摘　要：為了控制鉆井復雜與事故，國內外一直都致力于研究建立智能的鉆井風險控制系統。通過調研分析NDS和eDrilling等國外成熟的鉆井風險控制系統以及國內在鉆井事故專家系統、利用智能方法識別鉆井事故、遠程鉆井事故專家系統、借助綜合錄井儀進行鉆井事故診斷等方面的成果，明確了我國自主開發鉆井風險控制系統的必要性和緊迫性。進而提出并建立了國內鉆井風險控制系統的整體架構方案，其應實現的功能包括系統整體架構、鉆井實時數據庫、實時數據采集、實時數據傳輸、實時數據可視化、鉆井風險因素分析、井下風險診斷與預測。最后，介紹了所研發的鉆井風險控制系統取得的階段性成果，包括數據采集軟件、數據傳輸與接收軟件、鉆井數據管理軟件，基于模糊綜合評價和BP神經網絡兩種智能方法的鉆井復雜實時診斷與預測子系統。多次現場生產測試結果表明，該系統符合率和實用性均較高。

關鍵詞：鉆井復雜  可視化  實時數據庫  數據采集  數據傳輸  風險診斷  風險控制  符合率  實用性

Research progress of drilling risk control systems in China

Abstract：In order to control drilling complexities and downhole accidents，intelligent drilling risk control systems have been studied　for a long time at home and abroad．First，we analyzed several foreign mature drilling risk control systems，such as NDS and eDrilling，and some achievements in China：an expert system for drilling accidents，drilling accidents diagnosed with intelligent methods，a long-distance expert system for drilling accidents，and drilling accidents diagnosed with comprehensive logging instruments．Also，we realize the necessity and urgency of China-developed drilling control systems．Therefore，we proposed and developed a program of a future China-developed drilling risk control system with functions of a whole system framework，real time drilling database，real-time data acquisition，real-time data transmission，real-time data visualization，drilling risk factor analysis，diagnosis and prediction of downhole risks．Some advances were made in this developed drilling risk control system including data transmission and receiving software，drilling data management software，diagnosis and prediction software based on the fuzzy comprehensive evaluation method and BP neural network method．The accordance rate and practicability of this system were also validated by many field tests．

Keywords：drilling accident，visualization，real-time database，data acquisition，data transmission，drilling risk diagnosis，risk control，accordance rate，practicability

自1960年Jackson將“決策分析”的概念引入鉆井工程領域后，信息技術在鉆井領域的應用取得了巨大的發展。國外在20世紀80年代開始研究將信息技術應用到鉆井生產指揮中，至90年代即開始研究一體化的鉆井信息系統。近年來，隨著鉆井信息采集和應用技術的發展，被業內公認初步實現一體化鉆井技術風險控制的信息系統有BP與Schlumberger公司研發NDS系統和挪威e-Drilling Solutions公司研發eDrilling系統。NDS系統^[1-2](No Drilling Surprise)由鉆井數據采集及傳輸系統、鉆井數據解釋系統和鉆井風險管理系統等組成，可以用來預測、判斷井下可能發生的復雜情況，預防復雜事故的發生，從而提高生產效率。eDrilling系統^[3-4]是一套集實時鉆井仿真、實時3D可視化和遠程專家控制為一體的鉆井系統。可以在鉆前模擬鉆井過程，預測鉆井過程中可能發生的風險，然后修正鉆井方案，最大限度地減少鉆井復雜情況，降低鉆井成本。該系統利用所有可以測量得到的鉆井數據，結合實時模型來監測和優化鉆井方案。

國內在鉆井事故專家系統、利用智能方法識別鉆井事故、遠程鉆井事故專家系統、借助綜合錄井儀進行鉆井事故診斷等方面取得了一定的成果^[5-15]，但在利用鉆井實時數據分析技術對鉆井現場施工指導方面，距國外的技術水平還有相當大的差距，尚未形成類似NDS技術的完整鉆井軟件。而部分國外技術如NDS只提供技術服務，不出售知識產權，服務費用昂貴。基于以上原因，國內急需自主研發出具有知識產權的鉆井風險控制系統軟件。

