基于BP神经网络的储层气体钻井安全风险分析系统的制作方法

本发明属于钻井安全
技术领域：
，尤其涉及一种基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析系统。
背景技术：
：钻井是一项隐蔽的地下工程，存在着大量的模糊性、随机性和不确定性问题，由于对客观情况的认识不清或主观意识的决策失误，会产生许多复杂情况甚至造成严重的事故，轻者耗费大量人力物力和时间，重者导致全井的废弃。据近年来的钻井资料分析，钻井过程中，处理复杂情况和钻井事故的时间，约占施工总时间的6～8％，一个拥有百台钻机的油田，一年中就有6～8台钻机在做无功的工作，何况资金的消耗并不和时间成比例，而是要大得多，这是多么惊人的浪费。不懂得复杂问题与钻井事故的预防与处理办法的人，难免不碰到这些问题，而且一旦碰到了会惊慌失措，举止无着，把小病治成大病，大病治成死病。而懂得复杂问题与钻井事故的预防和处理办法的人，一旦遇到这些问题则心中有数，采取正确的措施，往往可以化险为夷，转危为安，这才是一个成熟的钻井工作者必须具备的条件。气体钻井技术在国内起步晚，四川在上世纪50～70年代开始零星尝试，80年代末新疆局进口了我国第一套空气钻井设备，开始了空气钻井的现场试验。通过十多年的探索，到2000年以后有了较快发展，2005年以后四川盆地气体钻井的迅速发展，气体钻井显现了革命性技术进步的特点，展现了该技术的巨大潜力。但目前国内总体上仍处于试验推广阶段。综上所述，现有技术存在的问题是：钻井存在着大量的模糊性、随机性和不确定性问题，由于对客观情况的认识不清或主观意识的决策失误，会产生许多复杂情况甚至造成严重的事故，轻者耗费大量人力物力和时间，重者导致全井的废弃。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析系统及方法。本发明是这样实现的，一种基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析方法，所述基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析方法包括：基于bp神经网络进行储层气体钻井风险识别的灰色关联度分析；进行储层气体钻井风险识别的模糊识别。进一步，所述灰色关联度分析方法包括：识别的对象系统事故类型数目为m，每种事故的特征向量所包含的元素个数为n，建立相应的事故标准模式特征向量矩阵：上面矩阵中的每一行代表某一事故的特征向量，而每一列中的各元素具有相同的物理意义；设实际测得的参数的特征向量为：yt＝[y1，y2，...，yn]其中，实际测得的参数的特征向量yt与标准特征向量矩阵xr；待检向量yt与标准特征向量矩阵xr中各事故特征标准向量之间对应元素的最小绝对误差值和最大误差值分别为：待检向量yt与标准特征向量矩阵xr中各特征参数的关联度系数公式为：式中的ρ是分辨系数，取值范围是0＜ρ＜1，根据实际问题对ρ进行正确取值；在ρ值取定后，待检向量yt与事故特征向量xi的关联度为：对每个特征参数赋予不同的权值ωj，关联度变为：各特征参数的权值之和为1，即满足：进一步，钻井故障的模糊识别方法包括：a、构造征兆特征向量是对象具有征兆xi的隶属度；b、建立模糊关系矩阵r；c、根据模糊关系y＝x·r，求解出y，故障特征向量是对象具有故障yj的隶属度。进一步，钻井故障的模糊方法包括：1)、构造征兆特征向量2)、确定隶属函数：基于钻井过程中，动态信号不断发生变化，随着其表征参数的增大或减小，表示故障向着严重的发展程度发展，正数表示参数增大、负数表示参数减小，0表示没有任何变化，xi反映故障严重程度的隶属函数为：α1：代表某一参数的上上限；α′1：代表某一参数的上限；α′2：代表某一参数的下限；α2：代表某一参数的下下限；3)、建立模糊关系矩阵根据大量的资料、专家的经验和统计分析，确定每一个事故对应每个原因的隶属度，构造模糊关系矩阵r,使之更加反应征兆与故障之间的密切程度；模糊关系矩阵：根据模糊关系求y，模糊关系方程y＝x·r将征兆向量x和模糊关系矩阵带入模糊关系方程进行计算，其中，y中分量最大者所对应事故类型即为识别结果。本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析方法的计算机程序。本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析方法的信息数据处理终端。本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析方法。本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析方法的基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析系统，包括：灰色关联度分析识别储层气体钻井风险模块，进行储层气体钻井风险识别的灰色关联度分析；模糊识别储层气体钻井风险模块，进行储层气体钻井风险识别的模糊识别。本发明的另一目的在于提供一种搭载所述基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析系统的钻井安全平台。