科研動(dòng)態(tài)
基于自適應(yīng)觀測(cè)器的控壓鉆井氣侵早期檢測(cè)方法
論文題目：基于自適應(yīng)觀測(cè)器的控壓鉆井氣侵早期檢測(cè)方法
錄用期刊/會(huì)議：中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), (EI中文期刊)
錄用/見刊時(shí)間：2023.12.06
作者列表：
1）尹士軒 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博23
2）徐寶昌 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系 教師
3）孟卓然 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博20
4）陳貽祺 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博21
5）尤香凝 中國石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 碩21
摘要:
控壓鉆井過程中，鉆遇窄安全壓力窗口的地層可能會(huì)出現(xiàn)氣侵等井下異常工況。本文以氣侵的早期檢測(cè)為目標(biāo)，應(yīng)用自適應(yīng)觀測(cè)器估計(jì)井下不確定參數(shù)及未知狀態(tài)，并基于此構(gòu)建氣侵檢測(cè)方法。首先，以“雙形”氣泡表示方法為基礎(chǔ)建立了簡化氣液兩相流模型，并與OLGA仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證模型有效性。其次，將氣藏產(chǎn)能指數(shù)與氣體密度視為不確定參數(shù)，氣體體積視為未知狀態(tài)，設(shè)計(jì)并應(yīng)用一種類Luenberger自適應(yīng)觀測(cè)器估計(jì)井下氣侵工況的關(guān)鍵參數(shù)及狀態(tài)，并結(jié)合霍特林的T2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)構(gòu)建氣侵檢測(cè)方法。最后，仿真分析表明，本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)觀測(cè)器能夠很好地與簡化兩相流模型相結(jié)合，用于實(shí)時(shí)估計(jì)侵入井筒內(nèi)的氣體體積并準(zhǔn)確跟蹤井底壓力和出口流量的變化。本文所構(gòu)建的氣侵檢測(cè)方法相較于聲波法、出入口流量差法和總池體積法，能夠在不同氣侵程度下快速且顯著地實(shí)現(xiàn)氣侵早期檢測(cè)。
背景與動(dòng)機(jī):
隨著鉆井深度的不斷增加，鉆遇窄安全壓力窗口地層的概率會(huì)增大，易出現(xiàn)氣侵、溢流等井下異常工況，嚴(yán)重威脅著鉆井安全。控壓鉆井(Managed Pressure Drilling, MPD)技術(shù)被證明是快速提升井筒安全的有效方法，通過精確控制井筒壓力可以有效抑制氣侵作用，達(dá)到減少非鉆進(jìn)時(shí)間以及減少鉆井事故的目的。但在實(shí)際過程中，井侵氣體運(yùn)移至井筒中部甚至是中上部才開始劇烈膨脹，進(jìn)而造成總池體積、出口流量的急劇增加，若此時(shí)采取控壓措施，往往錯(cuò)過了抑制氣侵的最佳時(shí)期，嚴(yán)重情況可能會(huì)造成井噴等重大鉆井事故。因此，早期檢測(cè)氣侵對(duì)于MPD系統(tǒng)安全有效抑制氣侵至關(guān)重要。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
（1）簡化氣液兩相流模型
為模擬侵入井筒內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)，將整個(gè)井筒看作一個(gè)固定邊界的控制體積(Control Volume, CV)，且CV中僅包含一個(gè)氣泡，氣泡的描述采用“雙形”氣泡表示方法。
圖 1 “雙形”氣泡表示方法
簡化氣液兩相流模型方程如下：
實(shí)際氣侵過程中，氣藏產(chǎn)能指數(shù)無從得知，且無法準(zhǔn)確判斷侵入何種氣體，因此可將其設(shè)為不確定參數(shù)。令
，
，
，簡化兩相流模型可改寫為如下狀態(tài)空間形式，其中
均為常數(shù)。
（2）自適應(yīng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)
考慮如下形式的非線性系統(tǒng)：
設(shè)計(jì)可聯(lián)合估計(jì)不確定參數(shù)和未知狀態(tài)的類Luenberger觀測(cè)器：
（3）氣侵檢測(cè)方法
采用霍特林的T2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)完善氣侵早期檢測(cè)方法，該方法由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)離線設(shè)計(jì)與在線氣侵檢測(cè)兩部分組成。
圖 2 基于自適應(yīng)觀測(cè)器的氣侵檢測(cè)方法
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
