CN113806945B - 控压钻采井控过程中的地层反演方法、装置及存储介质 - Google Patents

控压钻采井控过程中的地层反演方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种控压钻采井控过程中的地层反演方法、装置及存储介质，该方法包括：获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。通过采用使用无迹卡尔曼滤波算法的反演方法可以快速施加井口回压，保证井底压力处于新的动态平衡的状态，保证钻井安全，可以最大限度满足现场实际钻井作业需要。针对不稳定水合物地层的适应性较高，具有可推广、可复制的效应。

Description

控压钻采井控过程中的地层反演方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及天然气水合物钻采的技术领域，具体涉及一种控压钻采井控过程中的地层反演方法、装置及存储介质。
背景技术
天然气水合物是一种清洁能源，完全燃烧后的产物是二氧化碳和水，几乎对环境没有污染，并且储量巨大，约为传统油气资源的两倍以上，有希望成为未来的可替代能源。然而，目前大多数的天然气水合物分布在大陆架海底区域，面临着安全密度窗口窄、天然气水合物的相态变化难以控制、井筒完整性难以保证等钻采技术难题与挑战。
控压钻井技术使得井底压力处于恒定或近似恒定的状态，使得井底当量循环密度(ECD)始终在安全密度窗口内，能够实现在复杂地层，尤其是深水区域、富含水合物的不稳定区域，并且在该技术上发展起来的无隔水管钻井技术、双梯度钻井技术目前已经成为解决水合物钻采过程中的重要技术手段。与常规钻井方式相同，在不稳定的水合物地层应用控压钻井技术时必须具备一定的井控能力，保证钻井作业安全。
然而，在对水合物不稳定地层进行控压钻井作业时易发生气侵等井下复杂事故，发现气侵风险时，若采用常规井控方法进行循环排气，需要立即停泵关井，待井底压力大于地层压力后进行排气泄压，因此，常规井控方法尽管可以控制气侵风险，但是需要时间较长，增加钻井作业的非生产时间，对于在水合物不稳定地层进行作业来讲更容易加大钻井作业风险，如何实现在水合物不稳定地层安全高效地作业成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种控压钻采井控过程中的地层反演方法、装置及存储介质，用以解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本发明提供一种控压钻采井控过程中的地层反演方法，其特征在于，包括：
获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；
使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。
进一步地，所述初始化过程包括状态方程和测量方程，所述状态方程为：
xk＝f(xk-1)+uk-1
所述测量方程为：
zk＝h(xk)+vk
其中xk表示n维状态向量，zk表示测量向量，f函数为系统非线性状态函数，h函数为系统非线性测量函数，uk、vk为过程噪声和测量噪声，所述过程噪声和测量噪声的均值均为零，设所述过程噪声和测量噪声的协方差矩阵分别为Ru和Rv；所述初始化过程的计算过程为：
其中是状态估计值；P0是协方差矩阵。
进一步地，所述采样点计算过程为：
其中λ表示比例因子；m和n分别表示均值和协方差；i表示第i个采样点；w表示采样点的相应权值；K表示可调参数；α表示扩展因子；β表示描述状态向量先验分布信息的参数。
进一步地，所述状态量更新过程的计算过程为：
xi,k|k-1＝f(xi,k-1),i＝0,1,...,2n
进一步地，所述测量量更新过程的计算过程为：
yi,k|k-1＝f(xi,k|k-1),i＝0,1,...,2n
进一步地，所述使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力的模型简化为：
vg＝ω(Pp-Pb)
式中，vg表示产气速率，单位为kg/s；ω表示产气指数，位为kg/s/MPa；Pb表示井底压力，单位为MPa。
进一步地，在所述使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力的过程中，不同时刻测量的控压钻井的井口回压设计值表示为：
Ps(t)＝[Ps(t1),Ps(t2),....,Ps(tN)]
不同时刻测量的控压钻井的井口流量差表示为：
Δqo-i(t)＝[Δqo-i(t1),Δqo-i(t2),....,Δqo-i(tN)]
Δqo-i(t)＝qout(t)-qin(t)
地层压力为：
Pp(t)＝[Pp(t1),Pp(t2),....,Pp(tN)]
产气指数为：
ω(t)＝[ω(t1),ω(t2),....,ω(tN)]。
第二方面，本发明提供一种控压钻采井控过程中的地层反演装置，包括：
数据获取模块，用于获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；
反演数据模块，用于使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现根据第一方面所述控压钻采井控过程中的地层反演方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现根据第一方面所述控压钻采井控过程中的地层反演方法的步骤。