本发明的优点及积极效果为：本发明针对气体钻井储层的风险控制这一工程实际问题，结合现代信息采集、数据处理、风险智能识别与管理技术最大程度的缩小其安全风险发生的可能性，通过基础理论分析、模型建立、计算机仿真分析，建立实时观测预测气体钻井事故识别的方法及软件实现。通过分析钻井事故的参数变化特征研究了现代故障识别技术和数学方法运用到钻井事故识别中的方法提出了具有可行性的方法这对于提高钻井故障识别的准确度是十分必要的。把复杂情况带来的损失降至最低限度；同时，本发明利用灰色关联分析法，提出了一种基于灰色关联度的钻井事故识别方法。识别实例表明，用灰色关联度进行风险预测的方法可行，并且具有计算量小、简单方便、结果可靠等特点。附图说明图1是本发明实施提供的基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析系统及方法流程图。图2是本发明实施提供的某岩样侵泡前后的抗压破坏形状与强度变化图。图3是本发明实施提供的使用旋防出口放喷图。图4是本发明实施提供的不使用旋防出口放喷图。图5是本发明实施提供的a井关井稳定后井筒环空压力分布图。图6是本发明实施提供的可燃气云爆炸形成超压与泄漏时间关系图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。如图1所示，本发明实施例提供的基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析方法包括：s101，基于bp神经网络进行储层气体钻井风险识别的灰色关联度分析；s102，储层气体钻井风险识别的模糊识别。bp神经网络可采用现有技术进行。本发明提供的灰色关联度分析方法如下：设要识别的对象系统事故类型数目为m，每种事故的特征向量所包含的元素个数为n，则可建立相应的事故标准模式(或参考模式)特征向量矩阵：上面矩阵中的每一行代表了某一事故的特征向量，而每一列中的各元素具有相同的物理意义，但其值的大小可能不同。设实际测得的参数的特征向量为：yt＝[y1，y2，...，yn](2)因此，需要研究的是实际测得的参数的特征向量yt与标准特征向量矩阵xr中各特征标准向量之间的关联程度，从而确定发生了何种事故。定义待检向量yt与标准特征向量矩阵xr中各事故特征标准向量之间对应元素的最小绝对误差值和最大误差值分别为：待检向量yt与标准特征向量矩阵xr中各特征参数的关联度系数公式为：该式中的ρ是分辨系数，它可以预先设定，其取值范围是0＜ρ＜1，但将ρ值在一般情况下取成0.5是不太合理的，因为关联系数受分辨系数ρ的影响，不同的ρ值有时会出现不同的关联度，当ρ＝0.5时，即使两向量间无任何关联，关联度也会大于0.333…，因此要根据实际问题对ρ进行正确取值。在ρ值取定后，可以定义待检向量yt与事故特征向量xi的关联度为：由于不同的特征参数对系统状态的影响程度不同，为了表明某一特征参数的重要性，需要对每个特征参数赋予不同的权值ωj，那么关联度就可变为：各特征参数的权值之和为1，即满足：在实际应用过程中，由于不同参数的计量单位不同，存在着量纲和数量级上的差异，因此在计算关联度之前，需要对事故特征向量中的各参数进行归一化处理。求出检测系数与每一个事故标准特征向量xi(1≤i≤m)的关联度之后，即可得到一组关联序列[r]＝[r1，r2，...，rm]，当待检参数与某一事故标准特征向量的关联度超过预先在正常状态下给定的λi(1≤i≤m)时，就可认为该系统发生了该类事故，从而达到对模式的分类识别。本发明提供的钻井故障的模糊识别方法如下：在钻井过程中，钻井事故发生前绝大多数情况都有某些征兆，征兆就是某些参数的异常变动。某一征兆可能引起多种事故发生的可能，一种事故的发生可能由多种征兆引起的，用模糊数学诊断可以解决如此复杂的问题，(1)、假设：某种事故的发生不会导致其他事故的发生。a、钻井时可能表现的征兆可能有16种，表示为x1，x2，...，x11，x12。12种征兆分别是:b、可能出现的故障有9种，表示为y1，y2，...，y6，y7。7种事故分别是：地层产气、井壁失稳、地层产水、井下爆炸、钻柱失效、地层产出有害气体、地面装备与人员安全。(2)、模糊理论简要步骤：a、构造征兆特征向量是对象具有征兆xi的隶属度。b、建立模糊关系矩阵r。c、根据模糊关系y＝x·r，求解出y，故障特征向量是对象具有故障yj的隶属度。(3)、模糊理论具体方法：1)、构造征兆特征向量考虑如下常见钻井故障：y1：地层产气y2：井壁失稳y3：地层产水y4：井下爆炸y5：钻柱失效y6：地层产出有害气体y7：地面装备与人员安全根据以上各种故障征分析，选择如下故障特征参量：xi(i＝12，...12)分别表示：x1—注入气体压力x7—管线壁厚度值x2—大钩载荷x8—地面可燃、有毒气体浓度x3—扭矩x9—返出岩屑形态变化x4—返出气体流量x10—返出岩屑量x5—返出气体压力x11—采集图像异常x6—返出气体相对湿度x12—钻时2)、确定隶属函数模糊数学将0,1二值逻辑推广到可取[0,1]闭区间中任意值的连续的逻辑，用相应的隶属度来描述故障发生的可能性，模糊逻辑把[0,1]分成许多子空间，它们分别表示xi隶属于事件a的不同程度，称为隶属函数μa(x)，记为确定隶属函数的方法有很多种，基于钻井过程中，动态信号不断发生变化，随着其表征参数的增大或减小，表示故障向着严重的发展程度发展，正数表示参数增大、负数表示参数减小，0表示没有任何变化，xi反映故障严重程度的隶属函数可定义为：a1：代表某一参数的上上限；a′1：代表某一参数的上限；a′2：代表某一参数的下限；a2：代表某一参数的下下限。