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復雜地質鉆進過程智能控制 版權信息
- ISBN:9787030740632
- 條形碼:9787030740632 ; 978-7-03-074063-2
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
復雜地質鉆進過程智能控制 內容簡介
本書結合作者多年來的研究工作和實踐經驗,系統闡述復雜地質鉆進過程智能控制方法與技術及其在實際工程中的應用。主要內容包括:地層可鉆性智能建模、井壁穩定性判別;鉆進軌跡優化設計;鉆壓控制和鉆柱黏滑振動抑制;鉆進軌跡控制;鉆進狀態預測、鉆進過程智能協調優化;鉆進工況識別與狀態評估、鉆進過程異常檢測與預警、鉆進過程故障診斷;鉆進過程智能控制系統與實驗系統及工程應用。
復雜地質鉆進過程智能控制 目錄
前言
符號說明
第1章 緒論 1
1.1 復雜地質鉆進過程分析 1
1.1.1 鉆進過程描述 1
1.1.2 鉆進過程信息 3
1.1.3 鉆進過程特點分析 5
1.2 地質鉆進過程建模、優化與控制研究現狀 6
1.2.1 地質鉆進過程建!6
1.2.2 鉆進過程優化 10
1.2.3 鉆進過程控制 16
1.2.4 鉆進過程狀態監測 23
1.3 本書主要內容 26
參考文獻 27
第2章 地質環境建!40
2.1 基于數據驅動的鉆進點地層可鉆性智能建模方法 40
2.1.1 鉆進點地層可鉆性融合建模方法 40
2.1.2 鉆進點地層可鉆性在線建模方法 43
2.2 基于地統計和機器學習的三維地層可鉆性場空間建模方法 46
2.3 井壁穩定性判別 51
2.3.1 考慮數據不均衡特性的地層巖性識別方法 51
2.3.2 基于半監督學習的巖石力學參數計算 55
2.3.3 井壁穩定性分析 60
2.4 本章小結 64
參考文獻 65
第3章 鉆進軌跡優化設計 68
3.1 針對幾何特性的鉆進軌跡優化設計 68
3.1.1 考慮井身輪廓能量的鉆進軌跡優化設計 68
3.1.2 具有參數不確定性的鉆進軌跡優化設計 75
3.2 考慮地層特性的鉆進軌跡優化設計 80
3.2.1 井壁穩定性約束下的鉆進軌跡優化設計 82
3.2.2 考慮多地層井壁穩定性的鉆進軌跡優化設計 87
3.3 本章小結 91
參考文獻 92
第4章 鉆壓控制和鉆柱黏滑振動抑制.95
4.1 鉆壓控制 95
4.1.1 鉆柱軸向運動模型 95
4.1.2 考慮不確定給進阻尼系數的鉆壓魯棒控制方法 102
4.1.3 考慮大范圍給進阻尼系數的鉆壓增益調度控制方法 108
4.2 鉆柱黏滑振動抑制 113
4.2.1 鉆柱扭轉運動模型 113
4.2.2 僅利用地面信息的黏滑振動抑制方法 117
4.2.3 同時利用地面信息和孔內信息的黏滑振動抑制方法 135
4.3 本章小結 147
參考文獻 148
第5章 鉆進軌跡控制 151
5.1 定向鉆進軌跡控制 151
5.1.1 基于PI控制器和補償器的定向鉆具姿態控制方法 151
5.1.2 基于觀測器的定向鉆進軌跡控制方法 159
5.1.3 面向鉆壓不確定性的定向鉆進軌跡魯棒控制方法 170
5.2 垂鉆軌跡糾偏控制 182
5.2.1 垂鉆軌跡延伸模型 182
