李 雷, 韓烈祥, 姚建林

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

粒子沖擊鉆井(PID)技術(shù)屬于石油勘探行業(yè)一項(xiàng)新型前沿鉆井技術(shù)，利用直徑1～3 mm的鋼珠粒子對(duì)巖石進(jìn)行高速、高頻沖擊，借助瞬間作用力快速破碎巖石，從而實(shí)現(xiàn)在堅(jiān)硬、難鉆地層中的高效鉆進(jìn)[1-3]。粒子沖擊鉆井系統(tǒng)中鋼珠粒子破巖能量(動(dòng)能)主要來源于鉆井液，并借助鉆井液的攜帶能力，實(shí)現(xiàn)鋼珠粒子的移動(dòng)、破巖、回收等功能。綜合考慮破巖效率和鋼珠粒子沉降兩方面因素，泵送壓力需達(dá)到35 MPa以上。故粒子沖擊鉆井現(xiàn)場(chǎng)存在大量的高壓地帶，成為了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的一大安全隱患。且高泵壓下鋼珠粒子對(duì)管路的磨損將進(jìn)一步加劇，一旦發(fā)生刺漏，混合液中的鋼粒子有可能造成嚴(yán)重的安全事故。因此，為粒子沖擊鉆井系統(tǒng)配套智能決策系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全過程的自動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)應(yīng)急顯得尤為重要[4-6]。

智能化決策系統(tǒng)在任何狀況下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠的自動(dòng)控制，其控制依據(jù)來源于系統(tǒng)處于的不同工況，若工況識(shí)別錯(cuò)誤，則會(huì)造成決策系統(tǒng)給出錯(cuò)誤的指令，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，甚至損壞[7-9]。系統(tǒng)各類工況往往依賴監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)參數(shù)，若監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置過少，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工況與監(jiān)測(cè)參數(shù)狀態(tài)無(wú)法對(duì)應(yīng)，在智能決策系統(tǒng)中埋下隱患，若監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置過多，則會(huì)造成系統(tǒng)過量冗余[10-11]。選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量參數(shù)組合是建立智能決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文利用系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)間的耦合作用，優(yōu)選監(jiān)測(cè)參數(shù)組合，搭建一套完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得粒子鉆井智能決策系統(tǒng)可實(shí)時(shí)識(shí)別任一工況并給出相應(yīng)控制策略。

一、粒子鉆井系統(tǒng)傳感器布局方案

粒子沖擊鉆井系統(tǒng)主要包含注入部分和回收部分，注入部分如圖1所示，其核心功能：實(shí)現(xiàn)高壓狀況下的鋼珠粒子和鉆井液混合物的定量注入[12]。

圖1 注入部分原理圖

如圖1，注入部分中設(shè)置了壓力、流量?jī)山M測(cè)量參數(shù)，以監(jiān)測(cè)注入部分的工作壓力、注入流量。壓力測(cè)量點(diǎn)1測(cè)量1#注入裝置工作時(shí)，此條高壓管線的壓力；壓力測(cè)量點(diǎn)2測(cè)量2#注入裝置工作時(shí)，此條高壓管線的壓力；壓力測(cè)量點(diǎn)3測(cè)量井隊(duì)泥漿泵與注入部分連接管線的壓力，與壓力測(cè)量點(diǎn)1、壓力測(cè)量點(diǎn)2互相對(duì)照；流量計(jì)1測(cè)量井隊(duì)泥漿泵出口流量；流量計(jì)2測(cè)量進(jìn)入井口的總流量，流量計(jì)2與流量計(jì)1之差為注入裝置輸出流量。回收部分的原理圖如圖2，主要實(shí)現(xiàn)粒子回收、儲(chǔ)存和定量輸送。

圖2 回收部分原理圖

回收部分中設(shè)置了液位、流量、粒子重量三組測(cè)量參數(shù)，以監(jiān)測(cè)回收部分粒子輸送量、粒子混合濃度、緩沖罐實(shí)時(shí)液位等系統(tǒng)參數(shù)。液位計(jì)測(cè)量緩沖罐鉆井液液位，為泵3、泵4工作參數(shù)提供依據(jù)；流量計(jì)3測(cè)量井口返出流量；流量計(jì)4測(cè)量泵1、泵2輸出流量，流量計(jì)5測(cè)量泵3、泵4輸出流量；稱重傳感器測(cè)量粒子儲(chǔ)存裝置中的粒子實(shí)時(shí)量和粒子輸送裝置的粒子輸送量。

