CN114482885B - 一种控压钻井智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控压钻井智能控制系统，包括在线监测模块、智能控制模块和人为控制模块；在线监测模块分别与智能控制模块和人为控制模块连接；在线监测模块用于实时采集钻井过程中的钻井工况数据；智能控制模块用于收集钻井参数及工程技术数据进行整合分析，形成样本库，并计算实际钻井工况的数据向量，结合样本库识别出钻井作业模式，根据钻井作业模式对钻井压力进行控制调节；人为控制模块用于钻井工作人员根据钻井工况数据和钻井作业模式对钻井压力进行人为调控。本发明通过机器学习智能算法可实时得出合理的调控指令，并自动将其传输至执行机构，可在实际运行过程中，根据在线监测数据复现或模拟人为控压决策，实现智能控压。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探开发的钻井领域，尤其涉及一种控压钻井智能控制系统。
背景技术
随着油气勘探开发工作的不断深入，勘探开发领域正逐渐转向深层、深水和非常规等复杂地层。一般复杂地层的“安全密度窗口”较窄，应用常规钻探技术时易出现井涌、井漏、卡钻等一系列钻井复杂问题，井筒流动安全控制问题突出，已成为严重影响和制约复杂地层油气勘探开发的技术瓶颈。
控压钻井技术（MPD）是近年来发展起来的一项钻井新技术，其核心是通过相应的装备系统实时调控井口回压，从而间接控制井底压力，使其一直处于“钻井安全密度窗口”内，可有效预防和控制井漏和溢流，避免井下复杂，大幅度降低非常生产时间。控压钻井技术已经成为当前解决复杂地层钻井井筒压力控制难题最有效的技术手段。控压钻井技术自问世以来，经过多年的发展，技术体系日趋完善，井筒压力的控制精度也持续提高，发展出的精细控压钻井系统井底压力控制精度可达±0.35MPa，已经成为了一项安全高效钻井的钻井装备新利器，相关装备也已实现国产化。
现有精细控压钻井系统主要包括旋转防喷器、地面自动节流管汇、回压补偿装置、井下随钻压力测试系统（PWD）、地面控制软件等组成。地面节流控制系统由各种闸板阀、液控节流阀、主节流管汇、辅助节流管汇、科里奥利流量计、压力传感器、液控节流控制操作台和控制箱等组成。回压补偿装置由电动三缸柱塞泵、交流电机、上水管线、排水管线及科里奥利流量计等组成。
目前，精细控压钻井技术已在现场得到了规模化应用，取得了很好的应用成效，但现有的精细控压钻井技术还存在如下问题：
当前的精细控压钻井系统只能依据随钻测量的工程参数进行被动控制，未结合工程地质研究资料等进行闭环控制，且高度依赖作业人员不定时输入数据及命令，对现场作业人员的素质要求较高，无法进行智能控制，可能因作业人员误操作或输入不合适的指令而导致控压效果欠佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种控压钻井智能控制系统，通过机器学习智能算法可实时得出合理的调控指令，并自动将其传输至执行机构，可在实际运行过程中，根据在线监测数据复现或模拟人为控压决策，实现智能控压。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种控压钻井智能控制系统，包括在线监测模块、智能控制模块和人为控制模块；在线监测模块分别与智能控制模块和人为控制模块连接；在线监测模块用于实时采集钻井过程中的钻井工况数据；智能控制模块用于收集钻井参数及工程技术数据进行整合分析，形成样本库，并计算实际钻井工况的数据向量，结合样本库识别出钻井作业模式，根据钻井作业模式对钻井压力进行控制调节；人为控制模块用于钻井工作人员根据钻井工况数据和钻井作业模式对钻井压力进行人为调控。