5.2.2 考慮測量噪聲的垂鉆軌跡糾偏控制方法 186
5.2.3 考慮造斜率不確定性的垂鉆軌跡糾偏控制方法 190
5.3 本章小結 198
參考文獻 198
第6章 鉆進過程智能優化 201
6.1 鉆進狀態預測 201
6.1.1 基于混合支持向量回歸的鉆速預測模型 201
6.1.2 基于混合建模的總池體積預測模型 205
6.2 鉆進過程智能協調優化 212
6.2.1 基于混合蝙蝠算法的鉆柱系統鉆速優化 212
6.2.2 考慮系統間耦合關系的鉆柱系統與循環系統協調優化 214
6.3 本章小結 218
參考文獻 219
第7章 鉆進過程狀態監測 221
7.1 鉆進工況識別與狀態評估 221
7.1.1 鉆進數據可靠性判別與校正 221
7.1.2 鉆進過程智能工況識別 226
7.1.3 鉆進過程運行性能評估 230
7.2 鉆進過程異常檢測與預警 235
7.2.1 基于正常工作區域劃分的孔內異常檢測 235
7.2.2 基于幅值變化檢測的孔內事故檢測 239
7.2.3 基于貝葉斯定理的鉆進過程事故預警 244
7.3 鉆進過程故障診斷 248
7.3.1 基于時間序列特征聚類的井漏井涌故障診斷 249
7.3.2 基于多時間尺度特征的孔內故障診斷 255
7.4 本章小結 260
參考文獻 261
第8章 鉆進過程智能控制系統與實驗系統 263
8.1 鉆進過程智能控制系統 263
8.1.1 系統設計 263
8.1.2 系統實現 271
8.1.3 智能監控云平臺 274
8.2 鉆進過程智能控制實驗系統 279
8.2.1 實驗系統設計 279
8.2.2 實驗系統實現 280
8.2.3 實驗結果與分析 282
8.3 本章小結 295
參考文獻 295
第9章 鉆進過程智能控制系統工程應用 297
9.1 湖北省襄陽市2000m地熱資源預可行性勘查項目應用 297
9.1.1 襄陽地熱井概況 297
9.1.2 襄陽地熱井系統應用 298
9.1.3 襄陽地熱井系統運行效果 301
9.2 遼寧省丹東市3000m非煤固體科學鉆探項目應用 306
9.2.1 丹東科探井概況 306
9.2.2 丹東科探井系統應用 307
9.2.3 丹東科探井系統運行效果 309
9.3 河北省保定市5000m地熱地質勘查項目應用 318
9.3.1 保定勘查井概況 318
9.3.2 保定勘查井系統應用 319
9.3.3 保定勘查井系統運行效果 320
9.4 本章小結 326
參考文獻 326
索引 328
復雜地質鉆進過程智能控制 節選
第1章緒論 資源能源是人類賴以生存的基礎,地質鉆探是實現資源能源勘探開發的必要手段,也是推動深部地質構造研究、完善地球系統科學理論體系的重要支撐。在當前信息化、智能化時代背景下,為實現向地球深部進軍、勘探深部資源能源的目標,亟須在地質鉆探工程中發展鉆進過程的先進控制技術、鉆探裝備的智能化技術,解決深部復雜地質條件下鉆進過程智能控制與優化難題,推動我國資源能源勘探技術的轉型升級與發展。 1.1復雜地質鉆進過程分析 復雜地質鉆進是利用鉆探裝備與技術穿越多套復雜地層到達設計深度,完成地下巖心全孔取樣任務,并通過分析巖心反映目標區域的真實地質狀況,為資源能源開發、地球科學研究等提供重要信息支撐。本節在鉆進過程描述的基礎上,分析鉆進過程的特點,為后續的理論研究和工程實踐奠定基礎。 