【技术实现步骤摘要】
一种多因素融合的井控风险动态定量评估方法及系统
[0001]本专利技术属于石油工程领域，具体地，涉及一种多因素融合的井控风险动态定量评估方法及系统。
技术介绍
[0002]钻井作业安全是油气勘探的关键技术问题，钻井具有专业性、隐蔽性、高投资等特点，因此钻井作业具有很大的挑战性。钻井作业的瞬态性、交叉性、连续性和复杂性决定了风险的多样性，因此，钻井作业期间的安全是最需要考虑的方面。随着石油勘探不断向更深、更复杂的领域延伸，钻井事故的概率会随着地质条件的不确定性和复杂性增加而增加。在所有钻井事故中，井喷是钻井作业中最严重的事故，为避免此类灾难性事故的发生，对钻井作业过程中的风险进行预测和分析非常重要。
[0003]风险评估对于决策者识别和评估钻井风险并采取控制措施至关重要。它还有助于大幅减少钻井作业期间不必要的停机或停工的时间(成本)，从而提高石油和天然气生产的安全性、连续性和可持续性。钻井事故不仅是由于人为失误、钻井设备故障等造成的，还包括复杂地质构造导致的液柱压力与地层压力不匹配、井筒压力控制失灵等原因。
[...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.多因素融合的井控风险动态定量评估方法，其特征在于：包含五个主要步骤：地质数据收集与处理、失效数据采集与处理、建立参数模型、钻井井控风险动态评估、建立结构模型；地质数据收集与处理的具体步骤为：S101：从已经建立的钻井数据库中收集录井资料、邻井测井资料、压力测试资料以及岩心试验资料等钻井资料钻井地质力学参数模型可以表示为一维纵向上沿井深的剖面，即地层压力剖面，但是更完整的钻井地质力学参数模型应该包含三维区域特征。这就需要由邻井钻完井报告及相关实钻数据、区域地震资料、已钻井测井资料、随钻工程测量参数、随钻测井资料以及钻井日报等相关信息共同确定。可以将整个钻井工程周期内的多源信息流划分为：钻前、钻中和钻后。钻前信息主要包括：区域地震资料、邻井测井、岩心试验、压力测试、井史报告和事故统计资料等；钻中信息主要包括：随钻测井工程等资料、上部已钻井段的测井资料以及钻井作业过程中实时的综合录井资料等；钻后信息包括：实际操作与设计对比、知识记录、专家学习等。通过对整个周期内获取的所有数据与信息进行总结分析，建立钻井工程数据库，为钻井方案的制定提供技术支持。S102：通过对S101所收集的资料基于概率统计、蒙特卡洛模拟等理论计算钻井地质力学参数，包括：岩石力学参数、地层压力以及地应力钻井地质力学参数主要包括：岩石力学参数、地应力、地层孔隙、坍塌和破裂压力等。在钻井工程实际中，由于钻井工程施工作业的特殊性，以及受地质条件的不确定性、作业环境因素的变异性、施工方法和设计参数的复杂性等多方面的影响，这就导致在钻井作业施工过程中会不时地碰到很多不确定因素，钻井地质力学参数的预测结果存在不确定性，与井下实际信息之间必然有误差。当钻井工程设计不得不依靠这些不充分、不完整、不准确的信息制定时，就可能引发井涌、井塌、井漏、卡钻等各类钻井工程风险。通过收集区域地震资料和已钻井测井资料、完井资料等，基于概率统计、蒙特卡洛模拟等理论计算了钻井地质力学参数。主要实施方法：根据邻井测井、录井、压力测试及岩心实验等资料，计算区域内已钻井的钻井地质力学参数，基于概率统计分析、蒙特卡洛模拟等理论，建立含不确定度钻井地质力学参数钻前描述方法，得到单井含不确定度的地层孔隙压力、坍塌及破裂压力。地球力学模型主要是由岩石力学特性(杨氏模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、)和地质力学参数(垂向应力或上覆岩层压力、最大水平主应力、最小水平主应力、孔隙压力)组成。地球力学模型是定量风险评估的关键变量。
