基于自適應觀測器的控壓鉆井氣侵早期檢測方法
論文題目：基于自適應觀測器的控壓鉆井氣侵早期檢測方法
錄用期刊/會議：中國石油大學學報（自然科學版）（EI中文期刊）
錄用/見刊時間：2023.12.06
作者列表：
1）尹士軒 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 控制科學與工程 博23
2）徐寶昌 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 自動化系 教師
3）孟卓然 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 控制科學與工程 博20
4）陳貽祺 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 控制科學與工程 博21
5）尤香凝 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 控制科學與工程 碩21
控壓鉆井過程中，鉆遇窄安全壓力窗口的地層可能會出現(xiàn)氣侵等井下異常工況。本文以氣侵的早期檢測為目標，應用自適應觀測器估計井下不確定參數(shù)及未知狀態(tài)，并基于此構(gòu)建氣侵檢測方法。首先，以“雙形”氣泡表示方法為基礎建立了簡化氣液兩相流模型，并與OLGA仿真數(shù)據(jù)對比，以驗證模型有效性。其次，將氣藏產(chǎn)能指數(shù)與氣體密度視為不確定參數(shù)，氣體體積視為未知狀態(tài)，設計并應用一種類Luenberger自適應觀測器估計井下氣侵工況的關(guān)鍵參數(shù)及狀態(tài)，并結(jié)合霍特林的T2檢驗統(tǒng)計構(gòu)建氣侵檢測方法。最后，仿真分析表明，本文所設計的自適應觀測器能夠很好地與簡化兩相流模型相結(jié)合，用于實時估計侵入井筒內(nèi)的氣體體積并準確跟蹤井底壓力和出口流量的變化。本文所構(gòu)建的氣侵檢測方法相較于聲波法、出入口流量差法和總池體積法，能夠在不同氣侵程度下快速且顯著地實現(xiàn)氣侵早期檢測。
隨著鉆井深度的不斷增加，鉆遇窄安全壓力窗口地層的概率會增大，易出現(xiàn)氣侵、溢流等井下異常工況，嚴重威脅著鉆井安全。控壓鉆井(Managed Pressure Drilling, MPD)技術(shù)被證明是快速提升井筒安全的有效方法，通過精確控制井筒壓力可以有效抑制氣侵作用，達到減少非鉆進時間以及減少鉆井事故的目的。但在實際過程中，井侵氣體運移至井筒中部甚至是中上部才開始劇烈膨脹，進而造成總池體積、出口流量的急劇增加，若此時采取控壓措施，往往錯過了抑制氣侵的最佳時期，嚴重情況可能會造成井噴等重大鉆井事故。因此，早期檢測氣侵對于MPD系統(tǒng)安全有效抑制氣侵至關(guān)重要。
（1）簡化氣液兩相流模型
為模擬侵入井筒內(nèi)氣體的運動，將整個井筒看作一個固定邊界的控制體積(Control Volume, CV)，且CV中僅包含一個氣泡，氣泡的描述采用“雙形”氣泡表示方法。
圖 1 “雙形”氣泡表示方法
簡化氣液兩相流模型方程如下：
實際氣侵過程中，氣藏產(chǎn)能指數(shù)無從得知，且無法準確判斷侵入何種氣體，因此可將其設為不確定參數(shù)。令
，
，
，簡化兩相流模型可改寫為如下狀態(tài)空間形式，其中
均為常數(shù)。
（2）自適應觀測器設計
考慮如下形式的非線性系統(tǒng)：
設計可聯(lián)合估計不確定參數(shù)和未知狀態(tài)的類Luenberger觀測器：