1.1.1鉆進過程描述 我國在利用鉆探技術開發地下資源能源方面歷史悠久,在兩千多年前的鹽井鉆鑿過程中創造了沖擊式頓鉆鑿井法,清朝年間利用這種方法鉆成了深達千米的火井(天然氣井),成為當時世界上*深的井W。沖擊式頓鉆鑿井法鉆進速度慢、效率低,隨著勘探深度的增加,已無法滿足深部復雜地質環境下的鉆探需求。在**次工業革命后,鉆探裝備與技術逐步進入科學化發展階段,21世紀以來全面邁入自動化、信息化和智能化發展的新時期表1.1為鉆探裝備在各個發展階段的主要技術創新。 現代鉆機按回轉器形式可分為立軸式、轉盤式、頂驅式等類型[5],其中轉盤式電驅動鉆機鉆進過程如圖1.1所示。鉆機機械設備主要包括井架、大鉤、鉆柱、轉盤、絞車、泥漿泵、井下鉆具組合、鉆頭等,依靠這些設備構成鉆柱系統、旋轉系統和循環系統三個子系統。鉆柱系統由大鉤、絞車、鉆柱、井下鉆具組合等組成,利用部分鉆柱的重力向鉆頭施加壓力,實現鉆柱軸向運動;旋轉系統由轉盤(頂驅)、鉆柱、鉆頭等組成,由轉盤或者頂驅驅動井下鉆柱與鉆頭旋轉,實現鉆柱扭轉運動,并結合鉆柱軸向運動,實現正常進尺;循環系統由泥漿泵、泥漿池等組成,通過循環鉆井液流動將鉆進過程產生的巖屑從井底攜帶到地表,保證鉆頭清潔,避免鉆頭堵塞造成井下事故。三個子系統之間相互配合、協作,保證復雜地質鉆進過程的有序進行。 鉆機信息化與電氣化設備由司鉆房和電控房組成。司鉆房實現鉆進過程參數的實時監測、鉆進操作參數的設定下發、鉆桿的起下鉆操作,以及井口、絞車、二層平臺等設備工作情況的視頻監控,在具有完備錄井系統的情況下,還可以監測碳含量、硫化氫含量等表征油氣儲層的參數。電控房配置鉆進底層控制系統,執行司鉆房的下發指令,主要由工控機、變頻器和可編程邏輯控制器等組成。 鉆井可分為直井和定向井兩大類型,分別采用垂鉆和定向鉆進兩種方式,如圖1.2所示。直井是指從井口開始始終保持垂直向下鉆進至設計深度的鉆井方法,理論上直井軌跡應嚴格垂直于水平面,但由于地質環境及鉆具結構等因素的影響,實際鉆進軌跡通常會發生井眼偏斜,工程上稱為井斜。當井斜超出工程設計范圍時,井眼質量達不到地質勘探開發要求,往往需要通過開窗側鉆甚至填井重鉆M來解決,造成鉆進成本的巨大提高,因此垂鉆中控斜問題突出。定向井是指井眼軌跡按照預先設計的井斜和方位鉆至目標地層的鉆井方法,主要應用于石油勘探與開發過程。定向鉆進由特殊井下工具、測量儀器和工藝技術有效控制井眼軌跡,使鉆頭沿著特定方向鉆至地下預定目標,因此其重點在于軌跡分段設計與跟蹤控制。 兩種鉆井類型的基本鉆進工藝包括旋轉鉆進、提鉆、下鉆、掃孔、接單根、倒劃眼等操作。同時,考慮各自獨*的工程需求和工藝特點,針對不同類型的鉆井研創了其他重要鉆進工藝,其中取心鉆進便是地質鉆進過程中關鍵的鉆進工藝之一。通過取心鉆進方式將地下巖心鉆取到地表,可獲取鉆進地層的**手巖性資料,為實現地質礦產勘查和地球科學研究提供了重要基礎。取心鉆進過程需要將專用的取心工具放置于鉆桿內管,會占據有限的鉆桿內部空間;同時,每進尺至一定深度,需要將裝滿巖心的取心工具提升至地面,取出地質巖心。隨著反復地下放、打撈取心工具,實現取心鉆進。 1.1.2鉆進過程信息 鉆進過程信息是實現鉆進過程智能控制與決策的重要基礎,根據先后順序可分為鉆前信息、鉆中信息和鉆后信息三類,如表1.2所示。