⑴
岩石力学特性
①
杨氏模量和泊松比：假设岩石是弹性各向同性的，则弹性参数可以通过体积密度和声波时间进行计算估计。动态弹性模量和动态泊松比可表示为：波时间进行计算估计。动态弹性模量和动态泊松比可表示为：其中E为杨氏模量；μ是泊松比；ρ
b
是岩石体积密度，g/cm3；Δt
c
和Δt
s
分别是纵波时差和
横波时差。
②
内聚力：从纵波和横波时间差中识别出剪切波的存在可以揭示地层岩石的剪切变形，而岩石的压缩变形和剪切变形可以间接揭示其力学性质。可以使用声学、密度和自然伽马测井数据估计凝聚力：其中C0是内聚力，MPa；v
c
是岩石的纵波速度；V
cl
是泥浆含量，％。
③
内摩擦角：内摩擦角由声波压缩速度确定，可表示为：其中是内摩擦角，
°
；V
p
是声波压缩速度。
④
抗拉强度：当样品中某个平面上的有效拉伸应力超过称为拉伸强度的临界极限时，就会发生拉伸破坏。抗拉强度是岩石的特性，可表示为：S
t
＝(0.0045E(1
‑
V
cl
)+0.008EV
cl
)/K其中S
t
是抗拉强度，MPa；K是个常数，K＝8
‑
15。
⑵
地质力学参数
①
垂向应力(上覆岩层压力)：垂向应力或上覆岩层压力是指地层岩石基质和孔隙中流体的总重力所形成的压力。在深度H处，垂直应力可表示为：σ
v
＝∫
HH
ρ
b
gdz其中σ
v
是垂向应力或上覆岩层压力，MPa；g是重力加速度，m/s2。
②
孔隙压力：地层孔隙压力是指岩石孔隙中的流体所具有的压力Eaton法是目前钻井最为常用的地层孔隙压力计算方法，计算模型如下：其中p
p
是孔隙压力，MPa；p
h
是静水压力，MPa；Δt
cn
是从纵波测井资料得到的正压实趋势线；n是伊顿指数。
③
水平应力：水平应力是上覆岩层压力在水平方向产生的侧压力和构造运动产生的构造应力作用的结果，由最大水平主应力和最小水平主应力来表征，具体计算如下：其中σ
H
是最大水平主应力，MPa；σ
h
是最小水平主应力，MPa；α是Biot系数；ε
x
和ε
y
是最小和最大水平应力方向的应变系数，分别为0.0005和0.0002。由上述地球力学模型可计算地层坍塌压力和破裂压力。
⑶
地层坍塌压力：井眼形成后井壁周围的岩石应力集中，当井壁围岩所受的切向应力和径向应力的差值达到一定数值后，将形成剪切破坏，造成井眼坍塌，此时的钻井液柱压力
即为地层坍塌压力，由摩尔
‑
库仑准则确定：A＝cot(45
°‑
φ/2)其中p
c
是地层坍塌压力，MPa；η是非线性应力矫正因子。
⑷
地层破裂压力：地层破裂压力是指某一深度的地层发生破裂或产生裂缝是所承受的压力，计算公式如下：p
f
＝3σ
h
‑
σ
H
‑
αp
p
+S
t
其中p
f
是地层破裂压力，MPa。S103：将S102得到的钻井地质力学参数与压力约束准则结合，确定安全钻井液密度窗口安全钻井液密度窗口是指井筒稳定性和安全钻井作业的上下限之间的范围，能够防止一些钻井事故，如井涌、井塌、井漏、卡钻等。根据压力约束准则，安全钻井液密度窗口的计算如下：
①
防井涌下限值：ρ
k
＝p
p
+S
b
+Δρ
②
防井塌下限值：ρ
c
＝p
c
+S
b
③
防卡钻上限值：
④
防井漏上限值：ρ
l
＝p
f
‑
S
g
‑
S
c
‑
S
f
其中ρ
k
为防井涌下限值，g/cm3；ρ
c
防井塌下限值，g/cm3；ρ
sk
防卡钻上限值，g/cm3；ρ
l
是防井漏上限值，g/cm3；S
b
