基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法及装置，包括：采集第一控压钻井数据，对其进行归一化处理、白化处理、奇异值分解，并计算变化矩阵，根据第一控压钻井归一化数据和变化矩阵计算主导慢特征和剩余慢特征，并基于给定的显著水平，计算四个统计量的控制限；实时采集第二控压钻井数据，并对其进行归一化处理；根据归一化数据和变化矩阵，计算第二控压钻井归一化数据的主导慢特征和剩余慢特征，并根据其计算第二控压钻井数据的四个统计量；将第二控压钻井数据的四个统计量与四个统计量的控制限进行相应比较，根据比较结果对控压钻井过程的故障检测结果进行分析。该方案可有效提高控压钻井过程故障检测的准确性。

Fault detection method and device for pressure controlled drilling process based on slow feature analysis

The invention provides a fault detection method and device for pressure control drilling process based on slow characteristic analysis, including: collecting the first pressure control drilling data, normalizing, whitening, singular value decomposition, calculating the change matrix, calculating the dominant slow characteristic according to the first pressure control drilling normalized data and the change matrix. The control limits of the four statistics are calculated based on the given significant level, the second controlled pressure drilling data are collected in real time and normalized, and the dominant and residual slow characteristics of the normalized data are calculated according to the normalized data and the change matrix. Four statistics of the second controlled pressure drilling data are compared with the control limits of the four statistics, and the fault detection results of the control pressure drilling process are analyzed according to the comparison results. This scheme can effectively improve the accuracy of fault detection in controlled drilling process.