其中,鉆前信息是指開鉆前獲取的信息;鉆中信息是指鉆進過程中獲取的隨鉆信息;鉆后信息是指對己鉆井段進行探測得到的信息[11]。 1.鉆前信息 鉆前信息主要有開鉆前獲取的地震參數和鄰井地質資料,它們是井身結構設計、井眼軌跡設計等的重要參考資料。地震參數通過觀測和分析待鉆地層對人工激發地震波的響應得到,主要有地震層速度、地震波時間和地震波阻抗等,常被用于推斷地層性質、定位油氣礦產資源、獲取地質信息。鄰井地質資料主要有地質柱狀圖、區域構造圖和鄰井地層剖面圖等。其中,地質柱狀圖是將地層按其時代順序、接觸關系及層位厚度大小編制的圖件,記錄了地層層序、厚度和巖性簡述等內容,對鉆進過程具有重要指導意義。 目前,地震勘探所用震源中應用較多的是可控震源,可控震源車中攜帶的激振器向地層發出激勵,分布在地表的多個檢波器接收到反射波并將其傳輸到儀器車中的數據處理系統,對地震波阻抗、地震層速度等數據進行分析和處理。鄰井地質資料通常由各地質隊、鉆井公司等進行歸檔和保存。另外,中國地質調査局主持開發的“地質云”綜合性地質信息服務系統上線,可實時地在線獲取遙感數據、鉆孔數據、館藏資料和地學文獻等信息資源。 2.鉆中信息 鉆中信息涵蓋在鉆進過程中產生、記錄、采集的各類數值數據、圖片、報表等信息,也是*直接、*重要的鉆進過程信息,其中與鉆進過程控制關聯性較強的主要有鉆進參數、巖心/巖屑錄井、泥漿錄井三種。 (1)鉆進參數,主要包括鉆壓、轉速、泵量、鉆速、扭矩、立管壓力、井深等,可在司鉆房中的人機交互屏幕進行實時監測。其中,鉆壓、轉速和泵量是鉆進操作參數,常常作為鉆進過程優化控制的主要操作變量。 (2)巖心/巖屑錄井,在鉆進過程中,通過對巖心/巖屑進行觀察和分析,可獲取地層的各項地質資料,恢復原始地層剖面。 (3)泥漿錄井,對鉆井液密度、黏度、總池體積等相關數據進行實時采集,并根據返還的鉆井液了解地層狀況。其中,鉆井液密度、黏度直接影響井壁穩定性,鉆井液總池體積是判斷井漏/井涌事故的重要依據。 鉆中信息種類多、涵蓋范圍廣、實時性強,在評價地層狀況和指導鉆進施工等方面具有重要作用。 3.鉆后信息 鉆后信息是在鉆進形成井眼后,通過下放專業儀器或者進行巖心實驗,利用巖層的聲學、電化學、放射性、導電性等地球物理特性獲取的信息,反映地層聲速、巖性及孔隙度等方面的性質,主要包括測井參數和地層特征參數。 (1)測井參數,如自然伽馬、電阻率、聲波時差、軌跡井斜角、方位角等,是反映地球物理特性和鉆進軌跡的重要參數。常規的測井方法主要是電纜測井,將測井儀器下放至井底再上提,記錄測井曲線。近年來,隨著傳感器、信息技術的提高,現有部分公司也采用隨鉆測井方法。這種方法雖然成本高,但是能夠隨鉆測量井下地層信息,對實時更新地層模型、降低鉆進風險、提高鉆進效率具有重大作用。 (2)地層特征參數,主要指地層可鉆性、地層壓力、單軸抗壓強度等。這類參數難以直接測量獲得,一般需要通過巖心實驗或建立預測模型并利用軟測量方式得到,是表征巖石力學性質的參數,也是鉆進過程地質環境的定量描述。 鉆前信息、鉆中信息、鉆后信息是區域地質結構的綜合反映,具有一定的相關性。然而這三種信息在檢測方法、存儲結構、表現形式等方面不統一,存在多源異構、價值密度低、信息不完備等環境感知和信息處理方面的難題。 1.1.3鉆進過程特點分析 地質鉆進過程需要利用多種設備、鉆具、鉆頭、材料進行聯合作業,同時也是多系統緊密配合、多環節環環相扣的連續工業過程。