是抽汲压力系数，g/cm3；S
g
是冲击压力系数，g/cm3；S
c
是循环压力损失系数，g/cm3；S
f
是破裂压力的安全系数，g/cm3；Δρ是附加泥浆密度，g/cm3；ΔP是卡钻的压差允许值，MPa。失效数据采集与处理的具体步骤为：S201：收集和读取钻井人员与设备的状态数据状态数据包含两个部分：钻井人员状态数据和钻井设备状态数据。
①
钻井人员状态数据：主要是由钻井人员的身体和心理状态组成，包括人的疲劳累积程度、压力累积程度、学习状态、工作绩效等数据，用于钻井人员的身体和心理状态对钻井事故发生的影响。
②
钻井设备状态数据：本发明主要适用于控压钻井装置，因此设备状态数据包括旋转控制头的状态、防喷器的状态、各种阀的阀位和开度、流量信息、泵组转速、钻井液罐和灌浆罐液位信息等数据，用于计算在钻进过程中由于钻井设备损坏而导致钻井事故发生的概率。S202：根据S201所读取的数据进行逻辑分析，判断钻井人员与设备的状态
S203：通过在钻井过程中布置传感器、摄像头等设备，采集钻井过程中的一系列信号S204：对所采集的传感器信号进行去噪处理，并进行时频域分析
⑴
去噪处理：信号在传输的过程中很容易受到外界因素的影响，所传输的实际信息也会因此受到影响。小波变换可以对非平稳信号进行有效处理，能够在时间和频域上同时进行局域化分析。因此，本发明采用小波变换进行去噪处理。小波变换阈值去噪的基本思想是提前设置好一个临界值作为阈值。对含噪信号进行阈值去噪是对进行小波变换，将阈值和系数进行比较，对大于和小于阈值的系数进行分别处理。对大于阈值系数进行保留处理，小于阈值的系数被置为零处理，对留下的系数进行小波重构得到处理后的信号。其中是小波函数，W
e
(a,t)是e(t)的小波变换，采用通用阈值规则选取小波变换阈值去噪法的阈值λ，如下所示：其中σ为附加噪声信号的标准差，N为实际测量信号f(t)经过小波变换分解在得到的小波系数个数的总和。采用的软阈值处理函数对测量信号的小波变换系数进行非线性阈值处理，如下所示：
⑵
时频域分析：对于已去噪处理的传感器信号，除了需要获取信号的频域特征，还需分析信号的时间历程变化以提取瞬态信息。强大的时频域分析方法能够对信号的频率与时间的相互关系进行反映，并能够描述信号的局部细节特征，对非平稳信号的处理分析大有裨益。采用短期傅里叶变换进行时频域分析：其中，ω(t)表示截断窗口，将截断后每段信号进行逐步分析，信号随时间的变化特性就可以通过对比各个时间段的局部频谱图来获取。S205：通过对以分析的数据进行计算，得到钻井人员和设备的失效数据
⑴
钻井人员失效数据计算：人为因素是理解和分析人的表现和确保工作场所安全的主要因素。执行与安全相关或时间紧迫的任务的工人经常要承担对身体和精神要求很高的任务，从而导致过度疲劳和高压力水平，从而对他们的绩效产生负面影响。此外，学习是员工的内在行为特征，它直接影响绩效。对各种绩效塑造因素(PSF)的汇合进行严格管理，以提高系统生产力并确保工人的安全。主要的PSF有身体疲劳、工作压力和工作经验。通过对钻井人员状态数据的分析和处理，分别量化身体疲劳、工作压力和工作经验对钻井事故发生的影响，如下：
...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘增凯，马强，陈琦，史学伟，韩忠昊，蔡宝平，张彦振，刘永红，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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