1　系統構架研究

通過調研國內外研究現狀，結合國內生產需要，提出了一套鉆井風險控制系統的整體架構方案，如圖1所示。系統主要包括系統維護模塊、實時數據采集子系統、實時數據庫管理子系統、實時數據遠程傳輸子系統、鉆井可視化模塊、鉆井風險因素實時分析子系統、不同井下復雜類型實時分析子系統等。實時數據采集子系統在井場采集錄井儀和隨鉆工具等儀器測量的鉆井實時參數，并存儲到數據庫中，供鉆井風險控制軟件系統調用、瀏覽、分析各項參數變化，并診斷、預測各種井下復雜情況，達到鉆井風險控制的目的。鉆井風險控制系統預期應實現的功能包括：

1)系統整體架構。支持后期開發的各模塊集成和運行。

2)隨鉆實時數據采集模塊。調研國內外隨鉆測量工具應用情況，掌握隨鉆測量工具可測的參數，設計一種數據采集方案并開發相應軟件模塊實現對井場實時數據的采集。

3)鉆井實時數據庫。建立數據庫，實現對鉆井實時數據、歷史數據的管理。

4)鉆井數據網絡傳輸模塊。調研井場信息集成與傳輸的技術，實現基地與井場之間實時數據的傳輸與共享。

5)鉆井叮視化模塊。實現地面和井下信息的3D可視化，給技術人員和管理人員形象直觀地顯示實時數據，輔助決策。3D可視化應實現包括實時井眼軌跡、實時地質模型和實時井眼狀況等整個鉆井過程的實時可視化，最終還應該能夠實現從地面設備到井下環境的一體化仿真。

6)鉆井風險因素分析模塊。對于鉆井涉及的巖石力學、地應力反演、四壓力分析、井底壓力分析以及鉆柱力學分析等相關因素，研究相應的計算模型進行計算分析。

7)井下風險診斷與預測模塊。確定井下風險診斷與預測的方法，建立井漏、井侵、卡鉆、井塌、鉆具事故、井下落物事故等各種井下風險診斷與預測的模型，開發相應的軟件系統實現對井下各種風險的實時診斷與預測。

2　研究進展

中國石油鉆井工程技術研究院聯合西南石油大學共同開展攻關，初步完成了系統的整體架構，開發了鉆井風險控制系統相應軟件，建立的鉆井風險控制系統架構擴展性強，支持后期開發的其他鉆井復雜事故配套軟件的運行和集成，取得的主要研究成果有：

1)以套接字理論為基礎，開發了鉆井風險控制系統的實時數據采集軟件，實現了各種工程數據、氣測數據及不同鉆井工況下的各種鉆井風險因素數據的實時采集，同時將截取到的實時數據自動存儲到實時數據庫中，現場測試表明所采集的數據完全與現場儀器測量實時數據同步，滿足鉆井現場實際的需求。

2)基于SSL協議，設計了數據包加密和解密過程，開發了一套適合于鉆井風險控制系統的數據遠程傳輸子系統，包含2套軟件：數據遠程傳輸軟件和基地數據接收軟件。數據傳輸子系統完成了遠程數據傳輸的軟硬件集成；數據傳輸采用斷點續傳技術，保證了數據的完整性；支持CDMA／GPRS無線傳輸信道，能夠實現雙向通訊，即允許井場向基地通信，也允許基地向井場通信。

3)建立了以國際通用WITS標準為參考依據的鉆井風險控制系統數據庫，并優化了數據庫結構及查詢模式，開發了鉆井風險控制系統實時數據庫管理軟件。軟件為用戶提供了數據庫備份、數據庫還原功能；可以瀏覽、修改、查詢、導出、導入、刪除、整理任意井的鉆井數據；可以對各種數據進行實時顯示、按時間回放、按井深回放；可以將任意數據導出到文本文件中；可以進行異地備份；可以按用戶需要導入相關數據，鉆井實時數據監測界面如圖2所示。

