，无法形成实时自动的分析计算，无法智能监控与识别，对现场反应较为滞后。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，能够实时获取井下各处的钻压、扭矩、转速、内外环空压力、振动、弯矩和温度等工程参数，实时优化分析当前钻井参数，经钻井风险预警和分析模块，及时预测井下复杂和事故情况。

因此需要结合井下测量技术、无线通信技术、风险识别算法，研发一套利用插值算法原理的井下随钻工程参数测量系统，配合相关专业软件实现钻井参数优化，降低钻井过程中的事故发生率。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于包括依次设置在井下钻杆上的数个井下工程参数测量短节，与此井下工程参数测量短节相连接且设置在井口的智能方钻杆，与此智能方钻杆相连接的数据处理终端，

每个井下工程参数测量短节包括测量短节本体，沿此测量短节本体中段圆周设置的七个圆形密封槽和四个矩形长条密封槽，分别设置在其中四个圆形密封槽中的力学测量应变片组，分别设置在其中两个圆形密封槽中的环空内压力传感器和环空外压力传感器，设置在其中一个圆形密封槽中的预处理电路板，设置在其中一个矩形长条密封槽中的主控电路，设置在其中一个矩形长条密封槽中的无线电磁波通信装置，分别设置在其中两个矩形长条密封槽中的电池和配件，

所述的智能方钻杆包括智能方钻杆本体，设置在此智能方钻杆本体上的预留槽，设置在此预留槽内的无线信号发射装置，

所述的数据处理终端包括地面系统和参数优化软件。

所述的地面系统包括地面压力传感器、无线信号接收装置、数据处理软件、数据分析软件以及数据展示端。

所述的参数优化软件包括随钻水力学优化分析软件、随钻钻柱力学优化分析软件和司显辅助监测软件。

所述的七个圆形密封槽和四个矩形长条密封槽，均采用盖板和配套密封圈的形式实现密封，所述的盖板通过沉头螺钉与所述的测量短节本体相连接。

每个圆形密封槽和每个矩形长条密封槽之间设有过线孔，在每个过线孔内设有连接每个圆形密封槽和每个矩形长条密封槽内元件的电路。

所述的智能方钻杆本体上的预留槽采用盖板和密封圈密封。

所述的智能方钻杆本体上的预留槽采用在预留槽外侧包裹圆形套筒密封。

所述的智能方钻杆预留槽处的盖板采用非屏蔽材料。

本发明的优点：

(1)本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，井下测量短节获取参数全面，能够同时获得井下钻压、扭矩、内外环空压力、转速、温度和振动等参数，并且通过电磁波传输的方式将数据实时传输至地面，帮助作业人员在第一时间判断井下情况；

(2)本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，井下钻具不同位置处安装多个测量短节，既起到井下测量中继上传的作用，同时能够对不同井深位置处的工程参数进行测量；

(3)本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，井口处钻具为整个钻具组合中受力最大的位置，安装智能方钻杆，能够直接读取井口处的钻具受力情况，同时，由于井下电磁信号在跨越井口泥浆和空气时难以正常传输，可以通过井口的智能方钻杆将下部钻具传输上来的信号发送至地面接收设备，解决电磁波跨越介质后无法正常通讯的问题；

(4)本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，利用插值回归算法，对井下多点的工程参数进行综合分析，准确计算出全井筒的参数分布情况，可以实现对井下情况的第一时间的监测；

(5)本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，结合地面参数测量，将井下参数和地面参数进行整合并智能分析计算，形成一套完整的钻井数据优化分析和钻井风险监控系统，对钻井施工具有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明井下工程参数测量短节的结构示意图。

图3为本发明图2的剖面图。

图4为本发明七个圆形密封槽的截面视图。

图5为本发明四个矩形长条密封槽的截面视图。

图6为本发明的系统流程图。

图7为代数多项式的函数曲线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1-6所示，本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于包括依次设置在井下钻杆2上的数个井下工程参数测量短节4，与此井下工程参数测量短节4相连接且设置在井口的智能方钻杆3，与此智能方钻杆 3相连接的数据处理终端，

每个井下工程参数测量短节包括测量短节本体12，沿此测量短节本体12中段圆周设置的七个圆形密封槽10和四个矩形长条密封槽11，分别设置在其中四个圆形密封槽10中的力学测量应变片组15，分别设置在其中两个圆形密封槽 10中的环空内压力传感器13和环空外压力传感器16，设置在其中一个圆形密封槽10中的预处理电路板14，设置在其中一个矩形长条密封槽中的主控电路9，设置在其中一个矩形长条密封槽中的无线电磁波通信装置17，分别设置在其中两个矩形长条密封槽中的电池18和配件，