3)、建立模糊关系矩阵模糊关系矩阵的建立是钻井故障识别的关键，为了客观遵循实际情况，考虑不同特征参量对事故识别的能力，一般根据大量的资料、专家的经验和统计分析，确定每一个事故对应每个原因的隶属度，来来构造模糊关系矩阵r,使之更加反应征兆与故障之间的密切程度。根据表一从而构造出模糊关系矩阵。根据模糊关系求y由于模糊关系方程y＝y·r将(1)式征兆向量x和(2)式模糊关系矩阵带入模糊关系方程进行计算，其中，y中分量最大者所对应事故类型即为识别结果。4)灰色关联在钻井故障识别中的应用利用灰色关联分析法，提出了一种基于灰色关联度的钻井事故识别方法。识别实例表明，用灰色关联度进行风险预测的方法可行，并且具有计算量小、简单方便、结果可靠等特点。x9—下放钻具遇阻值；x10—管线壁厚减薄；x11—采集图像异常；x12—井场有毒害气体浓度变化。下面结合灰色关联分析在钻井事故识别中的应用对本发明作进一步描述。1、灰色关联分析在钻井事故识别中的应用考虑如下常见的钻井事故：nx1—地层产气nx2—井壁失稳nx3—地层产水nx4—井下燃爆nx5—钻柱失效nx6—地层产出有毒有害气体nx7—地面装备失效根据对上述7种钻井事故特征的分析，我们选择以下事故特征参数来描述事故特征：x1—排砂管线返出气体(o2)组分与浓度均值变化x2—排砂管线返出气体流量与压力均值变化x3—大钩载荷与钻压均值变化x4—注入气体压力均值变化x5—钻头无因次扭矩均值的相对变化x6—排砂管线返出气体相对湿度均值变化x7—排砂管线返出岩屑量与粒度变化x8—上提钻具超拉值x9—下放钻具遇阻值x10—管线壁厚减薄x11—采集图像异常x12—井场有毒害气体浓度变化表1各事故类型和对应的参数变化表由于上述描述事故特征的参数很难用某一具体数值的大小来表示，在实际情况中，关心的是数值的相对变化情况，因此可以设定一个门限值，当参数的增减量超过门限值时，即认为参数发生了变化。简单地用1表示参数增大，-1表示参数减小，用0.5表示参数变化波动，用0表示参数没有变化。在各标准事故模式特征向量中，由于各特征参数的重要性不同，因此可以赋予不同的权值系数。当两个或者两个以上的事故类型具有相似特征时，在某些有区别的特征参数上应赋予一定的权值ω。根据之前的分析，ρ的取值需要依据具体情况判断，需要遵循如下原则：ρ应根据实际观测向量的具体情况动态取值；当观测向量出现奇异值时，ρ应取较小的值，以克服奇异值的支配作用；当观测向量比较平稳时，ρ应取较大的值，充分体现关联度的整体性。而在待检参数特征向量yt与标准特征向量矩阵xr中各特征标准向量变化相对来说比较平缓，因此ρ的取值可以大于0.5，将其取值为0.8。根据上述分析，可以建立如下的标准模式事故特征向量，见下表：表2标准模式事故特征向量机对应权值\说明：1.表中用“”表示的特征参数是与相应的事故类型无关或是可以忽略其影响的特征参数，在实际计算中，用0来代替。2.为了突出事故的主要特征，忽略次要特征，表中对某些相关参数的权值设定为0。要确定待检参数的特征向量，必须首先确定钻井过程中无事故发生的情况下的各特征参数的基准值，为了消除系统因偶然因素的影响而产生错误的识别，可连续采用3～5次的识别结果作为最终识别结果的基准值，然后把某一时间间隔内实时测量的参数进行处理，提取出待检参数向量中个特征参数的值。在标准参数特征向量、待检参数特征向量和各特征参量的权系数确定后，即可计算出待检参数向量与各标准参数特征向量之间的关联度r(i)，当r(i)大于或等于临界关联度rz(i)时，则发生了相应的事故。各类钻井事故的临界关联度见下表：表3各类型事故的临界关联度编号事故类型临界关联度rz(i)nx1地层产气0.6nx2井壁失稳0.55nx3地层产水0.7nx4井下燃爆0.67nx5钻柱失效0.71nx6有毒与有害气体产出0.64nx7地面装备与人员安全0.58下面结合具体分析对本发明作进一步描述。2、储层气体钻井安全风险类型储层气体钻井不同于其它液基欠平衡钻井，也不同于非储层的气体钻井，其井底处于最大欠压状态，且有地层油气产出，具有较高的安全风险。由储层气体钻井现场实践经验，其安全风险类型主要包括以下几个方面：地层产气、井壁失稳、地层产水、可燃油气爆炸、钻柱失效、地层产出有毒与有害气体、地面装备与人员安全。为此，针对储层气体钻井技术的特殊性，对其钻进过程中的多种安全风险类型进行细致分析，重点揭示风险发生原因、风险表征参数和风险后果。2.1地层气：在以往以提速为应用目的的非储层气体钻井，避免钻遇地层产气是其重要的区块筛选标准之一，但是在储层气体钻井时，地层产气是必然发生的。气体钻井在揭开储层后，井筒与储层间的巨大压差驱使地层气体向井筒流动，若同开揭穿多个储层段，地层产气量可达数百万方每天。且即使是高产气量，也不采用节流、压井等措施，由此，地层产气最关键的问题为及时发现地层已产气与产气后的井控。2.1.1地层产气的风险后果(1)影响井筒内流场地层气体产出后，混合注入循环气体与破碎岩屑进入井筒环空参与流动，改变了原井筒内的速度与压力分布，使井口注入压力、环空压力与气流速度随产气量的增长而增大，但各参数的增长幅值不同。