壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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梁海波 方博濤 鄧臻
（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500）
摘要：壓裂施工需要壓裂專家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，但隨著壓裂井?dāng)?shù)的不斷增加，且壓裂多在野外施工，條件惡劣，很難對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行專家會(huì)診。根據(jù)這種情況，建立了一套壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工狀況。同時(shí)，通過對(duì)壓裂施工過程中“加砂”曲線的分析研究，建立了壓裂預(yù)警模型，可以實(shí)時(shí)對(duì)可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，提高壓裂施工的成功率。經(jīng)過在華北油田的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明系統(tǒng)擁有良好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：油氣田油井勘探開發(fā)安全預(yù)警監(jiān)測(cè)壓力控制 自動(dòng)化
0引言
壓裂施工能夠在儲(chǔ)層中形成一條具有較高導(dǎo)流能力的裂縫，從而降低油、氣井的滲流阻力，提高油氣田的產(chǎn)量，其已成為油氣田勘探和開發(fā)不可缺少的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。壓裂的效果主要取決于壓裂工藝，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂施工中的主要參數(shù)，在監(jiān)測(cè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)采取相應(yīng)的措施，有助于提高壓裂的效果。在目前國(guó)內(nèi)壓裂施工作業(yè)中，對(duì)壓裂施工情況僅靠施工人員和技術(shù)專家依據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工判斷預(yù)警。這種預(yù)警方式預(yù)警不及時(shí)，準(zhǔn)確率低，預(yù)警效果不理想；而且一旦預(yù)警不及時(shí)或預(yù)警失敗，很有可能提高施工風(fēng)險(xiǎn)，造成井筒發(fā)生砂埋、砂卡、高壓憋斷施工管柱等事故。本文在研究了多條“加砂”曲線的基礎(chǔ)上，建立了井底靜壓力．時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線結(jié)合油壓一時(shí)間、套壓一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的預(yù)警模型，對(duì)可能遇到的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。
1 壓裂預(yù)警模型設(shè)計(jì)
在壓裂施工過程中，可能出現(xiàn)砂堵、壓竄等危險(xiǎn)工況，通過對(duì)“加砂”曲線和加砂過程中的壓力進(jìn)行分析，建立了壓裂預(yù)警模型。
1.1基本原理
1.1.1 “加砂”曲線分析
在“加砂”過程中，壓裂井底凈壓力P和時(shí)間t的雙對(duì)數(shù)曲線主要有五種類型，如圖1所示。
(1)線段I是正常的壓裂曲線，表示裂縫在高度方向上延伸受阻；沿水平方向，可能是地層滲透性差、層薄等因素造成。
(2)線段Ⅱ曲線斜率為0，對(duì)應(yīng)壓力為地層壓力容量，表示縫高穩(wěn)定增長(zhǎng)到應(yīng)力遮擋層，或是地層內(nèi)天然微裂隙張開使濾失量與注入量持平，說明裂縫的延伸速度將下降，隨后有可能發(fā)生砂堵。
(3)線段Ⅲ壓力與時(shí)間成正比，也就是壓力的增量比例于注入液體體積的增量，說明裂縫端部受阻，縫內(nèi)壓力急劇上升；其斜率大于1，則表示裂縫內(nèi)發(fā)生了堵塞。
(4)線段Ⅳ表示裂縫穿過了低應(yīng)力層，縫高發(fā)生不穩(wěn)定增長(zhǎng)，直到遇到高應(yīng)力層或加入支撐劑之后才變緩，或者是溝通了天然裂縫，濾失量大大增加。
(5)線段V壓力曲線上下波動(dòng)，表示裂縫也在不斷延伸。同一地層的嚴(yán)重非勻質(zhì)性是造成這類曲線的主要原因。
1.1.2井底凈壓力求解和曲線的擬合
井底凈壓力是指裂縫內(nèi)流體流動(dòng)和巖石閉合壓力之差，目前用井底壓力和閉合壓力之差來表示。因此，要確定井底凈壓力，必須先得到井底壓力和裂縫閉合壓力。井底壓力可以由井下儀器精確測(cè)量，但由于目前壓裂施工條件的限制，很少有壓裂井直接下人井下儀器測(cè)量井底壓力，因此只有通過計(jì)算得到，井底凈壓力計(jì)算公式為：
式中：P。為井底凈壓力，MPa; Pw為地面井口壓力，MPa;P。為井筒靜液柱壓力，MPa;P，為管柱沿程摩阻損失，MPa;P。為孔眼摩阻損失，MPa;P。為裂縫閉合壓力，MPa。
其中，地面井口壓力可通過測(cè)量得到，井筒靜液柱壓力、管柱沿程摩阻損失、孔眼摩阻損失和裂縫閉合壓力可以由計(jì)算得到，壓裂裂縫閉合壓力也可通過現(xiàn)場(chǎng)降壓實(shí)驗(yàn)分析得出。
在求出井底靜壓力之后，就可以對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。井底凈壓力與時(shí)間關(guān)系為：
式中：t為時(shí)間，s;e為壓力一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的斜率計(jì)算值。兩邊取對(duì)數(shù)之后為線性關(guān)系，因此采用一元回歸分析來擬合直線。
本文通過對(duì)一段壓力，時(shí)間數(shù)據(jù)采取一元線性回歸分析，擬合出一條線性直線段來代表此段壓力曲線，并使用擬合的線性直線段的斜率來表示此段壓力曲線的斜率。由于將所有壓力數(shù)據(jù)采用一段線性直線進(jìn)行擬合會(huì)存在較大誤差，因此，為提高擬合精確度，在采用一元線性回歸分析進(jìn)行線性擬合前，對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分段很有必要。
