科研動(dòng)態(tài)
基于回壓激勵(lì)響應(yīng)的實(shí)時(shí)地層壓力反演方法
論文題目：基于回壓激勵(lì)響應(yīng)的實(shí)時(shí)地層壓力反演方法
錄用期刊：石油學(xué)報(bào),(EI中文期刊)
見(jiàn)刊時(shí)間：2024.05.09
作者列表：
1）徐寶昌 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系 教師
2）尤香凝 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 碩21
3）孟卓然 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博20
4）劉 偉 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司
5）尹士軒 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博23
摘要:
石油勘探技術(shù)不斷向深層復(fù)雜地層發(fā)展，針對(duì)深層復(fù)雜油氣藏鉆探過(guò)程中易發(fā)生的氣侵現(xiàn)象，準(zhǔn)確、快速地反演出氣侵發(fā)生時(shí)的地層壓力，使井底壓力快速回到安全窗口內(nèi)，抑制更多氣體從地層流入井筒是井控的關(guān)鍵。傳統(tǒng)鉆井過(guò)程中，大多數(shù)氣侵發(fā)生時(shí)的地層壓力反演依靠關(guān)井壓力恢復(fù)曲線(xiàn)得到，但關(guān)井求取地層壓力需耗費(fèi)大量時(shí)間，時(shí)效性差，基于此提出一種無(wú)需關(guān)井的回壓激勵(lì)下地層壓力反演方法。首先，建立簡(jiǎn)化兩相流模型模擬環(huán)空內(nèi)氣液兩相流動(dòng)行為，通過(guò)與OLGA多相流模擬器對(duì)比，表明簡(jiǎn)化兩相流模型具備較高的計(jì)算精度，可用于提供地層壓力反演算法所需的實(shí)時(shí)環(huán)空數(shù)據(jù)；其次，考慮到氣侵過(guò)程中各組分體積關(guān)系，結(jié)合油藏模型，推導(dǎo)出地層壓力反演公式，該方法需要在井口處施加回壓激勵(lì)氣侵響應(yīng)參數(shù)（井底壓力、出口流量等）的變化，利用回壓激勵(lì)后控壓鉆井系統(tǒng)獲得的地面測(cè)量數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化兩相流模型計(jì)算的環(huán)空數(shù)據(jù)，反演出地層壓力。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，回壓激勵(lì)法與遞推最小二乘算法相比反演精度更高；最后，考慮鉆井液密度、出口流量存在誤差的情況，對(duì)回壓激勵(lì)算法進(jìn)行魯棒性分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉆井液密度、出口流量存在誤差時(shí)，回壓激勵(lì)算法的反演結(jié)果仍準(zhǔn)確，算法的魯棒性好。
背景與動(dòng)機(jī):
隨著能源需求量的增加，石油勘探開(kāi)發(fā)逐漸向著復(fù)雜多變的地層發(fā)展，鉆遇窄壓力窗口地層的情況頻繁發(fā)生。針對(duì)壓力體系復(fù)雜且壓力窗口較窄的地層，控壓鉆井（MPD）技術(shù)通過(guò)可調(diào)壓力的環(huán)空上返泥漿系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)控制裝置共同作用，精確控制井筒壓力，成為最直接、最有效的保證井筒安全的工藝之一。氣侵發(fā)生時(shí)，由于地層壓力未知，控壓工程師只能依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)逐漸提升回壓或直接切換至常規(guī)井控以抑制氣侵，這制約了MPD技術(shù)在氣侵控制應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于深部地層，氣體剛剛侵入井筒時(shí)一般呈壓縮狀態(tài)，造成井底鉆井液液柱壓力的降低有限，只要快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行地層壓力反演，利用MPD設(shè)備及時(shí)、合理地施加控制，就可有效地抑制氣侵、及時(shí)排氣，避免直接切換至常規(guī)井控。如何運(yùn)用新技術(shù)和新方法在氣侵發(fā)生時(shí)快速、準(zhǔn)確反演出地層壓力是本文研究的重點(diǎn)。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
（1）簡(jiǎn)化氣液兩相流模型
為模擬侵入井筒內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)，將整個(gè)井筒看作一個(gè)固定邊界的控制體積(Control Volume, CV)，且CV中僅包含一個(gè)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(jiǎn)化氣液兩相流模型方程如下：
（2）回壓激勵(lì)下的地層壓力反演算法
氣侵發(fā)生后，由于氣體的侵入，井底壓力下降，環(huán)空中流體組分與流量發(fā)生變化，這種變化會(huì)進(jìn)一步影響井口流出的泥漿體積。本文基于水基鉆井液展開(kāi)研究，因此不考慮氣體的溶解；氣侵早期氣體侵入緩慢，膨脹率極小，近似為0，因此可得到井底侵入氣體體積與井口流出液體的體積變化相等，得到井底氣體體積變化量與井口液體體積變化量的等式關(guān)系如下：