(2)诱发井壁失稳地层气体产出，改变了原始地层的孔隙压力与应力分布，不利于储层的井壁稳定，且高速流动气流冲刷井壁，同样不利于非储层的井壁稳定。(3)诱发地面装备与人员安全风险其表现在两个方面，第一，冲击与冲蚀井口装置、管线，井口的气流速度与地层产气量接近为线性关系，而高速流动的气体与携带岩屑具有较大的冲蚀能与磨蚀性，随流速的增大，这种冲击与冲蚀作用增强；第二，产出气体有毒、有害，地层产出气体组分包含ch4、co与h2s等有毒、可燃气体，若发生地面泄漏、燃烧池点火不恰当，即会威胁地面装备及人员安全。(4)诱发井下燃爆地层产出气体与注入循环气混合，在满足一定条件下，即可能诱发井下燃爆。2.1.2地层产气的工程表征参数(1)排砂管线返出气体组分与浓度气体钻井钻遇地层产气后，产出气体经迟到时间返出至排砂管线，返出气体的组分和浓度发生变化。刚揭开产层时，返出地层气体各组分浓度从零逐渐上升，至储层钻穿后达到稳定值。若再次揭开新的储层，各气体的组分比发生变化，组分浓度继续升高。现代气体检测技术可实现对某种气体选择性测量，且分辨力较高，因此，检测气体组分和浓度可成为现场随钻判断与评价地层产气最灵敏的方法。(2)大钩载荷气体钻井钻遇储层后，井底与储层间的巨大压差突然释放，致使井底岩石破坏，所形成冲击力作用于钻头，钻具上顶，大钩载荷突然降低。由于应力波在钻柱中的传播速度可达5500～5700m/s，传播时间低于气体的迟到时间，因此正常钻进条件下，大钩载荷的突然变化可成为监测发现钻遇产层的最快参数。但实际工程中，大钩载荷受钻具活动的影响，且上顶力大小与储层压力、气量及盖层的岩石强度、井底环空的压力、钻头破岩的方式等多因素有关，因此该项表征参数的响应幅度具有不确定性。(3)排砂管线返出气体流量地层产气随循环气体产出，返出气体流量增大。但目前工业上对于高速气流量测定的灵敏度较低，岩屑固相的存在也会影响流量计的稳定性。而实际气体钻进时，返出气体的流量随注气量、钻柱活动、环空流动情况变化，因此该项表征参数对地层产气分辨力低，可作辅助分析与评价。(4)排砂管线返出气体压力由摩阻压降计算，排砂管线气流压耗与气体流量的平方成正比，因此排砂管线压力传感器的变化趋势与流量计相当，而工业应用的压力测量灵敏度高于流量测定，且其稳定性高。同样，排砂管线压力也会受诸多因素影响，与流量测定具有相似的响应特性。(5)注入气体压力环空气体流量增大，使整个环空流动的摩阻压耗增大，从而增大了气体注入压力。但气体具有压缩性，小产气量对注入压力影响不大。而注入压力同样受注入流量、环空流动情况影响，因此，该项表征参数对地层产气分辨力低，可作辅助分析与评价。2.2井壁失稳对于气体钻井而言，无论应用在储层还是非储层，井壁稳定都是其钻前适应性评价与钻后效果评价的关键因素之一。循环介质的不同致使气体钻井井壁应力分布很大程度异于液基泥浆钻井，其井壁失稳的主要形式为井壁的垮塌与崩落。对于储层气体钻井井壁稳定，除了受井壁岩石坍塌压力影响，地层气体产出导致的孔隙压力变化与形成的附加应力场，也会影响井壁的稳定性。另外，当储层与井底间隔岩石强度不足以克服两者间的巨大压差时，间隔岩石会发生“岩爆”式崩落，其强度与储层气体的压力与丰度、盖层岩石强度、环空的压力、钻头破岩的方式等因素有关。2.2.1井壁失稳的风险后果(1)环空携岩不畅井壁失稳引起环空携岩不畅表现在两个方面。第一方面，井壁坍塌岩石以块状掉落，岩屑运移的沉降速度与岩屑直径相关，即大块状岩屑需掉落于井底由钻头破碎至足够小才能被气流循环出井口；第二方面，井壁失稳导致部分井段的井径扩大，整个井眼环空出现多个“关键点”位置。循环气流经过这些扩径位置时，流道截面的增大致使气流速度减小，降低了气流的携岩动能。且在这些位置处由于边界层分离而形成尾涡回流区，岩屑在这些回流区容易滞留、堆积，导致环空的携岩不畅。(2)钻具阻卡若过多的井壁坍塌岩块在环空或井底堆积，不能及时被钻柱和钻头破碎返出井口，将导致钻具上提下放、旋转活动困难，甚至直接堵死环空流道。气体钻井作业处理复杂事故能力弱，若钻具卡死缺乏类似液基钻井时的有效处理方法，强行活动钻具易引发钻具失效，而直接转换为水基钻井会使高泥质含量井段由于水化作用坍塌进一步严重。在储层气体钻井时严重的井壁失稳易卡死钻具，导致井眼报废，即使钻具未卡死，由于地层气体产出，考虑到井控安全，加大了其处理的复杂程度。(3)诱发盖层失稳大多储层在垂向上与一段泥页岩的盖层相邻，其岩石强度相对较低，若产气层失稳坍塌后，上部盖层失去支撑，且受气流冲刷作用，易发生失稳。另外，当产气层段大量出气以后，盖层段迅速失去了下部地层中孔隙压力的支撑作用，其受到的围压减小，岩石强度减弱，也使其易发生失稳。2.2.2井壁失稳的工程表征参数(1)大钩载荷与扭矩井壁坍塌岩石堆积于井底或环空，导致钻具阻卡，增大了钻具的重力和上提下放、旋转的摩擦力，使钻具上提下放时大钩载荷的变化幅值增大，钻具旋转时的扭矩增大。大钩载荷和扭矩的变化可成为监测发现井壁失稳并评价其程度的最直观参数。(2)钻具上顶钻遇储层发生井底岩石崩落，形成巨大冲击力作用于钻头与钻柱上，钻具上顶，工程参数表征为正常钻进过程中大钩载荷突然降低。由于发生该现象与钻遇储层相关，因此，该响应特征也用于发现识别地层产气。