4)在研究風險推理分析理論基礎上建立了兩種適合于鉆井風險工程應用的風險評估方法——基于層次分析法的模糊綜合評價法和BP神經網絡識別法。這兩種方法都是將鉆井風險因素實時分析和數學推理相結合的鉆井風險評估方法，確保了鉆井風險識別分析的實時性。完成了井漏、地層流體侵入^[16-17]、井塌和卡鉆的發生機理研究，總結了這4種風險發生時的表征現象及規律，確定了風險因素邏輯關系，并建立了其風險實時識別模型，結合鉆井風險評估方法，構建了風險模糊綜合評價識別模型和BP神經網絡識別模型。圖3為井漏風險的實時識別模型。

5)優選國內外符合標準的或公認的風險因素計算模型，開發了鉆井風險因素實時分析軟件，可以為風險推理分析提供實時計算的鉆井風險兇素值。由地質力學風險因素分析、鉆柱力學風險因素分析、水力學風險因素分析、鉆井風險因素管理4個模塊組成。

6)在風險控制分析理論基礎上，建立了鉆井風險的控制模型，并在此模型基礎上開發了鉆井風險控制軟件，利用它可以計算分析各可控風險因素恰當的控制范圍。

7)初步開發了鉆井數據的實時可視化模塊，能夠跟蹤實時數據顯示井眼軌跡，有助于技術人員判斷鉆井進程(圖4)。

8)在不同鉆井風險BP神經網絡和模糊綜合評價的診斷、預測模型基礎上，開發了鉆井風險實時診斷和預測分析軟件，利用鉆井風險因素分析結果與采集的鉆井實時數據，實時診斷及預測井下風險。

在我國某油田鉆井時，應用鉆井風險控制系統實時診斷鉆井狀態，分別對鉆井實時數據采集軟件、鉆井實時數據庫管理軟件、鉆井風險因素實時計算分析軟件和鉆井風險推理風險軟件進行現場測試(圖5、6)。以采集的鉆井實時數據為基礎，應用鉆井風險因素實時分析軟件計算井底壓力和地層壓力等參數，以鄰井資料作為井漏風險學習的樣本，判斷該井井漏風險，系統判斷該井在鉆至2823m時井漏風險可能性較大，當鉆進至2825m時技術人員發現井底發生漏失，決定進行起鉆堵漏作業。現場測試表明鉆井風險控制系統的數據采集軟件與儀器測量儀器同步性好，數據庫設計合理，且井漏風險實時診斷預測結果與現場完全吻合。

3　結論

1)國外的風險控制系統建立在先進的風險管理、數據管理、隨鉆測量和可視化等技術的基礎上，已經相當成熟。而國內的同類軟件雖然在近些年來取得了很大的發展，但是距國外仍有相當大的差距。鑒于國外部分公司只服務不出售的現狀，國內急需發展具有自主知識產權的鉆井風險控制軟件。

2)鉆井風險控制系統能夠將井場實時數據傳輸給基地，并存儲在數據庫服務器上，供客戶端軟件實時調用、瀏覽、分析，診斷預測各種鉆井風險，并能實時3D顯示井眼軌跡，達到鉆井風險控制的目的。

3)鉆井風險控制系統已實現鉆井數據的實時采集、傳輸與處理，且初步實現了井眼軌跡的可視化，并且開發了基于模糊綜合評價和BP神經網絡法的實時診斷與預測子系統，能夠實時診斷預測鉆井過程中的井漏、溢流、井塌和卡鉆等鉆井復雜情況。

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本文作者：馬鵬鵬  周英操  蔣宏偉  趙慶  連志龍

作者單位：中國石油勘探開發研究院

  中國石油鉆井工程技術研究院