由非關(guān)井回壓激勵(lì)下的地層壓力反演算法的整體流程（下圖）可知：檢測(cè)到氣侵發(fā)生后，不改變泥漿進(jìn)口流量，先后施加兩次階梯變化的回壓值，作為井筒的外部激勵(lì)。每次施加回壓后的一段時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)采集氣侵響應(yīng)參數(shù)（井底壓力和井口出、入口流量）。其中出、入口流量可利用MPD系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量，井底壓力的測(cè)量受限于氣侵期間的信號(hào)傳輸問(wèn)題，需利用簡(jiǎn)化兩相流模型計(jì)算。將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)左矩形公式計(jì)算積分，分別代入式（23）得到：
時(shí)間段內(nèi)：
時(shí)間段內(nèi)：
圖2 回壓激勵(lì)法反演地層壓力流程
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
將簡(jiǎn)化兩相流模型與OLGA仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證該模型應(yīng)用在地層壓力反演中的有效性。
圖 3 簡(jiǎn)化兩相流模型與OLGA仿真數(shù)據(jù)對(duì)比
針對(duì)簡(jiǎn)化兩相流模型，應(yīng)用回壓激勵(lì)法進(jìn)行地層壓力反演，采用OLGA模擬器生成數(shù)據(jù)作為仿真實(shí)驗(yàn)的真實(shí)值數(shù)據(jù)來(lái)源。
圖 4 地層壓力和產(chǎn)能指數(shù)的反演結(jié)果
圖 5 回壓激勵(lì)法井底壓力變化和氣體注入率變化
圖4仿真結(jié)果表明：兩種方法均能在氣侵發(fā)生后較快地反演出地層壓力和產(chǎn)能指數(shù)，RLS算法反演速率略快于回壓激勵(lì)法，而回壓激勵(lì)法的反演精度略高于RLS法。由圖5仿真結(jié)果可知：回壓激勵(lì)算法需要實(shí)時(shí)采集足夠多的數(shù)據(jù)，在其采集數(shù)據(jù)期間無(wú)法進(jìn)行地層壓力的反演，導(dǎo)致其反演速度稍慢于RLS法。但因其在井口處施加了兩次回壓，采集數(shù)據(jù)期間一直有回壓作用于井口，會(huì)減緩井底壓力的下降和氣體的侵入速度?？梢钥闯?，回壓激勵(lì)法在采集數(shù)據(jù)期間能加速氣侵的衰減，一定程度上抑制氣侵的進(jìn)一步擴(kuò)大。
近年川西地區(qū)油氣勘探向7 000 m深層不斷邁進(jìn)。超深井底部地層壓力可達(dá)100 MPa、地層溫度可達(dá)160℃。為驗(yàn)證回壓激勵(lì)法在深井地區(qū)應(yīng)用的有效性，以7 000 m深井為例，進(jìn)行地層壓力反演實(shí)驗(yàn)。
圖6 地層壓力和產(chǎn)能指數(shù)的反演結(jié)果（7000米深井）
圖6仿真結(jié)果表明：針對(duì)7000米深井，回壓激勵(lì)法仍能在檢測(cè)到氣侵發(fā)生后較快地反演出地層壓力和產(chǎn)能指數(shù)，其反演精度仍高于RLS法。
為了研究鉆井液密度和出口流量存在誤差對(duì)回壓激勵(lì)反演算法的影響，對(duì)比RLS反演算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。分別假定出口流量、鉆井液密度存在5%的誤差。
圖 7 鉆井液密度和出口流量存在誤差的情況下地層壓力和產(chǎn)能指數(shù)的反演結(jié)果
圖7仿真結(jié)果表明：在鉆井液密度和出口流量存在誤差的情況下，回壓激勵(lì)法和RLS法均能準(zhǔn)確地反演出地層壓力，且回壓激勵(lì)法的精度略高于RLS法，其魯棒性更好。這與回壓激勵(lì)算法中采用井底壓力和出口流量的累積量來(lái)反演地層壓力有關(guān)，利用累積量在一定程度上提升了回壓激勵(lì)算法的魯棒性。
小結(jié):
（1）建立了由一組常微分方程表示的環(huán)空氣液兩相流動(dòng)模型，該模型具備較高的計(jì)算精度，可用于提供地層壓力反演算法所需的實(shí)時(shí)環(huán)空數(shù)據(jù)。
（2）基于井侵氣體與出口流體的體積關(guān)系，利用回壓激勵(lì)后MPD系統(tǒng)獲得的地面測(cè)量數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化兩相流模型計(jì)算的環(huán)空數(shù)據(jù)，提出了一種無(wú)需關(guān)井的回壓激勵(lì)下實(shí)時(shí)地層壓力反演方法，應(yīng)用于氣侵工況。
（3）與RLS法相比，回壓激勵(lì)法反演得到更加準(zhǔn)確的地層壓力和產(chǎn)能指數(shù)，并可在反演地層壓力的同時(shí)加快氣侵的衰減過(guò)程。在鉆井液密度和出口流量存在誤差的情況下，回壓激勵(lì)法仍能準(zhǔn)確地反演出地層壓力，算法的魯棒性好。
作者簡(jiǎn)介:
徐寶昌，教授，博士生導(dǎo)師/碩士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事復(fù)雜系統(tǒng)的建模與先進(jìn)控制；鉆井過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)；井下信號(hào)的測(cè)量與處理；多傳感器信息融合與軟測(cè)量技術(shù)等方面的研究工作?，F(xiàn)為中國(guó)石油學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)信息技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研課題的科研工作，并在國(guó)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。