【技术实现步骤摘要】
基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法及装置
本专利技术涉及控压钻井过程故障检测
，特别涉及一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法及装置。
技术介绍
在油气田的开发过程中，钻井作业是高风险、高投入的，且钻井事故不仅损害操作人员的身体健康而且会对自然环境造成破坏。随着石油资源的日益枯竭，为了开发不易钻采的储层资源，控压钻井技术(ManagedPressureDrilling，MPD)得到了广泛应用。控压钻井技术的目的就是要精确地控制井底环空压力，使其处于岩层的窄压力窗口之内。在应用控压钻井技术过程中，主要的花费来自于非生产时间(Non-productivetime,NPT)，约占钻井总时间的20％-25％，而各种钻井故障又是造成非生产时间的主要原因。因此，对控压钻井系统的钻井过程进行检测及时发现各种钻井故障，可以大大缩短非生产时间，降低钻井成本。随着井下信号采集与传输技术以及电子司钻系统的发展，大量的钻井数据被记录、存储在数据库中。基于钻井数据，利用多变量统计过程监控(MultivariateStatisticalProcessMonitoring,MSPM)技术可以对控压钻井过程执行故障检测。然而在实际的钻井过程中，随着钻井深度的增加，基于不同窄压力窗口井底压力需被控制在不同的设定值。当井底压力设定值被改变时，由于控制器的调节作用井底压力会维持在新的设定值，钻井过程仍然能安全、高效地进行。在这种情况下，基于监测稳态工作点偏移的传统监控方法会给出错误的报警信息，不能够区分正常的井底压力设定值变化与确实发生的钻井故障，使司钻人员陷入大量的虚假报警信息中，一方面为了排查并确认故障与否会显著地增加非生产时间，提高钻井成本，另一方面也会降低司钻人员对于故障检测的信任度以至于面对确实发生的故障时可能因为轻易忽略而导致灾难性故障的发生。因此，非常有必要开发一种高效的控压钻井过程故障检测方法，能有效地区分真正发生的不可控故障和操作状态切换。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法及装置，可有效提高控压钻井过程故障检测的准确性。该基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法包括：采集正常工况下的第一控压钻井数据；对所述第一控压钻井数据进行归一化处理，获得第一控压钻井归一化数据；对所述第一控压钻井归一化数据进行白化处理，获得第一控压钻井白化数据；对所述第一控压钻井白化数据进行奇异值分解，获得第一控压钻井奇异值分解数据；根据所述第一控压钻井白化数据和所述第一控压钻井奇异值分解数据，计算变化矩阵；根据所述第一控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度；根据所述第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度，计算第一主导慢特征和第一剩余慢特征；根据所述第一主导慢特征和第一剩余慢特征，基于给定的显著水平，计算四个统计量的控制限；实时采集第二控压钻井数据，对所述第二控压钻井数据进行归一化处理，获得第二控压钻井归一化数据；根据所述第二控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第二控压钻井归一化数据的慢特征、第二主导慢特征和第二剩余慢特征；根据所述第二主导慢特征和第二剩余慢特征，计算第二控压钻井数据的四个统计量；将所述第二控压钻井数据的四个统计量与所述四个统计量的控制限进行相应比较，根据比较结果对控压钻井过程的故障检测结果进行分析。该基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测装置包括：控压钻井数据采集模块，用于采集正常工况下的第一控压钻井数据；归一化处理模块，用于对所述第一控压钻井数据进行归一化处理，获得第一控压钻井归一化数据；白化处理模块，用于对所述第一控压钻井归一化数据进行白化处理，获得第一控压钻井白化数据；奇异值分解处理模块，用于对所述第一控压钻井白化数据进行奇异值分解，获得第一控压钻井奇异值分解数据；变化矩阵计算模块，用于根据所述第一控压钻井白化数据和所述第一控压钻井奇异值分解数据，计算变化矩阵；慢特征计算模块，用于根据所述第一控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度；所述慢特征计算模块还用于：根据所述第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度，计算第一主导慢特征和第一剩余慢特征；统计量控制限计算模块，用于根据所述第一主导慢特征和第一剩余慢特征，基于给定的显著水平，计算四个统计量的控制限；所述控压钻井数据采集模块还用于：实时采集第二控压钻井数据；所述归一化处理模块还用于：对所述第二控压钻井数据进行归一化处理，获得第二控压钻井归一化数据；所述慢特征计算模块还用于：根据所述第二控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第二控压钻井归一化数据的慢特征、第二主导慢特征和第二剩余慢特征；统计量计算模块，用于根据所述第二主导慢特征和第二剩余慢特征，计算第二控压钻井数据的四个统计量；比较分析模块，用于将所述第二控压钻井数据的四个统计量与所述四个统计量的控制限进行相应比较，根据比较结果对控压钻井过程的故障检测结果进行分析。在本专利技术实施例中，利用慢特征分析技术，通过离线建立检测模型(计算变换矩阵、构造统计量和计算统计量控制限)，采用检测模型对实时控压钻井数据计算统计量，然后将统计量和统计量控制限进行比较，根据比较结果来综合解释控压钻井过程的故障检测结果，可有效提高控压钻井过程故障检测的准确性，降低误报警率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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是典型控压钻井过程的流程结构图；图2是本专利技术实施例提供的一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法流程图；图3-图8本专利技术实施案例所述基于慢特征分析的故障检测方法对控压钻井故障的检测效果图；图9是本专利技术实施例提供的一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测装置结构框图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术实施例中，提供了一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，该方法是在司钻控制系统中实现的，方法中的数据采样是基于图1所示的典型控压钻井过程，其中，PI是压力指示值的意思，测量此处的压力。如图2所示，该方法包括：步骤201：采集正常工况下的第一控压钻井数据；步骤202：对所述第一控压钻井数据进行归一化处理，获得第一控压钻井归一化数据；步骤203：对所述第一控压钻井归一化数据进行白化处理，获得第一控压钻井白化数据；步骤204：对所述第一控压钻井白化数据进行奇异值分解，获得第一控压钻井奇异值分解数据；步骤205：根据所述第一控压钻井白化数据和所述第一控压钻井奇异值分解数据，计算变化矩阵；步骤206：根据所述第一控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度；步骤207：根据所述第一控压钻井归一化数据的慢特征的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，其特征在于，包括：采集正常工况下的第一控压钻井数据；对所述第一控压钻井数据进行归一化处理，获得第一控压钻井归一化数据；对所述第一控压钻井归一化数据进行白化处理，获得第一控压钻井白化数据；对所述第一控压钻井白化数据进行奇异值分解，获得第一控压钻井奇异值分解数据；根据所述第一控压钻井白化数据和所述第一控压钻井奇异值分解数据，计算变化矩阵；根据所述第一控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度；根据所述第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度，计算第一主导慢特征和第一剩余慢特征；根据所述第一主导慢特征和第一剩余慢特征，基于给定的显著水平，计算四个统计量的控制限；实时采集第二控压钻井数据，对所述第二控压钻井数据进行归一化处理，获得第二控压钻井归一化数据；根据所述第二控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第二控压钻井归一化数据的慢特征、第二主导慢特征和第二剩余慢特征；根据所述第二主导慢特征和第二剩余慢特征，计算第二控压钻井数据的四个统计量；将所述第二控压钻井数据的四个统计量与所述四个统计量的控制限进行相应比较，根据比较结果对控压钻井过程的故障检测结果进行分析。...