(3)注入气体压力井壁失稳后环空中流动固相增加，增大了混合气流密度，循环摩阻增加使注入气体压力增大，但其幅值较小，且注入压力同样受注入流量、地层出水等因素影响，因此，注入压力小幅增大时，判定井壁失稳需结合其他参数。但是，若坍塌岩块在钻柱内或环空堵塞，继续注入气体将使注入压力大幅、快速上升。当压力足以破坏堵塞段岩块，环空继续循环流通，注入压力快速降低。由于气体的压缩性，压力蹩升需要一段时间，所以这一参数相对于大钩载荷和扭矩参数，其响应所需时间较长。(4)排砂管线返出岩屑量与粒度井壁失稳后环空中流动固相增加，可见排砂管线返出岩屑量相对于正常钻进时增多。若发生环空堵塞，则出现岩屑返出量减少，而在蹩通以后，短时间内有大量岩屑返出。且由于蹩通后压缩气体膨胀，气体流速增大，携岩能力增强，排砂管线处可见大颗粒岩屑返出。(5)排砂管线压力与流量波动正常钻进时，排砂管线返出气流各相均衡，管线内流动平稳。若发生井壁失稳，气、固相的间歇返出或返出不规律，使排砂管线压力与流量参数波动。2.3地层产水钻前对地层水层的准确预测是气体钻井顺利实施的一个难题，目前主要通过参考地质水文资料与邻井的钻进资料、射开水层测试、测井资料以确定地层流体类型、解释地层物性和计算地层出水量。地质水文资料分析可对浅层或大水层有大致的认识，但是对深部、小水层通常缺乏有用的信息；邻井资料较多是在液基过(欠)平衡钻井液钻进条件下取得的，加上地质的复杂性，如致密砂岩气藏气水关系复杂，油、气、水的重力分异不明显。因此，将钻前的地层产水预测应用于本井气体钻井时的准确性需要在钻进过程中作进一步考察。2.3.1地层产水的风险后果(1)影响井筒内流场地层产水后环空的气、液、固三相流涉及到气液相的流态变化，以及液相本身的特殊性质，其流动远比气、固两相流复杂。其中，气液两相流的相互作用主要体现在使液相分散与使液相运移两个方面，其作用结果都是消耗循环气体动能，增大设备的注入载荷。液相分散伴随表面积增大，表面自由能增加，需消耗循环气体动能。液滴分散所需的最小功耗与液滴的表面张力成正比关系，即降低液相的表面张力，可明显降低其分散过程中对气流能量的消耗。另外，循环气流中液相的存在增大了气流的密度，使压力梯度增加。(2)影响井眼净化地层岩石具有亲水性，钻进岩屑与地层产出水混合，在岩屑表面形成一层液膜包裹岩屑。液相的表面张力与岩屑的粘聚力，使得被液膜包裹的岩屑在相互碰撞时产生聚并。小尺寸岩屑的上升速度相对较快，追上大尺寸岩屑，可使大岩屑尺寸更大，形成岩屑团。若岩屑为非粘性土，岩屑团粘聚力较小，会由钻具搅动、相互碰撞、气流冲散或重力作用而分散，但从整体上，岩屑团的存在降低了岩屑的运移速度，不利于有效携岩。若岩屑为粘性土，岩屑团粘结于钻柱或井壁上，其粘聚力较大足以克服钻具搅动和气流的高速冲刷时，岩屑团会逐渐增大，并在关键点处形成泥饼圈。泥饼圈的形成使钻具外径扩大或环空内径缩小，易引起卡钻。如果岩屑团粘聚于钻头上，则形成钻头泥包。钻头泥包后钻头的对流换热系数与正常时相比减少了100倍，气体不能有效的冷却钻头，很快将牙轮钻头轴承过热、卡死，造成钻头的严重先期破坏。(3)诱发井壁失稳地层产出水在压力势差、化学势差和毛管力作用下向地层渗流运移，一方面使近井壁有效应力分布变化，另一方面使粘土层水化膨胀，且不管是在粘土层还是砂岩层，岩石强度和弹性模量值都随含水饱和度的增加而急剧降低。如图2，干岩样的单轴强度较大，经泥浆和水浸泡后强度大幅降低，水浸泡后的岩石强度约为干岩样的1/3。(4)腐蚀金属管柱深层地层产水多为盐水，所溶解的naci、kci、cacl2和caso4等盐类可增加腐蚀介质的导电性，使金属管柱的腐蚀速度增加；另外，循环气流中含有的部分溶解性气体，遇水溶解后将表现出或加剧对管柱的腐蚀。如co2气体，在干燥环境和较低的温度下，二氧化碳本身并不腐蚀金属，但遇水后二氧化碳溶解于水中生成碳酸后会引起电化学腐蚀。2.3.2地层产水的工程表征参数(1)排砂管线返出气体相对湿度气体正常钻进时的，返出气体相对湿度在40％左右，随外界气体温度规律性变化。钻遇水层后，返出气体相对湿度逐渐增大至100％，湿度参数可成为监测地层产水的最直观参数。(2)排砂管线返出物组分与物性返出气体相对湿度达到100％以后，地层水以液态形式在环空中参与流动变化，排砂管线可直接观察到液态水返出，且返出岩屑的形状、颜色、含水量受产出水影响而发生变化。(3)注入气体压力环空中液相流动的存在会消耗流动气体动能，导致循环气体注入压力增大。但是，环空中地层水对注入压力的影响幅值相对不大，且影响注入压力变化的工程因素纵多。因此，将注入压力用于直接判断地层是否出没有前两项直观，但可将其作为辅助判断。2.4井下燃爆地层可燃气体产出后，若井下具备一定的可燃气体浓度、一定的氧气浓度、着火源这三个条件时，可燃气体将发生燃爆。对于干气藏或湿气藏，烃类流体中甲烷的摩尔含量通常高于90％。对于任意一种类型气体，其爆炸浓度范围可通过实验方法确定，当可燃气体浓度低于爆炸下限，参与反应的可燃气体量较少，不能形成热量聚集，只能燃烧，不能爆炸；当可燃气体浓度高于爆炸上限，由于氧气含量相对减少，只能一部分可燃气体与氧气发生反应，也不能爆炸。而可燃气体的燃烧浓度是宽于其爆炸浓度限的，因此，要控制爆炸，首先应控制可燃气体的着火燃烧，可燃气体的燃烧界限随混合气体的初始压力、初始温度增大而变宽。2.4.1井下燃爆的风险后果(1)诱发井壁失稳井下燃爆产生的往复冲击波足够强时，可使封闭空间的壁面岩石破坏，造成井壁失稳。