圖1、圖2中的傳感器設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了粒子鉆井核心工藝參數(shù)的全監(jiān)控，配合各設(shè)備均可通過電信號(hào)實(shí)現(xiàn)啟?？刂?、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的半自動(dòng)運(yùn)行。但距離全自動(dòng)和智能化運(yùn)行，存在較大差距，主要缺少各設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)，難以細(xì)致準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)狀況，無(wú)法作出智能決策。如壓力傳感器監(jiān)測(cè)到壓力異常，僅能判斷高壓部分有異常,無(wú)法智能處置。

因此，需要設(shè)置更多的監(jiān)測(cè)傳感器，粒子鉆井系統(tǒng)中主要使用了閥門、渣漿泵、注入泵、旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)罐等設(shè)備，可分為閥門、容積式泵、柱塞式泵三種類型，各設(shè)備均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可額外通過監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)粒子鉆井全系統(tǒng)的有效監(jiān)控，明細(xì)如表1。

表1 粒子沖擊鉆井系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)分布

二、基于參數(shù)耦合的狀態(tài)識(shí)別方案

參數(shù)耦合指兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)之間存在的一種內(nèi)在關(guān)系，一個(gè)參數(shù)的變化勢(shì)必引起另一個(gè)參數(shù)的變化，通過多種參數(shù)的不同組合，則可表示設(shè)備的不同狀態(tài)，如渣漿泵的出口流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速存在著關(guān)系，若電機(jī)轉(zhuǎn)速未變，而出口流量降低，則表示渣漿泵吸入效率下降或者是鉆井液緩沖罐液位太低[13-14]。通過識(shí)別系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)參數(shù)的耦合作用，建立了參數(shù)狀態(tài)與工況的對(duì)應(yīng)表，實(shí)現(xiàn)了每種工況的精準(zhǔn)識(shí)別，如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)參數(shù)與工況對(duì)應(yīng)表

根據(jù)表2所述的對(duì)應(yīng)關(guān)系，原有的異常工況得到了更細(xì)致的分類，通過各參數(shù)關(guān)系的耦合作用，可讓粒子鉆井智能系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出真實(shí)異常原因，并配套了對(duì)應(yīng)的最佳處置措施。以此，建立了粒子鉆井系統(tǒng)設(shè)備異常狀態(tài)處置流程圖，如圖3所示。

圖3 異常處置流程圖

三、智能決策系統(tǒng)的搭建

基于參數(shù)耦合識(shí)別異常工況的結(jié)果，配合各異常工況的應(yīng)急處置流程，完成了智能決策系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)采用模塊化封裝設(shè)計(jì)，將粒子沖擊鉆井流程拆分為16個(gè)獨(dú)立的程序塊，如表3所示，通過程序塊的組合調(diào)用，滿足不同異常工況應(yīng)急處置的需求，從而實(shí)現(xiàn)粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的智能運(yùn)行。

表3 粒子鉆井獨(dú)立程序模塊

智能決策系統(tǒng)包含應(yīng)急專家分析模塊，在同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)異常時(shí)，也能根據(jù)每個(gè)異常的處置流程，自動(dòng)生成最佳處置方案，再組合調(diào)用程序塊，實(shí)現(xiàn)任一工況的智能處置。

四、結(jié)論

粒子沖擊鉆井智能系統(tǒng)在鉆試1井開展了試驗(yàn)測(cè)試，在工作狀態(tài)下，通過人為隨機(jī)改變表2中各參數(shù)的狀態(tài)，驗(yàn)證智能系統(tǒng)對(duì)異常工況的判斷識(shí)別能力，再記錄系統(tǒng)的應(yīng)急處置措施是否符合設(shè)計(jì)需求。通過數(shù)十組異常狀況的試驗(yàn)測(cè)試，表明粒子沖擊鉆井智能決策系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別各種異常工況，且能自動(dòng)給出最佳的處置措施，達(dá)到了智能運(yùn)行的要求。

本文借助參數(shù)耦合作用，完善了粒子沖擊鉆井系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)傳感器布局，明確了各組合參數(shù)狀態(tài)與異常工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為異常工況的精準(zhǔn)判別提供了依據(jù)，指導(dǎo)了智能決策系統(tǒng)的搭建，可為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供參考借鑒。