【技术特征摘要】
1.一种基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，其特征在于，包括：采集正常工况下的第一控压钻井数据；对所述第一控压钻井数据进行归一化处理，获得第一控压钻井归一化数据；对所述第一控压钻井归一化数据进行白化处理，获得第一控压钻井白化数据；对所述第一控压钻井白化数据进行奇异值分解，获得第一控压钻井奇异值分解数据；根据所述第一控压钻井白化数据和所述第一控压钻井奇异值分解数据，计算变化矩阵；根据所述第一控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度；根据所述第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度，计算第一主导慢特征和第一剩余慢特征；根据所述第一主导慢特征和第一剩余慢特征，基于给定的显著水平，计算四个统计量的控制限；实时采集第二控压钻井数据，对所述第二控压钻井数据进行归一化处理，获得第二控压钻井归一化数据；根据所述第二控压钻井归一化数据和所述变化矩阵，计算第二控压钻井归一化数据的慢特征、第二主导慢特征和第二剩余慢特征；根据所述第二主导慢特征和第二剩余慢特征，计算第二控压钻井数据的四个统计量；将所述第二控压钻井数据的四个统计量与所述四个统计量的控制限进行相应比较，根据比较结果对控压钻井过程的故障检测结果进行分析。2.如权利要求1所述的基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，其特征在于，按照如下公式对第一控压钻井数据进行归一化处理：其中，u(t)表示由N个采样时刻的控压钻井数据构成的输入数据，uj(t)表示第j个控压钻井数据，j＝1,2,…,m，m为输入数据的维数；mean(·)表示求均值，std(·)表示求标准差；x(t)表示归一化后的输入数据，xj(t)表示归一化后的第j个控压钻井数据。3.如权利要求2所述的基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，其特征在于，按照如下方式对第一控压钻井归一化数据进行白化处理，获得第一控压钻井白化数据：对归一化后的输入数据的协方差矩阵E{x(t)xT(t)}进行奇异值分解E{x(t)xT(t)}＝UΛUT，得到白化矩阵Q＝Λ-1/2UT，其中，Λ为对角阵，Λ＝diag{λ1,λ2,…,λm}，λi为协方差矩阵E{x(t)xT(t)}的特征值，U为特征值所对应的特征向量所组成的矩阵，E{·}表示求期望，T表示转置；z(t)表示白化数据，z(t)＝Qx(t)＝Λ-1/2UTx(t)。4.如权利要求3所述的基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，其特征在于，按照如下方式对所述第一控压钻井白化数据进行奇异值分解：计算白化数据z(t)的一阶导其中，Δt为采样时间间隔；对矩阵进行奇异值分解其中，Ω为对角阵，Ω＝diag{ω1,ω2,…,ωm}，ωi为矩阵的特征值，i＝1,2,…,m，ω1≤ω2≤…≤ωm，P为特征值所对应的特征向量所组成的矩阵。5.如权利要求4所述的基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，其特征在于，按照如下公式计算变化矩阵：W＝PQ＝PΛ-1/2UT；其中，W表示变化矩阵。6.如权利要求5所述的基于慢特征分析的控压钻井过程故障检测方法，其特征在于，按照如下方式计算第一控压钻井归一化数据的慢特征的快慢程度：计算经过归一化后的输入数据x(...

【专利技术属性】
技术研发人员：高小永，左信，李海寿，王宇红，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11