在對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分類時(shí)，采取在同一段數(shù)據(jù)內(nèi)每?jī)蓛上噜彅?shù)據(jù)點(diǎn)斜率大小相近的原則。本文采用數(shù)據(jù)挖掘的方法進(jìn)行同類數(shù)據(jù)的聚類，滿足以上要求。在采集到新的壓力點(diǎn)時(shí)，先用聚類算法分析新加入的壓力點(diǎn)是否屬于已有的壓力段，如屬于則進(jìn)行擬合，否則結(jié)合前一點(diǎn)壓力點(diǎn)建立新的壓力段。即此時(shí)的壓力一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率突變，這種新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)段，很有可能是斜率突變點(diǎn)，也是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。
1.2預(yù)警模型的建立
結(jié)合上述原理，建立了一套井底靜壓力一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線結(jié)合油壓套壓一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線預(yù)警模型。通過計(jì)算得到井底壓力和閉合壓力，求出井底凈壓力，求出井底靜壓力一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率，判斷其斜率屬于上述五種類型中的哪一種。由于在發(fā)生壓裂施工危險(xiǎn)時(shí)總會(huì)伴隨著油壓套壓的變化，因此采取了井底靜壓力一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率結(jié)合油壓套壓．時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率進(jìn)行預(yù)警。油壓．時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線預(yù)警模型如圖2所示。套壓．時(shí)間雙對(duì)數(shù)預(yù)警模型與此模型相同。
圖2中，P。表示油壓；k1表示油壓．時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的斜率；k2表示井底靜壓力．時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的斜率。
通過支撐劑濃度是否大于0來判斷是否加砂，如果正在進(jìn)行加砂，當(dāng)油壓．時(shí)間雙對(duì)數(shù)斜率或套壓一時(shí)間雙對(duì)數(shù)斜率大于等于l時(shí)，說明此時(shí)“加砂”曲線處于第Ⅲ階段，此時(shí)如果井底凈壓力一時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率也大于等于1，表明發(fā)生了砂堵，此時(shí)應(yīng)控制排量和砂比來降低油壓套壓。當(dāng)油壓一時(shí)間雙對(duì)數(shù)斜率或套壓一時(shí)間雙對(duì)數(shù)斜率小于等于-1時(shí)，說明此時(shí)“加砂”曲線處于第Ⅳ階段，此時(shí)如果井底凈壓力，時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率也小于等于-1，表明發(fā)生了壓竄，此時(shí)應(yīng)注意壓力變化，防止出現(xiàn)砂堵和井噴，必要時(shí)暫停施工。
2軟件設(shè)計(jì)
基于上述預(yù)警模型結(jié)合壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、壓裂多源信息采集和遠(yuǎn)程傳輸，建立了壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖如圖3所示，主要分為壓裂實(shí)時(shí)輔助決策層、數(shù)據(jù)通信層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫管理層。
壓裂實(shí)時(shí)輔助決策層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析計(jì)算進(jìn)行預(yù)警和對(duì)壓裂數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)回放等功能，用于向壓裂施工人員和基地技術(shù)專家提供施工過程中的各項(xiàng)信息，幫助其實(shí)時(shí)獲取壓裂施工的進(jìn)展情況，為下一步將要進(jìn)行的施工步驟起到輔助決策的作用。歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)回放模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)選定的某口井的歷史數(shù)據(jù)回放，重現(xiàn)施工過程中的壓裂數(shù)據(jù)走向。壓裂預(yù)警模塊采用上述預(yù)警模型對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，提高壓裂的成功率。
數(shù)據(jù)通信層主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和暫存，規(guī)范數(shù)據(jù)流，防止發(fā)生混亂。它包括壓裂數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程傳輸和多源數(shù)據(jù)調(diào)閱。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集由安裝了壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)軟件井場(chǎng)端的現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)將壓裂儀表車上采集到的施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取進(jìn)來，并將數(shù)據(jù)暫存在內(nèi)存中的公共數(shù)據(jù)區(qū)。遠(yuǎn)程傳輸則是將暫存在公共數(shù)據(jù)區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回到基地服務(wù)器。本文采用3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示，多源數(shù)據(jù)調(diào)閱模塊調(diào)用服務(wù)器的多源數(shù)據(jù)調(diào)閱服務(wù)，從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫獲取當(dāng)前壓裂施工井的輔助施工信息。