由上面技术方案可知，本发明提供的控压钻采井控过程中的地层反演方法、装置及存储介质，通过采用使用无迹卡尔曼滤波算法的反演方法可以快速施加井口回压，保证井底压力处于新的动态平衡的状态，保证钻井安全，所述无迹卡尔曼滤波算法基于无迹变换理论，至少能以三阶泰勒精度逼近任何非线性高斯系统状态的后验均值和协方差，因此反演精度较高，由此确定的井口回压值较准确，可以最大限度满足现场实际钻井作业需要。针对不稳定水合物地层的适应性较高，具有可推广、可复制的效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的控压钻采井控过程中的地层反演方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的地层反演模型的计算流程示意图；
图3是根据本发明实施例的控压钻采井控过程中的地层反演装置的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。
本发明目的在于提出一种在水合物不稳定地层进行控压钻井作业时遇到气侵井控风险时的地层反演方法，由于在对水合物不稳定地层进行控压钻井作业时易发生气侵等井下复杂事故，因此采用快速精确的方法确定控压钻井井口回压值，建立新的井底压力的平衡就成为对水合物安全钻进的关键。如果能确定地层参数，并对其进行反演，则能够较为准确地确定控压钻井作业时的井口回压值，实现在水合物地层的安全高效作业。无迹卡尔曼滤波方法是反演计算中精度较高的计算方法，主要包括状态更新和测量更新，根据此方法，可将地层参数进行反演，进而确定气侵相关参数，为井口回压的确定提供依据，为钻遇水合物不稳定地层时进行控压钻井井控作业提供参考。
图1是根据本发明实施例的控压钻采井控过程中的地层反演方法的流程图，参考图1，本发明实施例提出的控压钻采井控过程中的地层反演方法包括：
步骤110，获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；
步骤120，使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。
在本发明实施例中，结合图2对本发明实施例提出的反演方法做进一步说明，图2是根据本发明实施例的地层反演模型的计算流程示意图。
反演方法为无迹卡尔曼滤波算法，反演数据的模型简化为：
vg＝ω(Pp-Pb)
式中，vg—产气速率，kg/s；ω—产气指数，kg/s/MPa；Pb—井底压力，MPa。
采用无迹卡尔曼滤波方法利用地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据进行产气指数和地层压力的反演。
不同时刻测量的控压钻井的井口回压设计值表示为：
Ps(t)＝[Ps(t1),Ps(t2),....,Ps(tN)]
不同时刻测量的控压钻井的井口流量差表示为：
Δqo-i(t)＝[Δqo-i(t1),Δqo-i(t2),....,Δqo-i(tN)]
Δqo-i(t)＝qout(t)-qin(t)
采用无迹卡尔曼滤波方法利用地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据进行产气指数和地层压力的反演。
地层压力为：
Pp(t)＝[Pp(t1),Pp(t2),....,Pp(tN)]
产气指数为：
ω(t)＝[ω(t1),ω(t2),....,ω(tN)]
则设地层反演模型中的状态变量(x)和观测变量(y)可以表示为：
x(k)＝[PP(k),ω(k)]T
y(k)＝[Δqo-i(k),Ps(k)]T
反演方法为无迹卡尔曼滤波算法，该算法包括初始化、采样点计算、状态量更新和测量量更新。采用无迹卡尔曼滤波方法进行反演的地层参数为产气指数和地层压力。
所述的无迹卡尔曼滤波算法初始化过程包括：状态方程为：
xk＝f(xk-1)+uk-1
测量方程：
zk＝h(xk)+vk
式中，xk—n维状态向量；zk—测量向量；f函数为系统非线性状态函数；h函数为系统非线性测量函数；uk、vk为过程噪声和测量噪声，均值均为零，设其协方差矩阵分别为Ru和Rv。
初始化过程包括：
式中，—状态估计值；协方差矩阵P—协方差矩阵。
所述的无迹卡尔曼滤波算法采样点计算过程包括：采样点的计算过程为：
式中λ—比例因子；m和n分别为均值和协方差；i—第i个采样点；w—是采样点的相应权值；K—可调参数；α—扩展因子；β—描述状态向量先验分布信息的参数。
所述无迹卡尔曼滤波算法状态更新计算过程为：
xi,k|k-1＝f(xi,k-1),i＝0,1,...,2n
所述无迹卡尔曼滤波算法测量更新计算过程为：
yi,k|k-1＝f(xi,k|k-1),i＝0,1,...,2n
图3为本发明实施例提供的控压钻采井控过程中的地层反演装置的示意图，如图3所示，本发明实施例提供的控压钻采井控过程中的地层反演装置包括：
数据获取模块310，用于获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；
反演数据模块320，用于使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
由于本发明实施例提供的控压钻采井控过程中的地层反演装置，可以用于执行上述实施例所述的控压钻采井控过程中的地层反演方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述实施例的介绍。
图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行控压钻采井控过程中的地层反演方法，该方法包括：获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。