同时，若由存在泥饼圈引发井下燃爆，泥饼圈强度相对较低，燃爆发生后泥饼圈会被冲击破坏。(2)诱发钻具失效井下燃爆炸产生的冲击波与高温都可使钻具破坏失效，最终结果多为钻具断裂事故。由于井下燃爆多发生在刚揭开储层时，且易发生在井眼底部的最高压力、最高温度位置，即鱼头位置较深。受冲击波往复冲击与高温熔融作用，被破坏的为一段钻具，非只破坏某一点，另外钻具失效后还伴随着一定程度的井壁失稳，不利于井下落鱼打捞。2.4.2井下燃爆的工程表征参数井下可燃混合气中空气系数小，发生燃爆后氧气供给速度小于正常火焰传播速度，为不完全燃烧，生成物中包含co与co2。其反应方程式为：ach4+bo2＝cco+dco2+2ah2oc+d＝ac+2d+2a＝2b(2-1)(1)排砂管线返出气体组分与浓度由反应式，虽为不完全燃烧，反应消耗后混合气中o2浓度降低，混合气中出现co、co2组分或组分的浓度升高。这些组分和浓度的变化都可在排砂管线的返出取样气中检测，为监测井下燃爆的最直观参数。2.5钻柱失效气体钻井钻柱失效的形式有钻柱断裂、刺穿、变形几种形式。断裂直接导致钻柱废弃，造成井内钻柱断裂事故；刺穿会降低钻柱强度，部分循环气体未经井底进入环空，降低注入气体的携岩净化效率；变形也会降低钻柱强度，并改变流道形状，形成局部节流，不利于循环流动。钻柱刺穿和变形是钻柱失效的初期形式，其最终结果都是导致钻柱断裂。据统计，在气体钻井中发生断钻柱的井数占到总实施井数的28.6％，发生断钻柱的井次占总实施井数55％，远高于钻井液钻井中钻柱失效发生井数14％的概率。2.5.1气体钻井钻柱失效机理相比于液基泥浆钻井，导致气体钻井易发生钻具失效的原因[53～55]主要在以下个方面：(1)钻柱动力学特性变化气体钻井时钻柱动力学特性的变化突出在钻柱振动与涡动增强。钻柱振动包括钻柱的轴向振动、横向振动与扭振，振动的实质是钻柱应力的突变。相对于液基钻井钻柱振动增强的原因主要是钻头破岩方式改变、循环介质粘滞阻尼小、井眼扩径系数增大、钻柱组合变化、钻柱与井壁摩擦系数大等，其结果是钻柱所受的等效应力增大，承受较大的交变应力，容易发生疲劳失效。钻柱涡动是指钻柱在绕自身轴线旋转时，也以一定的速度绕井眼轴线转动。气体钻井的钻柱的涡动速度整体上高于液基钻井，涡动频率也较大，致使气体钻井时钻柱与井壁的碰撞和摩擦比液基钻井更加严重。(2)热效应钻柱与井壁频繁的碰撞和摩擦使局部钻具热能积聚多，热应力高，而气体携热性能差。若钻柱局部区域管材被加热到超过其临界相变温度，其韧性会降低，脆性增加，导致钻柱产生脆性的微裂纹，这些微小裂纹终会逐渐贯穿形成大裂纹。(3)井下燃爆井下受限条件下发生地层可燃气体燃爆产生的冲击波能直接的损坏钻具，令其失效。(3)腐蚀与冲蚀气体钻井钻柱的腐蚀主要有氧腐蚀和二氧化碳腐蚀。注入循环气体中氧的存在一方面直接腐蚀钻柱，另一方面会加速co2对钻柱的腐蚀，循环气体中的co2源于注入气体和地层产出。高速流动的气体与携带岩屑具有较大的冲蚀能与磨蚀性，随流速的增大，这种冲蚀性增强。另外，在扩径、钻柱变径等关键点位置循环气流形成尾涡回流区，岩屑在此滞留时间长，以及流速的变化也会增强冲蚀作用。冲蚀会在钻柱表面形成冲击坑，且使钻柱的壁厚减少，直接降低了钻柱强度。由于冲蚀与气流速度相关，因此储层气体钻井对钻柱冲蚀比非储层更严重。储层气体钻井地层产气对s135试件的腐蚀与冲蚀情况中，测试时长12h，平均腐蚀/冲蚀速率为9.5mm/a，经冲蚀后其迎风面较光滑，截面积减少1/4～1/5，由于靠近排砂管线中间位置流速较高，试件腐蚀与冲蚀严重，且有细小的麻点分布；而管壁附近的流速较低，腐蚀与冲蚀略有减弱；试件的背面为流体绕流区，没有明显的腐蚀与冲蚀现象。2.5.2钻柱失效的风险后果(1)钻具断裂钻柱失效的最终形式为钻具断裂，断落钻具沉于井底成为落鱼，造成井下复杂情况。气体钻井时的井径扩径系数较大，且考虑储层产气后的井控安全，增大了落鱼的打捞难度。若落鱼不能成功打捞，将直接导致井眼废弃。(2)沉砂卡钻钻具断裂失效后，落鱼段环空由于无气体流动，环空岩屑沉降于井底，可导致卡钻，增大了落鱼的打捞难度。2.5.3钻柱失效的工程表征参数(1)大钩载荷钻具断裂后，大钩可向上自由活动，悬挂钻具长度减短致使大钩载荷大幅降低，降低值为落鱼重量，其大于下放钻具的加速度力，低于钻柱卡死时的摩擦力，大钩载荷的突然大幅降低可成为监测钻柱失效和计算鱼头位置的最直观参数。(2)注入气体压力钻具断裂后，注入气体不再经掉落段钻具循环，由鱼头位置直接进入环空，循环路程减短致使注入压力降低，降低值为注入气体在落鱼段的循环摩阻压降。但由于井底压力高，低速压缩气体在井底的摩阻压降梯度相对较小，长度几百米的落鱼引起注入压力降幅值小，且注入压力同样受注入流量、地层出水等因素影响。因此，应用注入压力减小判定钻柱失效需结合其他参数。2.6地层产出有毒与有害气体气藏中可能伴生有h2s、co、co2等有毒与有害气体，在气体钻井揭开后由地层内渗流至井筒并返出。在一定的气藏有毒与有害气体浓度下，由于气体钻井时地层产气量大，地层产出有毒与有害气体量高于液基钻井时。2.6.1有毒与有害气体产出的风险后果(1)腐蚀管柱h2s与co2气体对气体钻井过程中的钻柱、井下套管、固井水泥石与地面管线具有较强的腐蚀性，同时h2s对金属管柱有氢脆破坏作用，导致井下与地面管柱强度降低，易诱发钻柱失效与地面装备安全风险。