具体的，数据采集单元通过预先采集整理多井次控压钻井施工过程中不同作业模式的基础数据，以及对应多个不同工况条件下人为发出的调控指令，形成多个控压钻井多工况条件下压力调控指令样本，每个样本包含施工过程基础数据向量数组和调控指令数组，多个样本形成样本库，存储于决策控制单元；施工过程中，数据采集单元采集控压钻井的基础数据，形成实时数据向量数组，传输给决策控制单元；决策控制单元将接收到的数据向量数组与样本库中各样本的基础数据向量数组进行向量距离计算，计算方法包括欧式距离、切比雪夫距离等方法，选取与实时数据向量距离计算最小值样本作为决策输出样本，输出该样本中的调控指令数组至压力补偿装置对钻井压力进行智能调节。
具体的，压力补偿装置包括节流控制柜、回压补偿控制柜、节流控制系统和回压补偿装置；决策控制单元分别与节流控制柜和回压补偿控制柜连接；节流控制柜和节流控制系统连接；回压补偿控制柜和回压补偿装置连接。
具体的，在线监测模块包括参数监测主机、无线通信装置以及分别与无线通信装置无线连接的压力控制管汇压力传感器、立压传感器、套压传感器、钻井液流量监测装置、回压补偿管汇流量监测计、气液分离器监测装置和钻井液流变性监测装置。
具体的，钻井作业模式分为正常钻进模式、接单根模式、起下钻模式，以及复杂工况模式；复杂工况模式包括井漏模式、溢漏及井涌模式。
本发明的有益效果：
本发明采用逻辑回归、支持向量机、决策树和神经网络等方式。通过事先收集整理多井次控压钻井施工过程中不同作业模式的基础数据，以及对应多个不同工况条件下人为（控压设备）发出的调控指令，建立控压钻井多工况条件下压力调控指令样本库。利用该样本库，对编制的多种机器学习智能算法进行学习训练，调节算法参数，并进行训练效果对比，形成不同工况条件与调控指令间最佳的非线性映射关系，或最优分类方法。完成训练后，训练结果即为一套确定的“监测参数-调控指令”算法，可在实际运行过程中，根据在线监测数据复现或模拟人为控压决策，实现智能控压。
附图说明
图1是本发明的系统功能框图。
图2是本发明在线监测模块的结构示意图；
图3是本发明控压钻井智能控制系统的模式判断流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，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其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一；
本实施例中，如图1所示，一种控压钻井智能控制系统，系统包括在线监测模块、智能控制模块和人为控制模块；在线监测模块分别与智能控制模块和人为控制模块连接；在线监测模块用于实时采集钻井过程中的钻井工况数据；智能控制模块用于收集钻井参数及工程技术数据进行整合分析，形成样本库，并计算实际钻井工况的数据向量，结合样本库识别出钻井作业模式，根据钻井作业模式对钻井压力进行控制调节；人为控制模块用于钻井工作人员根据钻井工况数据和钻井作业模式对钻井压力进行人为调控。
进一步的，本实施例的控压钻井智能控制系统可安装在电脑、工控机等终端设备上，形成控压钻井智能控制终端。
本实施例中，数据采集单元通过预先采集整理多井次控压钻井施工过程中不同作业模式的基础数据，以及对应多个不同工况条件下人为发出的调控指令，形成多个控压钻井多工况条件下压力调控指令样本，每个样本包含施工过程基础数据向量数组和调控指令数组，多个样本形成样本库，存储于决策控制单元；施工过程中，数据采集单元采集控压钻井的基础数据，形成实时数据向量数组，传输给决策控制单元；决策控制单元将接收到的数据向量数组与样本库中各样本的基础数据向量数组进行向量距离计算，计算方法包括欧式距离、切比雪夫距离等方法，选取与实时数据向量距离计算最小值样本作为决策输出样本，输出该样本中的调控指令数组至压力补偿装置对钻井压力进行智能调节。
其中，不同作业模式的基础数据主要包括钻井参数和工程计算数据。钻井参数包括井别、井型、井深、井身结构、井眼轨迹、排量、钻压、转速、地层岩性、钻井液密度及粘度，以及储层参数等，预先输入数据来源于钻井工程设计。工程计算数据包括地层三压力剖面（孔隙压力、坍塌压力、漏失压力）、裂缝参数（发育程度、裂缝密度、裂缝宽度等）、堵漏参数等，预先输入数据来源于钻井工程设计或/和工程计算分析软件（Petrel、Landmark等），并不限于此。