此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的控压钻采井控过程中的地层反演方法，该方法包括：获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的控压钻采井控过程中的地层反演方法，该方法包括：获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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 (8)

1.一种控压钻采井控过程中的地层反演方法，其特征在于，包括：
获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；
使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程，
其中，所述使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力的模型简化为：
vg＝ω(Pp-Pb)
式中，vg表示产气速率，单位为kg/s；ω表示产气指数，单位为kg/s/MPa；Pb表示井底压力，单位为MPa，并且，
在所述使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力的过程中，不同时刻测量的控压钻井的井口回压设计值表示为：
Ps(t)＝[Ps(t1),Ps(t2),....,Ps(tN)]
不同时刻测量的控压钻井的井口流量差表示为：
Δqo-i(t)＝[Δqo-i(t1),Δqo-i(t2),....,Δqo-i(tN)]
Δqo-i(t)＝qout(t)-qin(t)
地层压力为：
Pp(t)＝[Pp(t1),Pp(t2),....,Pp(tN)]
产气指数为：
ω(t)＝[ω(t1),ω(t2),....,ω(tN)]，
设地层反演模型中的状态变量和观测变量分别为x和y，其中：
x(k)＝[PP(k),ω(k)]T，
y(k)＝[Δqo-i(k),Ps(k)]T。
2.根据权利要求1所述的控压钻采井控过程中的地层反演方法，其特征在于，所述初始化过程包括状态方程和测量方程，所述状态方程为：
xk＝f(xk-1)+uk-1
所述测量方程为：
zk＝h(xk)+vk
其中xk表示n维状态向量，zk表示测量向量，f函数为系统非线性状态函数，h函数为系统非线性测量函数，uk、vk为过程噪声和测量噪声，所述过程噪声和测量噪声的均值均为零，设所述过程噪声和测量噪声的协方差矩阵分别为Ru和Rv；所述初始化过程的计算过程为：
其中是状态估计值；P0是协方差矩阵。
3.根据权利要求1所述的控压钻采井控过程中的地层反演方法，其特征在于，所述采样点计算过程为：
其中λ表示比例因子；m和c分别表示均值和协方差；i表示第i个采样点；W表示采样点的相应权值；k表示可调参数；α表示扩展因子；β表示描述状态向量先验分布信息的参数。
4.根据权利要求2所述的控压钻采井控过程中的地层反演方法，其特征在于，所述状态量更新过程的计算过程为：
xi,k|k-1＝f(xi,k-1),i＝0,1,...,2n
5.根据权利要求2所述的控压钻采井控过程中的地层反演方法，其特征在于，所述测量量更新过程的计算过程为：
yi,k|k-1＝f(xi,k|k-1),i＝0,1,...,2n
6.一种控压钻采井控过程中的地层反演装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取水合物不稳定地层控压钻采井控过程中地面处井口进出口流量差数据以及控压钻井时的井口回压数据；
反演数据模块，用于使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力，其中所述无迹卡尔曼滤波算法包括初始化过程、采样点计算过程、状态量更新过程和测量量更新过程，其中
其中，所述使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力的模型简化为：
vg＝ω(Pp-Pb)
式中，vg表示产气速率，单位为kg/s；ω表示产气指数，单位为kg/s/MPa；Pb表示井底压力，单位为MPa，并且，
在所述使用无迹卡尔曼滤波算法基于所述井口进出口流量差数据和所述井口回压数据反演产气指数和地层压力的过程中，不同时刻测量的控压钻井的井口回压设计值表示为：
Ps(t)＝[Ps(t1),Ps(t2),....,Ps(tN)]
不同时刻测量的控压钻井的井口流量差表示为：
Δqo-i(t)＝[Δqo-i(t1),Δqo-i(t2),....,Δqo-i(tN)]
Δqo-i(t)＝qout(t)-qin(t)
地层压力为：
Pp(t)＝[Pp(t1),Pp(t2),....,Pp(tN)]
产气指数为：
ω(t)＝[ω(t1),ω(t2),....,ω(tN)]，
设地层反演模型中的状态变量和观测变量分别为x和y，其中：
x(k)＝[PP(k),ω(k)]T，
y(k)＝[Δqo-i(k),Ps(k)]T。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现根据权利要求1至5任一项所述控压钻采井控过程中的地层反演方法的步骤。
8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1至5任一项所述控压钻采井控过程中的地层反演方法的步骤。
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