將簡化兩相流模型與OLGA仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證該模型應(yīng)用在氣侵早期檢測(cè)中的有效性。
圖 3 簡化兩相流模型與OLGA仿真數(shù)據(jù)對(duì)比
針對(duì)簡化兩相流模型，應(yīng)用自適應(yīng)觀測(cè)器進(jìn)行仿真分析，采用OLGA模擬器生成數(shù)據(jù)作為仿真實(shí)驗(yàn)的真實(shí)值數(shù)據(jù)來源。
圖 4 不確定參數(shù)估計(jì)值和真實(shí)值
圖 5 狀態(tài)估計(jì)值和真實(shí)值(OLGA數(shù)據(jù))
圖4仿真結(jié)果表明：不確定參數(shù)均能在60s內(nèi)收斂至真實(shí)值，收斂速度快且估計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確。由圖5仿真結(jié)果可知：在氣侵工況下，本文所提自適應(yīng)觀測(cè)器能夠使估計(jì)值在60s內(nèi)跟蹤上正在變化的井底壓力和出口流量，且后續(xù)的估計(jì)誤差幾乎為0，體現(xiàn)了觀測(cè)器良好的跟蹤性能。自適應(yīng)觀測(cè)器在60s時(shí)對(duì)氣體體積的估計(jì)誤差為0.21m3，在120s時(shí)估計(jì)誤差縮小至0.15m3，在180s后估計(jì)誤差幾乎為0。表明本文所提自適應(yīng)觀測(cè)器在不確定參數(shù)給定初值與真實(shí)值相差較大時(shí)，仍能將不確定參數(shù)收斂至真實(shí)值。自適應(yīng)觀測(cè)器對(duì)井筒內(nèi)氣體體積的估計(jì)效果良好，估計(jì)誤差能夠保持在很小的區(qū)間內(nèi)并持續(xù)縮小至0。
為驗(yàn)證本文氣侵早期檢測(cè)方法應(yīng)用于實(shí)際工況的有效性，選用聲波法、出入口流量差法和總池體積法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
圖 6 四種氣侵早期檢測(cè)方法的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量對(duì)比
對(duì)比其他三種方法的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量變化顯著程度，該方法遠(yuǎn)大于其他檢測(cè)方法，可有效避免誤報(bào)警。此外，為充分說明本文氣侵早期檢測(cè)方法的有效性，對(duì)比分析了不同氣侵程度下四種檢測(cè)方法的氣侵檢測(cè)時(shí)間。
圖 7 四種氣侵早期檢測(cè)方法的檢測(cè)時(shí)間對(duì)比
對(duì)比分析可知，特別在氣侵程度較小的情況下，本文氣侵早期檢測(cè)方法相較于聲波法、出入口流量差法和總池體積法表現(xiàn)出更好的診斷性能，能夠及時(shí)且靈敏地檢測(cè)出氣侵。
小結(jié):
(1)基于“雙形”氣泡表示方法建立了簡化氣液兩相流模型，通過與OLGA仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了該模型在復(fù)雜度適中的情況下能保證良好的計(jì)算精度。
(2)設(shè)計(jì)了一種基于觀測(cè)器匹配條件的自適應(yīng)觀測(cè)器，用于實(shí)時(shí)估計(jì)井下氣侵工況的不確定參數(shù)(氣藏產(chǎn)能指數(shù)及氣體密度)與未知狀態(tài)(氣體體積)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合霍特林的T2檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)構(gòu)建氣侵檢測(cè)方法。
(3)仿真結(jié)果表明，當(dāng)氣侵正在發(fā)生時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)觀測(cè)器能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)侵入井筒的氣體體積并準(zhǔn)確跟蹤井底壓力和出口流量的變化。基于該自適應(yīng)觀測(cè)器的氣侵早期檢測(cè)方法相較于聲波法、出入口流量差法和總池體積法，可以在不同氣侵程度下快速且顯著地檢測(cè)出氣侵，能夠?yàn)橐种茪馇众A得寶貴時(shí)間。
作者簡介:
徐寶昌，副教授，博士生導(dǎo)師/碩士生導(dǎo)師。長期從事復(fù)雜系統(tǒng)的建模與先進(jìn)控制；鉆井過程自動(dòng)控制技術(shù)；井下信號(hào)的測(cè)量與處理；多傳感器信息融合與軟測(cè)量技術(shù)等方面的研究工作。現(xiàn)為中國石油學(xué)會(huì)會(huì)員，中國化工學(xué)會(huì)信息技術(shù)應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)委員。曾參與多項(xiàng)國家級(jí)、省部級(jí)科研課題的科研工作，并在國內(nèi)外核心刊物發(fā)表了論文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收錄30余篇。