所述的智能方钻杆3包括智能方钻杆本体，设置在此智能方钻杆3本体上的预留槽，设置在此预留槽内的无线信号发射装置，

所述的数据处理终端包括地面系统和参数优化软件。

所述的地面系统包括地面压力传感器、无线信号接收装置1、数据处理软件、数据分析软件以及数据展示端。

所述的参数优化软件包括随钻水力学优化分析软件、随钻钻柱力学优化分析软件和司显辅助监测软件。

所述的七个圆形密封槽10和四个矩形长条密封槽11，均采用盖板7和配套密封圈6的形式实现密封，所述的盖板7通过沉头螺钉与所述的测量短节本体 12相连接。

每个圆形密封槽10和每个矩形长条密封槽11之间设有过线孔8，在每个过线孔8内设有连接每个圆形密封槽10和每个矩形长条密封槽11内元件的电路。

所述的智能方钻杆3本体上的预留槽采用盖板7和密封圈6密封。

所述的智能方钻杆3本体上的预留槽采用在预留槽外侧包裹圆形套筒密封。

所述的智能方钻杆3预留槽处的盖板7采用非屏蔽材料。

本发明旨在提供一套钻井工程参数测量系统，该系统包括井口智能方钻杆3、若干井下工程参数测量短节4，测量短节4近钻头5处设1个、钻杆2上1个、再往上钻具每500米加一个测量短节4(测量短节4上增加一个电磁波中继传输装置)，以及与测量短节4配套的无线信号接收装置1和地面数据处理系统。井下各处的工程参数通过电磁波的方式向上传输，中间的工程参数测量短节4 既可测量，也充当中继，井口处的测量短节即智能方钻杆3将信号发送到地面数据处理系统。当数据整理完成后，利用插值回归式算法，可以形成全井筒完整的参数分布。

采用该整套井下参数测量系统，能够实时获取井下各处的钻压、扭矩、转速、内外环空压力、振动、弯矩和温度等工程参数，并与地面无线传感器所测得的工程参数相关联，通过分析处理软件综合分析，实时优化分析当前钻井参数，辅助指导钻井作业；可确定不同工况、钻具组合下钻具的水力学和受力规律情况，为完善修改钻具受力模型提供数据基础；另外，通过实时的地面-井下参数，经钻井风险预警和分析模块，及时预测井下复杂和事故情况。

井下工程参数测量短节4，安装于全井筒各处位置，用于测量钻具工作状态和温度振动等参数；测量短节4中段周向位置开有七个圆形密封槽10和四个矩形长条密封槽11。其中，七个圆形密封槽10中，四个圆形密封槽10用于放置力学测量应变片组15，应变片组15按照指定的方式布置多个，能够准确的测量钻具所受的扭矩、轴向力和弯矩；两个圆形密封槽10安装环空内压力传感器13 和环空外压力传感器16，这两个传感器分别与测量短节4外环空和内水眼连通，用于测量短节4内外的环空液柱压力；最后一个圆形密封槽10放置预处理电路板14，用于将多组信号进行预处理。

测量短节4中的四个矩形长条密封槽11中，一处矩形长条密封槽11放置测量系统的主控电路9，主控电路9芯片上可内置温度感受器和加速度传感器，用于测量井下钻具工作时的温度和振动情况；另一处矩形长条密封槽11放置无线电磁波通信装置17，此部分也可作为信号传输的中继器，将信号以电磁波的方式传输至地面的接收装置进行分析处理；剩余两处矩形长条密封槽11可放置电池18或其他相关配件。

无论是圆形密封槽10还是矩形长条密封槽11，都采用盖板7和配套密封圈6的形式实现密封，盖板7通过沉头螺钉的形式与测量短节本体12进行连接。不同槽体之间，通过预先加工的过线孔8实现电路连接，在保证密封可靠的基础上，实现了所有部件的连通。

井口工程参数测量装置，即智能方钻杆3，用于测量地面处钻具的受力状态。其结构可与井下参数测量短节4相似，预留槽可采用盖板7和配套密封圈6的形式实现密封，也可用采用外侧包裹圆形套筒的方式取代盖板7结构，进而实现密封。智能方钻杆3外侧的预留槽中内置有无线信号发射装置，用于将采集的数据通过电磁波的方式发送至地面无线信号接收装置1中并进行插值回归算法分析处理。在智能方钻杆3选择保护盖板7材料问题上，可考虑采用非屏蔽材料，以保证无线信号不被屏蔽，盖板7内侧同样装有采用密封圈6形式以保证密封可靠性。

在数据处理方面，以拉格朗日的插值法为基础，其插值法为对某个多项式函数，已知有给定的k+1个取值点：(x₀，y₀)，...，(x_k，y_k)

其中x_j对应着自变量的位置，而y_j对应着函数在这个位置的取值。假设任意两个不同的xj都互不相同，那么应用拉格朗日插值公式所得到的拉格朗日插值多项式为：

根据此理论，建立适用于测量参数的插值计算法。假设在两个测量短节之间的参数区间(插值区间)内存在一条代数多项式的函数曲线，在该曲线上的数值均满足以上各点的数值对应关系，以此函数曲线(如图7)作为关系式y＝f(x) 的模拟曲线，就是插值法。假如只有两个数据时，就可以得到两点插值计算公式：

