一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法。其技术方案是：第一层，物理空间层：即真实存在于物理世界中的实物井筒部分，第二层，数据层，即孪生数据库：包括基础数据和实时数据两部分；第三层，数据交互层：即依托井下传感器、信号接收器、光纤、5G通信技术将实时数据传输至虚拟模型层；第四层，虚拟模型层：即将物理世界的真实井筒通过数学建模实现在虚拟数字空间的实时、同步映射；第五层，应用层：孪生井筒在实时数据的驱动下不断更新，时刻保持与物理空间真实井筒同步。有益效果是：本发明专利技术以数字化的方法从多维度对钻井过程中的真实井筒进行精准映射，进而实现对整个钻井过程的监控、优化、分析、控制和预测。控制和预测。控制和预测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法


[0001]本专利技术涉及石油钻井工程领域，特别涉及一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法。

技术介绍

[0002]石油钻井是一项极其复杂的过程，同时也是油气勘探开发的重要手段。一方面，钻井在地下进行，可视化程度较低，在地面上很难直观的观察到钻进过程，导致钻井充满了复杂性和不确定性；随着钻井向深层、超深层钻进，井涌、井喷、井塌以及井漏等复杂情况或事故发生的几率不断增加，井控难度进一步增大，一旦发生井下复杂事故，将会严重影响钻进速度，增加钻井成本，造成财产损失甚至人员伤亡；另一方面，钻井各阶段产生的数据繁多，人为处理较为困难，虽然随着油田信息化建设，数据处理能力有所提高，但仍然存在着数据管理不当、利用不合理、不充分等问题。随着大数据、物联网、云计算等互联网技术以及人工智能技术的发展，油田企业越来越意识到数据资产的重要性，迫切需要一种技术将油田数据进行整合，形成数据资产并对其合理、充分利用，以此来提高钻井安全性，降低钻井成本。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法，以数字化的方法从多维度对钻井过程中的真实井筒进行精准映射，进而实现对整个钻井过程的监控、优化、分析、控制和预测。
[0004]本专利技术提到的一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法，其技术方案是：包括以下构建过程：将整个孪生系统的结构框架划分为五层，即：物理空间层、数据层、数据交互层、虚拟模型层和应用层；第一层，物理空间层：即真实存在于物理世界中的实物井筒部分（a），包括：井筒（1）、钻柱（2）、钻头（3）、套管（4）、井内流体（5）、地层岩石（6）；第二层，数据层，即孪生数据库（b）：包括基础数据和实时数据两部分，基础数据包括：地质勘探数据、邻井历史数据、钻井设计数据，实时数据即在钻井过程中实时产生的数据，可通过钻进参数仪、综合录井仪、MWD/LWD、气体检测仪进行实时采集；第三层，数据交互层：即依托井下传感器（7）、信号接收器（8）、通信技术将实时数据传输至虚拟模型层；第四层，虚拟模型层：即将物理世界的真实井筒通过数学建模实现在虚拟数字空间的实时、同步映射；建模过程为：将真实井筒分为两大部分，一部分是井筒的结构形态，包括井身结构以及钻柱；另一部分是井内流体，包括水、油、气、岩屑以及钻井液；对所划分的两部分分别进行建模，对于井筒的结构形态部分，根据钻井设计方案的井身结构数据、钻头数据、钻柱数据以及套管数据，借助数学模型建立与真实井筒几何性质以及物理性质完全一致的虚拟模型；对于井内流体部分，则从水力学角度出发，结合质量守恒方程、动量守恒
方程和能量守恒方程，建立井筒多相流动模型；第五层，应用层：孪生井筒在实时数据的驱动下不断更新，时刻保持与物理空间真实井筒同步。
[0005]优选的，在第四层中，为了满足钻井井控需求，需再结合地层压力计算模型、钻具摩阻扭矩计算模型、钻柱强度校核模型、溢流监测模型、漏失监测模型、机械钻速预测模型、基于智能算法的井下复杂事故诊断及预测模型的瞬态计算模型。
[0006]优选的，在第五层中，具体地实现如下：首先，进行井出口流量监测、溢流漏失监测、钻柱疲劳程度分析、摩阻扭矩分析、井眼轨迹监测、井眼净化能力分析、地层以及井筒压力计算；其次，通过进行实钻模拟，假设不同钻井参数，得到多种方案，从而进行参数优化设计，得到最优钻井方案；另外，实现了起下钻速度、钻速、钻井液排量、井下压力控制；最后，还可以对井下复杂事故进行诊断预测，提早发现井下事故，提前采取相应井控措施防止井下事故发生。