為實現鉆進過程的智能控制、達到安全高效鉆進的目的,必須對鉆進過程在復雜地質條件下呈現出的過程特點進行探討,在此基礎上開展鉆進過程建模、優化和控制研究。 1.三高一擾動 三髙一擾動,即高地溫、髙地層壓力、高陡構造和鉆進擾動。隨著鉆進過程的深入,地溫和地層壓力逐漸升高。通常,地溫梯度為1~3°C/100m、地層壓力梯度為IMPa/lOOm左右,但是在某些地區存在地溫、地層壓力異常的情況,例如,東北徐家圍子地區的地溫梯度在4~5°C/100m。以徐家圍子地區一口5000m深的井為例,井底地溫超過200°C,地層壓力也在50MPa左右。高地溫和高地層壓力將給鉆進過程的安全和效率帶來巨大挑戰。另外,由于地層自然造斜效應的影響,復雜地質鉆進過程還存在高陡構造和鉆進擾動等特點。 2.鉆柱柔性特性 鉆柱連接地面驅動裝置和井底鉆頭,通常長達幾千米甚至十幾千米。相比于鉆柱的整體長度,作為基本單元的鉆桿的直徑非常小(從幾十毫米到幾百毫米),并且壁厚很薄。為了使鉆柱能承受更大的鉆壓而不發生彎曲,破巖鉆進時通常需要在鉆柱底部搭載直徑和壁厚更大的重型鉆桿、鉆鋌或者它們的組合,取心鉆進時一般為鉆桿接扶正器。即使如此,由于長徑比極大,鉆柱系統仍呈現出明顯的柔性特征。 3.控制回路耦合 鉆柱系統、旋轉系統、鉆井液循環系統互相制約,使得鉆進軌跡控制、鉆壓轉速控制、井底壓力控制等控制回路相互親合。在復雜地質條件下,各個控制回路存在時變非線性、參數不確定性等特征,同時面臨欠驅動、完整/非完整約束以及多擾動疊加等難題。 4.鉆進信息多源異構、價值密度低、信息不完備 在鉆進過程中,鉆進信息來源豐富,各類信息結構不盡相同,具有多源異構特點;各類信息采樣周期不同,時間尺度與數據粒度多樣;由于地面和井下監測傳感器之間的距離長達數百米甚至數千米,采集的測井、錄井及地震等數據存在傳輸時延、噪聲污染等問題,具有價值密度低、信息不完備等特點。 上述特點使得復雜地質鉆進過程中安全性差、鉆進效率低等問題突出。在中國大陸科學鉆探工程科鉆一井、深部探測技術與實驗研究專項、汶川地震深孔等系列工程實踐中,均出現多輪次孔內復雜情況[13],如鉆進偏斜、鉆進坍塌、鉆井液漏失等鉆進事故,并且存在鉆進效率低、井眼質量差等問題。為保障深部地質鉆進過程的高安全性和高效率,需要形成面向復雜地質條件的鉆進過程智能決策與先進控制方法;在此基礎上,開發智能化的地質鉆探裝備和工程技術。 以下將針對現有的地質鉆進過程建模、優化和控制方法進行總結,并簡述本書主要內容。 1.2地質鉆進過程建模、優化與控制研究現狀 傳統地質鉆探行業自動化、智能化水平較低,依賴經驗的操作方式占據主導地位,缺乏實時優化與智能決策的先進控制手段。近年來,旋轉導向、隨鉆測量以及控壓鉆井等先進工藝技術的興起,為實現鉆進過程自動化、信息化、智能化提供了強力支撐。如何有效利用多源過程信息,建立可靠的地質環境和鉆進過程模型,實現對鉆進過程的在線優化和高適應性控制,同時對過程運行狀態進行實時監測與評估,是復雜地質鉆進過程裝備技術發展亟待解決的關鍵問題。 1.2.1地質鉆進過程建模 地質鉆進過程常鉆遇松散層、破碎帶、水敏性環境等復雜變質巖地層,地層可鉆性差、鉆速慢、鉆進成本高,迫切需要提高鉆進安全和效率。然而,由于井
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