（3）氣侵檢測方法
采用霍特林的T2檢驗統(tǒng)計完善氣侵早期檢測方法，該方法由數(shù)據(jù)驅(qū)動離線設計與在線氣侵檢測兩部分組成。
圖 2 基于自適應觀測器的氣侵檢測方法
將簡化兩相流模型與OLGA仿真數(shù)據(jù)對比，以驗證該模型應用在氣侵早期檢測中的有效性。
圖 3 簡化兩相流模型與OLGA仿真數(shù)據(jù)對比
針對簡化兩相流模型，應用自適應觀測器進行仿真分析，采用OLGA模擬器生成數(shù)據(jù)作為仿真實驗的真實值數(shù)據(jù)來源。
圖 4 不確定參數(shù)估計值和真實值
圖 5 狀態(tài)估計值和真實值(OLGA數(shù)據(jù))
圖4仿真結(jié)果表明：不確定參數(shù)均能在60s內(nèi)收斂至真實值，收斂速度快且估計結(jié)果準確。由圖5仿真結(jié)果可知：在氣侵工況下，本文所提自適應觀測器能夠使估計值在60s內(nèi)跟蹤上正在變化的井底壓力和出口流量，且后續(xù)的估計誤差幾乎為0，體現(xiàn)了觀測器良好的跟蹤性能。自適應觀測器在60s時對氣體體積的估計誤差為0.21m3，在120s時估計誤差縮小至0.15m3，在180s后估計誤差幾乎為0。表明本文所提自適應觀測器在不確定參數(shù)給定初值與真實值相差較大時，仍能將不確定參數(shù)收斂至真實值。自適應觀測器對井筒內(nèi)氣體體積的估計效果良好，估計誤差能夠保持在很小的區(qū)間內(nèi)并持續(xù)縮小至0。
為驗證本文氣侵早期檢測方法應用于實際工況的有效性，選用聲波法、出入口流量差法和總池體積法進行對比實驗。
圖 6 四種氣侵早期檢測方法的檢驗統(tǒng)計量對比
對比其他三種方法的檢驗統(tǒng)計量變化顯著程度，該方法遠大于其他檢測方法，可有效避免誤報警。此外，為充分說明本文氣侵早期檢測方法的有效性，對比分析了不同氣侵程度下四種檢測方法的氣侵檢測時間。
圖 7 四種氣侵早期檢測方法的檢測時間對比
對比分析可知，特別在氣侵程度較小的情況下，本文氣侵早期檢測方法相較于聲波法、出入口流量差法和總池體積法表現(xiàn)出更好的診斷性能，能夠及時且靈敏地檢測出氣侵。
(1)基于“雙形”氣泡表示方法建立了簡化氣液兩相流模型，通過與OLGA仿真數(shù)據(jù)對比，驗證了該模型在復雜度適中的情況下能保證良好的計算精度。
(2)設計了一種基于觀測器匹配條件的自適應觀測器，用于實時估計井下氣侵工況的不確定參數(shù)(氣藏產(chǎn)能指數(shù)及氣體密度)與未知狀態(tài)(氣體體積)，在此基礎上結(jié)合霍特林的T2檢驗統(tǒng)計構(gòu)建氣侵檢測方法。
(3)仿真結(jié)果表明，當氣侵正在發(fā)生時，本文所設計的自適應觀測器能夠?qū)崟r估計侵入井筒的氣體體積并準確跟蹤井底壓力和出口流量的變化。基于該自適應觀測器的氣侵早期檢測方法相較于聲波法、出入口流量差法和總池體積法，可以在不同氣侵程度下快速且顯著地檢測出氣侵，能夠為抑制氣侵贏得寶貴時間。
徐寶昌，副教授
博士生導師/碩士生導師。長期從事復雜系統(tǒng)的建模與先進控制；鉆井過程自動控制技術(shù)；井下信號的測量與處理；多傳感器信息融合與軟測量技術(shù)等方面的研究工作。現(xiàn)為中國石油學會會員，中國化工學會信息技術(shù)應用專業(yè)委員會委員。曾參與多項國家級、省部級科研課題的科研工作，并在國內(nèi)外核心刊物發(fā)表了論文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收錄30余篇。