页岩气井分层强化参数钻井方法及钻井装置

技术领域

本发明涉及石油工程非常规油气钻井技术领域，更具体地说，涉及一种页岩气井分层强化参数钻井方法及钻井装置。

背景技术

目前，页岩气是指附存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合，可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解状态储存于干酪根和沥青质中，游离气比例一般在20％～85％。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。较常规天然气相比，页岩气开采难度大，开发周期长，产量衰竭快，稳产难度大。在国内川渝地区，以海相页岩气为主，地层层系复杂多样，埋深在2500-4500m，为实现提速提效，必须提高机械钻速，缩短钻井周期。但是现有的钻井设备在钻井过程中，无法采集全面真实的数据，输出最佳的工作状态，进而降低了工作效率和安全性。

通过上述分析，得出存在的问题及缺陷为：现有的钻井设备在钻井过程中，无法采集全面真实的数据，输出最佳的工作状态，进而降低了工作效率和安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种页岩气井分层强化参数钻井方法及钻井装置，能够准确调整钻井装置的强化参数，同时提高了工作效率和安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种页岩气井分层强化参数钻井方法，包括以下步骤：

步骤一，利用地层参数获取模块对云端服务器中预存的对应位置的地层中岩石的密度、渗透性、孔隙度和硬度信息进行采集获取，利用井底钻井参数采集模块中安装在钻具下端的工具短节，对钻具运行过程中的井底钻井参数进行实时检测采集；

步骤二，利用数据预处理模块对地层参数获取模块、井底钻井参数采集模块采集的地层参数和井底钻井参数进行预处理；

步骤三，利用钻井综合分析模块根据预处理后的地层参数和井底钻井参数，对钻井设备运行状态进行风险评估，并确定出最佳的钻井设备设定参数；

步骤四，利用参数调整模块根据确定的最佳的钻井设备设定参数与钻井设备当前的设定参数进行对比，若不一致，则将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数；

步骤五，远程监控模块利用通信模块与中央控制模块进行信息交互，对整体钻井设备进行远程监控。

按上述方案，所述步骤二中的数据预处理模块采用的数据预处理方法包括：

(1)将采集的地层参数和井底钻井参数建立对应的数据集；

(2)通过去噪增强程序分别对采集的地层参数和井底钻井参数进行去噪增强；

(3)去噪增强完成后，提取各个数据集中的特征，并对各个特征进行相似性分类，对每一个特征进行解释说明，得到统一的融合属性说明。

按上述方案，所述步骤(2)通过去噪增强程序分别对采集的地层参数和井底钻井参数进行去噪增强的具体过程为：

根据采集的地层参数和井底钻井参数进行分类，建立不同类型的分类数据集；

通过主成分分析和双边滤波对各个不同类型的分类数据集进行去噪增强；

选出PCA的训练样本集，应用主成分分析法滤除绝大部分的高斯噪声；

对系数收缩重构的数据残余噪声方差进行估计，估计完成后，输入到自适应双边滤波器中，得出去噪增强后的数据集。

按上述方案，所述步骤三中对钻井设备运行状态进行风险评估的具体过程为：

根据采集的地层参数和井底钻井参数，建立地层中岩石构造三维仿真动作模型；

同时选择安全钻压计算模型和岩石破损边界计算模型，确定出安全钻压范围和岩石破损边界；

将安全钻压范围和岩石破损边界输入到风险系数模型中，计算出风险系数，根据得到风险系数，进行钻井安全性风险评估；

根据风险评估结果，对钻井设备运行参数进行优化调整。

按上述方案，所述建立地层中岩石构造三维仿真动作模型中，根据采集的地层参数数据、钻井设备状态数据和钻井过程的数据，将地层中岩石构造划分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类三个综合评价级别：

Q＝P1*P2*P3

式中，Q为各综合评价级别的评价得分，P1为各参数数据的赋值百分比，单位％，P2为各参数数据相应级别的赋值，P3为各参数数据所占比例。

按上述方案，所述步骤三中确定出最佳的钻井设备设定参数的具体步骤包括：

(1)确定钻井设备运行过程中的参数范围和参数的样本数，所述参数范围为钻井设备控制参数所选范围边界值，样本数为参数优化过程中生成的样本总数；

(2)钻井设备的各控制参数范围输入到伺服控制参数生成器中，伺服控制参数生成器根据输入的伺服系统各控制参数范围生成相应的伺服系统各控制参数值样本集合；

(3)依据伺服控制参数生成器生成的各控制参数样本集合值依次更新相应的伺服控制参数；根据适应度函数值组合，选出伺服系统控制参数最佳样本组合；

(4)控制参数优化器对样本组合进行选择、复制、交叉、变异操作生成新的控制参数样本集合，满足优化结束条件后，给出最佳控制参数样本组合对应的控制参数值。

按上述方案，所述步骤四中将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数的具体步骤包括：

根据传感器信号实时计算出钻具转速，确定控制器输出值和设定参数的偏差和偏差变化率；

根据偏差和偏差变化率的大小进行控制器的性能测试，确定对输出量的控制；

确定偏差、偏差变化率和输出量的隶属函数，根据钻具转速模糊控制器的参考值，并计算输出量，根据输出量的调节量的大小对调节器的钻井设备设定参数进行控制。

本发明还提供了一种的页岩气井分层强化参数钻井装置，包括：

地层参数获取模块，用于对云端服务器中预存的对应位置的地层中岩石的密度、渗透性、孔隙度和硬度信息进行采集获取；

井底钻井参数采集模块，用于利用安装在钻具下端的工具短节，对钻具运行过程中的井底钻井参数进行实时检测采集，所述井底钻井参数包括钻头转速、钻压、钻头温度、钻头扭矩、井底泵压和井底流速；