根据以上理论，已知相邻两个测量短节4获取的工程参数信息点越多，曲线拟合也越复杂，但计算出来的中间插值的准确率就越高，计算公式也相对应地复杂起来。所以只能依靠计算机来解决，为便于计算，可将插值多项式改写为：

x：为其中的测量的工程参数；

y：为工程参数计算出来的插值；

地面系统，包括地面压力传感器、无线信号接收装置1、数据处理软件、数据分析软件以及数据展示端。其中，地面压力传感器用于采集由地面无线传感器的脉冲信号，并将信号发送数据处理软件进行分析处理；无线信号接收装置1 用于接收井口处测量短节发射的无线信号；数据分析软件用于将井下和近井口处的测量数据进行联合分析，并将分析结果显示于地面工作室内的数据展示端，供现场作业人员或后方专家观察。

参数优化软件，包括随钻水力学优化分析软件，随钻钻柱力学优化分析软件以及司显辅助监测软件。

1)随钻水力学优化分析软件将地面-井下测量的排量、泵压、钻柱内压力、外环空压力、钻井液密度、钻井液性能作为分析的已知条件，计算求解ECD、岩屑床高度、岩屑浓度、循环压耗、最小排量等参数；在测量获得井下内外环空压力的情况下，能更精确计算井下动力钻具的压耗和岩屑床高度，指导现场钻井施工；

2)随钻钻柱力学优化分析软件的功能包括地面-井下工程参数的曲线监控、实时计算钻柱的侧向力、地面钻压-井下钻压实时对比；通过地面-井下的实时数据进行实时侧向力的计算分析，并在三维控件中实时显示；地面-井下钻压对比直观地监控钻压传递效率；

3)司显辅助监测软件实现了实时的地面-井下参数展示，ECD监测；实现全井场覆盖，便于井队队长、技术员、司钻查看全面数据。

本发明的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统由井下各工程参数测量短节4测得井下实时工程参数，以电磁波方式向上传输到井口的智能方钻杆3，再由智能方钻杆3将数据发送到数据处理终端，数据处理终端通过插值回归算法，拟合出全井眼各处的工程参数数据。同时结合地面无线传感器接收到的地面工程参数，在数据处理端进行数据对比、整理，然后依次发送到随钻水力学优化分析软件、随钻钻柱力学优化分析软件，和司显辅助监测软件，经过软件优化计算，给钻井现场提出实时优化的钻井参数，同时也实时监控钻井的整体过程，一旦存在钻井风险，及时预警，防止井下事故和复杂情况的发生，实现科学化钻井。

Claims (8)

1.一种基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于包括依次设置在井下钻杆上的数个井下工程参数测量短节，与此井下工程参数测量短节相连接且设置在井口的智能方钻杆，与此智能方钻杆相连接的数据处理终端，

每个井下工程参数测量短节包括测量短节本体，沿此测量短节本体中段圆周设置的七个圆形密封槽和四个矩形长条密封槽，分别设置在其中四个圆形密封槽中的力学测量应变片组，分别设置在其中两个圆形密封槽中的环空内压力传感器和环空外压力传感器，设置在其中一个圆形密封槽中的预处理电路板，设置在其中一个矩形长条密封槽中的主控电路，设置在其中一个矩形长条密封槽中的无线电磁波通信装置，分别设置在其中两个矩形长条密封槽中的电池和配件，

所述的智能方钻杆包括智能方钻杆本体，设置在此智能方钻杆本体上的预留槽，设置在此预留槽内的无线信号发射装置，

所述的数据处理终端包括地面系统和参数优化软件。

2.根据权利要求1所述的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于所述的地面系统包括地面压力传感器、无线信号接收装置、数据处理软件、数据分析软件以及数据展示端。

3.根据权利要求1所述的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于所述的参数优化软件包括随钻水力学优化分析软件、随钻钻柱力学优化分析软件和司显辅助监测软件。

4.根据权利要求1所述的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于所述的七个圆形密封槽和四个矩形长条密封槽，均采用盖板和配套密封圈的形式实现密封，所述的盖板通过沉头螺钉与所述的测量短节本体相连接。

5.根据权利要求1所述的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于每个圆形密封槽和每个矩形长条密封槽之间设有过线孔，在每个过线孔内设有连接每个圆形密封槽和每个矩形长条密封槽内元件的电路。

6.根据权利要求1所述的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于所述的智能方钻杆本体上的预留槽采用盖板和密封圈密封。

7.根据权利要求1所述的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于所述的智能方钻杆本体上的预留槽采用在预留槽外侧包裹圆形套筒密封。

8.根据权利要求6所述的基于插值回归法的工程参数测量及风险监控系统，其特征在于所述的智能方钻杆预留槽处的盖板采用非屏蔽材料。