服務(wù)層是整個(gè)壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的基石，處于整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的最底層，可以直接訪問數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的中轉(zhuǎn)站。壓裂遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸服務(wù)主要為井場(chǎng)端的壓裂數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)交囟颂峁┌l(fā)送和接收服務(wù)，是數(shù)據(jù)通信流的中轉(zhuǎn)站；多源數(shù)據(jù)調(diào)閱服務(wù)分為多源數(shù)據(jù)的上傳和下載，主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的多源數(shù)據(jù)的下載調(diào)閱和計(jì)算應(yīng)用分析。數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)主要為各種數(shù)據(jù)的上傳、下載和調(diào)閱查看提供服務(wù)。
數(shù)據(jù)庫管理層不直接訪問數(shù)據(jù)庫，它的所有操作通過調(diào)用服務(wù)層的數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)；而服務(wù)層直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行井型交互，這樣數(shù)據(jù)就不再分散地存儲(chǔ)在井場(chǎng)端工控機(jī)上或基地端客戶機(jī)上，而是全部統(tǒng)一地存儲(chǔ)在基地服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集中管理�；囟丝蛻魴C(jī)和井場(chǎng)端工控機(jī)就可以通過數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各自的管理操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分布式操作。公共數(shù)據(jù)管理主要對(duì)用戶管理數(shù)據(jù)、在線工程數(shù)據(jù)和工程索引數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；壓裂施工數(shù)據(jù)管理主要對(duì)壓裂液諸如涉及數(shù)據(jù)、施工圖進(jìn)行管理；施工總結(jié)報(bào)告主要實(shí)現(xiàn)對(duì)選定壓裂施工工程自動(dòng)生成施工總結(jié)報(bào)告，并對(duì)其進(jìn)行管理。
系統(tǒng)基于微軟公司的Visual Studi0 2010，采用新一代的編程語言C#進(jìn)行開發(fā)。由于壓裂施工監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)分為井場(chǎng)客戶端軟件、服務(wù)器端軟件和基地端軟件，是一種客戶端與服務(wù)器的交互模式，因此采用面向服務(wù)架構(gòu)( service-oriented architecture，SOA)。在．NET框架下實(shí)現(xiàn)SOA最好的方式是通信開發(fā)平臺(tái)( windows communication foundation, WCF)，WCF能很好地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承院桶踩裕诶L制曲線方面采用了圖形設(shè)備接口（graphics device interface，CDI）技術(shù)。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2008對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，SQL Server2008具有高效性、智能性和可信任性。通過數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，便于對(duì)壓裂數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)閱和分析。系統(tǒng)開發(fā)成功后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用。
3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
在華北油田壓裂現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，壓裂數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸延時(shí)在2。以內(nèi)，數(shù)據(jù)完全準(zhǔn)確，可以滿足基地端專家對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析要求。預(yù)警系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確，在雁63 -213x井壓裂過程中，當(dāng)進(jìn)行到146 min時(shí)發(fā)生警報(bào)，此時(shí)正處于“加砂”曲線的第Ⅲ階段，油壓．時(shí)間曲線斜率持續(xù)大于1且油壓也不斷升高，達(dá)到75 MPa，壓裂專家通過遠(yuǎn)程指揮現(xiàn)場(chǎng)施工人員采取降低排量、減小支撐劑濃度，使壓力逐漸趨于正常，最終施工順利完成。
4結(jié)束語
在分析了“加砂”曲線和加砂過程中的壓力后，建立壓裂預(yù)警模型，對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)工況進(jìn)行預(yù)警，保證壓裂施工順利的進(jìn)行。
為實(shí)現(xiàn)壓裂施工信息多源采集、實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和壓裂預(yù)警的總體目標(biāo)，調(diào)研壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)信息通信現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一套適用于目前國(guó)內(nèi)壓裂施工情況的壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警的總體方案。
基于微軟Visual Studi0 2010軟件開發(fā)工具，采用C#語言進(jìn)行編程，依據(jù)壓力．時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率異常情況預(yù)警理論，結(jié)合已構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)壓裂施工遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)軟件，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，確保該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。