(2)伤害地面人员有毒与有害气体产出后若地面泄漏或返出后处理不及时，则可能伤害地面人员。表2-1列举了h2s与co气体的毒发机理与安全范围，可见，能使人产生中毒效果的co与h2s气体的危险浓度范围为仅数十ppm级。表2-1co与h2s气体的毒发机理与安全范围表2-1co与h2s气体的毒发机理与安全范围[60]2.6.2有毒与有害气体产出的工程表征参数(1)排砂管线返出气体组分与浓度有毒与有害气体产出后由环空返出，其组分和浓度的变化都可在排砂管线的返出取样气中检测到，为监测有毒与有害气体产出的最直观参数。但其浓度相对较低，因此，监测传感器需有较高的分辨力与精确度。2.7地面装备与人员安全储层气体钻井地面装备冗杂，各单位作业人员众多，注入管线、节流管汇、试油管线、排砂管线的安置受地势与技术条件限制，不定能满足最优的安装要求，且大多为高压管线，高速返出气流在拐弯、变径位置冲蚀与冲击作用强，易使地面装备破坏失效。返出气体在出现地面管线、旋防胶芯等装置失效和燃烧池点燃不及时情况下可发生地层产出气体地面泄漏，引发地面装备与人员安全风险。2.7.1储层气体钻井的井口控制储层气体钻井打破了传统“发现溢流，立即关井”的井控理念，倡导以“边喷边钻”方式实现储层保护效果，从而增加了井口的控制难度，通常，储层气体钻井的井口装置组合。整个井口装置组合有a、b、c、d、e共五个可供循环气流返出的出口，a为旋转防喷器出口，可连接排砂管线；b、c出口为上四通出口，可连接排砂管线，非储层气体钻井或低产气量气体钻井可取消；d、e为下四通出口，可连接井队压井、节流管汇。2.7.1.1钻进中的放喷方式分析高压、高产储层气体钻井时采用两条排砂管线“边喷边钻”，以缓解单条排砂管线时过大气流速度对管线的冲击与冲蚀作用，放喷方式可采用出口a/b组合或出口b/c组合，如图3与图4。对于上述的两种放喷形式，采用cfd软件fluent模拟了产气50×104m3/d与不产气条件下井口装置内环空的流场情况，以对比分析不同方式的优越性与存在的问题，采用a/b和b/c出口组合在未产气条件下的井口速度流场，采用a/b和b/c出口组合在产气50×104m3/d条件下的井口速度流场。采用a/b出口组合的优点在于整个井口装置内部都有流动，但a出口有较大返出气流速度，会冲蚀与冲击上部装置，特别是旋转防喷器的胶芯与旋转总成。在地层产气后气流速度加大，对上部装置的破坏作用增强。采用出口b/c组合可减弱气流对上部装置的冲击与冲蚀，且降低了右排砂管线的高度，但在出口以上的装置段内部为即使在高地层产气量条件下也为不可循环流通或流动较弱的盲端。井底返出岩屑由于质量相对大，具有较大的动能，在出口处的向上位移更大，若有地层产油、产水与大股岩屑返出发生，岩屑易粘结、聚并于上部装置段壁面形成自锁封堵，影响上闸板、环形防喷器的关井能力。2.7.1.2旋转防喷器的胶芯密封问题储层气体钻井时除了使用最高压力级别的防喷器组保证关井强度外，最重要的井控装备为旋转防喷器。旋转防喷器安装在常规钻井井口设备上，用以封闭钻具与套管之间的环空，并将井筒内的流体导流出井口。为保证密封效果，国内储层气体钻井时多采用高压力级别的被动密封式旋转防喷器，为双胶芯密封。被动密封式旋转防喷器的密封作用是靠密封胶芯与钻具之间的过盈来实现的，同时井口压力起到助封作用，其最大动/静密封压力为17.5/35mpa。在不节流条件下，即使是产气100×104m3/d，井口排砂管线流动形成回压不及0.4mpa，远低于其最大承压能力。但井口低压的助封作用弱，密封主要靠胶芯与钻具的过盈。而钻进过程中，钻具的上提下放、过接头会磨损胶芯，减少过盈量，从而降低旋转防喷器密封强度。即在钻进过程中，旋转防喷器的密封能力随使用时间是逐渐减弱的，减弱速率与胶芯质量、作业工序、钻杆光滑程度、散热条件等因素相关，多种因素影响下难以确定一个标准的胶芯额定工作时间。当胶芯密封能力低于气流的冲击强度时，地层产气或循环气体会沿六方钻杆由上胶芯顶部泄漏，直接冲上钻台。而密封胶芯价格昂贵，频繁更换增加了钻井成本。目前的旋转防喷器缺乏一种在线监测胶芯密封失效的方法，该监测方法需对注入气体与地层产气泄漏都能响应。2.7.1.3关井井口压力高气体钻井揭开储层后，若出现一些钻井复杂情况需长时间关井，关井后由于储层远井壁区域的渗流补充，近井壁区域的地层压力逐渐恢复至原始地层压力。地层产出气体充满环空，并在井口蹩起高压，相当于液基钻井时井筒液体完全被产出气体掏空的情况，此时的井口压力为地层压力与环空气柱压力的差值：式中pa为井口套压，mpa；vh为相邻节点段长，m。由上式，若地层压力为60mpa，关井后稳态条件下环空的压力分布如图5。由上图，关井压力恢复稳定后井口压力可达46.4mpa，整个环空具有较高的气柱压力。虽然井口压力低于最高压力级别闸板防喷器的承压能力105mpa，但井口为压缩可燃气体，若防喷器失效后气危险性大，要求井控装具备长时间的、较高的承压能力。同时，环空较大的气柱压力要求套管固井质量高，特别是套管鞋、分级箍等低强度位置，易引起气窜。2.7.2高速气流对地面装备的冲击循环气流由井口返出后，由于压力降低，气流膨胀，具有较高的流动速度。而地面流动管线受井场地形、技术条件限制，不定能满足最优的布局要求，排砂管线可能出现大角度变向情形，造成气流对管壁的连续冲击。