本实施例中，压力补偿装置包括节流控制柜、回压补偿控制柜、节流控制系统和回压补偿装置；决策控制单元分别与节流控制柜和回压补偿控制柜连接；节流控制柜和节流控制系统连接；回压补偿控制柜和回压补偿装置连接。在智能控制模块输出压力调控指令后，压力补偿装置根据压力调控指令对控压钻井系统进行钻井压力调节。节流控制柜通过其与地面简易节流控制系统相连，进而控制节流控制系统的开度，以及施加的井口套压。
本实施例中，如图2所示，在线监测模块包括参数监测主机、无线通信装置以及分别与无线通信装置无线连接的压力控制管汇压力传感器、立压传感器、套压传感器、钻井液流量监测装置、回压补偿管汇流量监测计、气液分离器监测装置和钻井液流变性监测装置。在线监测模块可以为油气钻井井筒压力的远程智能主动控制提供核心的在线实时钻井工况数据，包括套管压力、立管压力、回压补偿流量、钻井液流变性参数等数据。
其中，钻井液流变性参数包括视粘度、塑性粘度、结构粘度、静切力，动切力，它们之间的关系较能代表泥浆的流变特性。
本实施例中，钻井作业模式分为正常钻进模式、接单根模式、起下钻模式，以及复杂工况模式；复杂工况模式包括井漏模式、溢漏及井涌模式。
本实施例中，如图3所示，控压钻井智能控制系统进行钻井作业模式判断时，先开启控压钻井智能控制系统、远程监测及控制系统，在线监测模块开始实时采集监测数据，利用高精度钻井水力学计算系统实时计算井底压力，控压钻井智能控制系统基于采集的井深、打钩载荷、钻压、转速、立压、套压、钻井液出/入口密度及流量、气测值等监测数据进行智能识别实时判断钻井的作业模式，并辅以人工确认选项。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种控压钻井智能控制系统，其特征在于，包括在线监测模块、智能控制模块和人为控制模块；在线监测模块分别与智能控制模块和人为控制模块连接；在线监测模块用于实时采集钻井过程中的钻井工况数据；智能控制模块用于收集钻井参数及工程技术数据进行整合分析，形成样本库，并计算实际钻井工况的数据向量，结合样本库识别出钻井作业模式，根据钻井作业模式对钻井压力进行控制调节；人为控制模块用于钻井工作人员根据钻井工况数据和钻井作业模式对钻井压力进行人为调控；
所述智能控制模块包括数据采集单元和决策控制单元；数据采集单元通过预先采集整理多井次控压钻井施工过程中不同作业模式的基础数据，以及对应多个不同工况条件下人为发出的调控指令，形成多个控压钻井多工况条件下压力调控指令样本，每个样本包含施工过程基础数据向量数组和调控指令数组，多个样本形成样本库，存储于决策控制单元；施工过程中，数据采集单元采集控压钻井的基础数据，形成实时数据向量数组，传输给决策控制单元；决策控制单元将接收到的数据向量数组与样本库中各样本的基础数据向量数组进行向量距离计算，选取与实时数据向量距离计算最小值样本作为决策输出样本，输出该样本中的调控指令数组至压力补偿装置对钻井压力进行智能调节；
所述钻井作业模式分为正常钻进模式、接单根模式、起下钻模式，以及复杂工况模式；复杂工况模式包括井漏模式、溢漏及井涌模式；
所述在线监测模块包括参数监测主机、无线通信装置以及分别与无线通信装置无线连接的压力控制管汇压力传感器、立压传感器、套压传感器、钻井液流量监测装置、回压补偿管汇流量监测计、气液分离器监测装置和钻井液流变性监测装置。
2.根据权利要求1所述的一种控压钻井智能控制系统，其特征在于，所述压力补偿装置包括节流控制柜、回压补偿控制柜、节流控制系统和回压补偿装置；决策控制单元分别与节流控制柜和回压补偿控制柜连接；节流控制柜和节流控制系统连接；回压补偿控制柜和回压补偿装置连接。
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