[0007]与现有技术相比，本专利技术的有益效果具体如下：1、本专利技术能够实现对钻井全过程的监控、优化、分析、控制和预测，可提高钻井安全性，降低钻井成本，并对井控具有重要的指导意义；2、本专利技术采用数字化的方式对真实井筒进行了同步、实时映射，对现场数据进行了合理整合，使得数据形成了数据资产，提高了现场数据的利用效率，对油田信息化建设有促进作用；3、本专利技术可以实现远程控制，可以极大的解放人力，提高钻井效率，同时，还可以通过实钻模拟来提高井队人员的业务能力和管理人员的决策能力；本专利技术借助于数字孪生技术将油田地质勘探数据、综合录井数据、测井数据以及钻井工程设计数据进行整合利用，建立与真实井筒保持高度一致且实时同步的虚拟数字井筒，可实现对钻前、钻中、钻后整个钻井周期的模拟、分析、优化、监控与预测；可提高钻井安全性，降低钻井成本，并对井控具有十分重要的指导意义。
附图说明
[0008]图1是本专利技术的一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法的结构框架示意图；图2是本专利技术所构建的虚拟井筒部分与实物井筒部分的结构对比示意图；上图中：井筒1、钻柱2、钻头3、套管4、井内流体5、地层岩石6、井下传感器7、信号接收器8、地面电脑终端9、实物井筒部分a、虚拟井筒部分b。
具体实施方式
[0009]以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0010]实施例1，本专利技术提到的一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法，其详细的构建方法如下：（1）利用MWD/LWD随钻测量设备以及井下传感器7将实时钻井参数信号传输至地面电脑终端9：将MWD/LWD钻铤安装在钻杆上，随钻头下放至井筒内；将随钻录井地面数据采集系
统安装在钻井泵和方钻杆之间，并利用它将压力脉冲信号转化为电信号，电信号由电缆传送给地面的信号接收器8。
[0011]（2）构建数据孪生库利用地面电脑终端9对来自地面的信号接收器8的电信号进行处理，提取关键参数信息，得到井斜角、方位角、工具面角等定向数据以及井底压力、扭矩、转速等钻进参数；结合前期的钻井设计方案和地质勘探的数据，得到相关数据，主要包括：井筒1、套管4、钻头3、钻柱2的几何数据及物性参数、地质数据、流体物性参数及流动参数等；钻井数据具有种类多、体量大、尺度不一致等特性，这些数据如何存储成为构建孪生数据库的一个新挑战。SuperMap GIS软件空间数据库引擎提供了数据一体化存储能力，支持分布式部署，其先进的存储技术能够针对数据需求快速定制不同的存储方式，满足海量多源钻井数据的一体化存储，借助SuperMap GIS软件提供的海量多源异构数据汇聚能力，按照“一数一源”原则、数据接入标准，将上述多来源多类型的钻井数据接引到数据库中，完成孪生数据库的构建。
[0012]（3）根据井筒、套管、钻头、钻柱等几何数据，建立与实物井筒部分a的几何性质与物理性质高度一致的虚拟井筒部分b：三维建模软件的选择对于模型的建立具有非常重要的作用，从功能扩展、与虚拟仿真场景衔接及模型精度等方面综合考虑，选择常用的数字化建模软件Solid Works对井筒进行建模；根据实钻数据以及钻前设计数据等参数，利用Solid Works建立与真实井筒几何性质与物理性质高度一致的虚拟井筒。
[0013]（4）对于井内流体——油、气、岩屑，基于水动力学原理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生技术的数字井筒构建方法，其特征是：包括以下构建过程：将整个孪生系统的结构框架划分为五层，即：物理空间层、数据层、数据交互层、虚拟模型层和应用层；第一层，物理空间层：即真实存在于物理世界中的实物井筒部分（a），包括：井筒（1）、钻柱（2）、钻头（3）、套管（4）、井内流体（5）、地层岩石（6）；第二层，数据层，即孪生数据库（b）：包括基础数据和实时数据两部分，基础数据包括：地质勘探数据、邻井历史数据、钻井设计数据，实时数据即在钻井过程中实时产生的数据，可通过钻进参数仪、综合录井仪、MWD/LWD、气体检测仪进行实时采集；第三层，数据交互层：即依托井下传感器（7）、信号接收器（8）、通信技术将实时数据传输至虚拟模型层；第四层，虚拟模型层：即将物理世界的真实井筒通过数学建模实现在虚拟数字空间的实时、同步映射；建模过程为：将真实井筒分为两大部分，一部分是井筒的结构形态，包括井身结构以及钻柱；另一部分是井内流体，包括水、油、气、岩屑以及钻井液；对所划分的两部分分别进行建模，对于井筒的结构形态部分，根据钻井设计方案的井身结构数据、钻头数据、钻柱数据以及套管数据，借助数学模型建...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹邦堂，冯凯，孙宝江，王志远，高永海，殷志明，任美鹏，刘书杰，李昊，张剑波，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：