由动量方程，连续冲击力f大小可由下式计算：式中，q为气流体积流量，m3/s；ρ为气流密度，kg/m3；ν为气流速度矢量，m/s。由上式，对于一给定变向角度的弯管线，气流形成的连续冲击力与气流流量、密度、速度差相关。在储层刚揭开时，地层产气量与管线气流速度达最大，且气流夹杂大量的井底岩石崩落产生岩块，增大了混合气流密度，此时气流对变向管壁有最大冲击力。以a井井深4893m产气为例，揭开产层后返出气体全烃峰值浓度达70％，折算产气量50×104m3/d，混合气流密度2.67kg/m3，若采用单条排砂管线放喷，且排砂管线存在直角变向，由式，气流对变径处壁面将产生约6600n的持续冲击力。采用fluent模拟相同参数下，地面排砂管线直角变向位置的压力场分布，可见在变向直角处压力值较高，对管壁造成了较大力度的冲顶。由受力输出报告，垂直方向气流变向对管壁造成的冲击力为7186n。2.7.3地层可燃气泄漏的安全风险由前述，储层气体钻井时较大的气流速度对井口装备冲击作用强，易在变向、接头等环节引起装置或管线刺穿、断裂失效。由于地层产出为可燃、有毒气体，其泄漏将威胁地面装备与人员的安全。2.7.3.1地面可燃气体的泄漏率地面装置或管线初始失效通常是刺穿、断裂形成细小的孔洞和裂纹，内外压差下发生管内气体泄漏，其流动计算类似于钻头水眼的气体流动，分为声速泄漏和亚声速泄漏。声速泄漏和亚声速泄漏都可能发生，近井口发生声速泄漏的几率更大。声速泄漏和亚声速泄漏的临界条件为[56]：声速流动下，其泄漏质量流量q为：亚声速流动下，其泄漏速度为：式中，cd为流量系数，对气体为0.85～1，圆形裂口取1；a为裂口面积，m2；pp为管内压力，pa；pa为大气压，pa；m为摩尔质量，kg/mol；k为气体绝热指数，ch4取1.31；tp为管内温度，k。若忽略气体泄漏对管内压力的影响，假设在井口旋防与排砂管线连接位置存在一当量直径为0.01m的圆形裂口，地层产气量为100×104m3/d时该断口的泄漏率为4.14m3/min。2.7.3.2泄漏可燃气体地面爆炸与燃烧向大气泄漏的可燃气体与空气混合，形成在泄漏点可燃气体浓度最高，随着离泄漏点距离增加浓度逐渐降低的可燃气云。若可燃气云混合物被意外的点燃，就会发生爆炸，对于可燃气云的爆炸计算可采用tnt当量法。tnt炸药的爆炸威力分析已进行了大量的研究工作，目前已经能够有效的预测其发生爆炸后的爆炸场和对物体的破坏作用，将气云爆炸的破坏作用转化为tnt的爆炸破坏作用，称为tnt当量法。其表达式为：式中，wtnt为蒸气云的tnt当量，kg；a为蒸气云的tnt当量系数，取3％；wf为蒸气云中燃料的总质量，kg；qf为燃料的燃烧热，甲烷为5.01×103kj/kg；qtnt为tnt的爆炸热，取4.52×103kj/kg；按此方法，可燃气云的爆炸威力转化为了质量为wtnt的tnt炸药的爆炸威力，其爆炸最大超压(与大气压力差值)可由tnt爆炸压力-距离图版查得，其当量距离λ为：式中，r为至爆源中心的距离，m。以上节计算的泄漏率，计算可燃气云爆炸后分别在距离爆源中心3、5、10m位置处形成的超压与泄漏量间的变化趋势如图6。由图可见，可燃气云爆炸形成超压与泄漏时间成对数增长趋势，在泄漏初期，可燃气云发生爆炸形成超压随泄漏时间增长较快，当泄漏量达到一定时，增长幅度减缓。且离爆源中心越近，同等体积可燃气云爆炸形成超压越大。当超压达到1个大气压，可大部分致人死亡，若超压达到2个大气压，可使砖木结构完全破坏。爆炸发生后，爆炸气体产物的扩散只发生在极其短促的瞬间，对一般可燃物来说，不足以造成起火燃烧，而且冲击波造成的爆炸风且还有灭火作用，但是井场内遗留大量的热或残余火苗，会把从井口不断喷出的地层可燃气体点燃。井口喷出的地层气体燃烧为大尺度湍流(re>6000)自由射流扩散燃烧，燃烧所需的氧气依靠空气的扩散作用，扩散过程以分子团状态进行。2.7.4地面装备与人员安全的风险后果发生地面装备与人员安全事故后，其控制难度远高于前面的六项风险，其结果易发展成为灾难性的，将威胁现场人员的生命安全，造成重大经济损失。(1)损坏地面钻井装备气体钻井地面所有装备为整体链接，单一装备发生失效后引发的破坏力可造成整个系统的损坏。(2)伤害地面人员泄漏气体在井场内自由扩散或地面燃爆，无防护的工作人员暴露其中易发生窒息、中毒、炸伤与灼伤等致命伤害。2.7.5地面装备与人员安全的工程表征参数(1)固定或便携式可燃、有毒气体检测仪响应若发生地面装置失效，有地层产出可燃、有毒气体泄漏，固定安装于井场或便携于人身的气体检测仪将发生响应。(2)管线壁厚地面管线经高速气流长时间、持续的冲蚀与冲击导致管线壁厚减薄，强度减弱。周期性的测量管线壁厚，根据其变化确定管线的剩余强度是否满足工程需求，同时分析评价气流的冲蚀与冲刷能力。(3)采集图像异常地面装备和人员出现异常时，通过视频采集图像可远程发现、监测风险，如旋转防喷器密封胶芯失效、燃烧池火焰、井场人员的操作与体能状况等。本发明实施例提供的基于bp神经网络的储层气体钻井安全风险分析系统，包括：灰色关联度分析识别储层气体钻井风险模块，进行储层气体钻井风险识别的灰色关联度分析；模糊识别储层气体钻井风险模块，进行储层气体钻井风险识别的模糊识别。在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12