数据预处理模块，与地层参数获取模块、井底钻井参数采集模块连接，用于采集的地层参数和井底钻井参数进行预处理；

所述数据预处理模块连接有钻井综合分析模块，所述钻井综合分析模块用于根据预处理后的地层参数和井底钻井参数，确定最佳的钻井设备设定参数；

参数调整模块，用于根据确定的最佳的钻井设备设定参数与钻井设备当前的设定参数进行对比，若不一致，则将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数；

中央控制模块，中央控制模块通过设置有控制器，分别与地层参数获取模块、井底钻井参数采集模块、数据预处理模块、钻井综合分析模块、参数调整模块、通信模块、远程监控模块连接，用于协调各个模块的正常运行；

所述通信模块设置有通信设备，用以将远程监控模块与中央控制模块连接，实现信息交互；

远程监控模块设置有远程监控终端设备，用以对整体钻井设备的运行状态进行远程监控。

按上述方案，所述数据预处理模块通过设置有数据预处理程序，对采集的地层参数和井底钻井参数进行去噪增强，并进行融合处理。

按上述方案，所述钻井综合分析模块包括：

风险评估单元，用于根据采集的地层参数和井底钻井参数，通过风险评估程序对钻井设备运行状态进行风险评估；

最佳参数输出单元，用于通过参数输出程序输出钻井设备最佳运行状态的控制参数。

实施本发明的页岩气井分层强化参数钻井方法及钻井装置，具有以下有益效果：

1、本发明通过设置有地层参数获取模块、井底钻井参数采集模块可以采集全面真实的数据，为调整钻井装置的强化参数提供了可靠的数据参考，并提高了准确性。本发明通过设置有钻井综合分析模块，可以得到最佳的钻井设备运行状态参数控制，提高了整体钻井设备的工作效率和安全性。同时本发明通过设置有风险评估模块根据采集的地层参数数据、钻井设备状态数据和钻井过程的数据，通过风险评估程序对钻井设备运行状态进行风险评估，确保钻井过程中的安全性。通过参数调整模块可根据确定的最佳的钻井设备设定参数与钻井设备当前的设定参数进行对比，若不一致，则将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数，从而实现了地面设备参数设定的引导，并可根据地层参数和井底钻井参数的变化，对地面设备的设定参数进行实时更新调整，灵活性高。

2、本发明能够准确调整钻井装置的强化参数，同时提高了工作效率和安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的适用于川渝地区的分层强化参数钻井方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的数据预处理模块采用的数据预处理方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的对钻井设备运行状态进行风险评估的方法流程图；

图4是本发明实施例提供的确定出最佳的钻井设备设定参数的方法流程图；

图5是本发明实施例提供的将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数的方法流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明实施例提供的适用于川渝地区的分层强化参数钻井方法包括：

S101，利用地层参数获取模块对云端服务器中预存的对应位置的地层中岩石的密度、渗透性、孔隙度和硬度信息进行采集获取，利用井底钻井参数采集模块中安装在钻具下端的工具短节，对钻具运行过程中的井底钻井参数进行实时检测采集；

S102，利用数据预处理模块对地层参数获取模块、井底钻井参数采集模块采集的地层参数和井底钻井参数进行预处理；

S103，利用钻井综合分析模块根据预处理后的地层参数和井底钻井参数，对钻井设备运行状态进行风险评估，并确定出最佳的钻井设备设定参数；

S104，利用参数调整模块根据确定的最佳的钻井设备设定参数与钻井设备当前的设定参数进行对比，若不一致，则将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数；

S105，远程监控模块利用通信模块与中央控制模块进行信息交互，对整体钻井设备进行远程监控。

如图2所示，本发明实施例中的步骤S102中的数据预处理模块采用的数据预处理方法包括：

S201，将采集的地层参数和井底钻井参数建立对应的数据集；

S202，通过去噪增强程序分别对采集的地层参数和井底钻井参数进行去噪增强；

S203，去噪增强完成后，提取各个数据集中的特征，并对各个特征进行相似性分类，对每一个特征进行解释说明，得到统一的融合属性说明。

本发明实施例中的步骤S202通过去噪增强程序分别对采集的地层参数和井底钻井参数进行去噪增强的具体过程为：

根据采集的地层参数和井底钻井参数进行分类，建立不同类型的分类数据集；

通过主成分分析和双边滤波对各个不同类型的分类数据集进行去噪增强；

选出PCA的训练样本集，应用主成分分析法滤除绝大部分的高斯噪声；

对系数收缩重构的数据残余噪声方差进行估计，估计完成后，输入到自适应双边滤波器中，得出去噪增强后的数据集。

如图3所示，本发明实施例中的步骤S103中对钻井设备运行状态进行风险评估的具体过程为：

S301，根据采集的地层参数和井底钻井参数，建立地层中岩石构造三维仿真动作模型；

S302，选择安全钻压计算模型和岩石破损边界计算模型，确定出安全钻压范围和岩石破损边界；

S303，将安全钻压范围和岩石破损边界输入到风险系数模型中，计算出风险系数，根据得到风险系数，进行钻井安全性风险评估；

S304，根据风险评估结果，对钻井设备运行参数进行优化调整。

本发明实施例中的步骤S301建立地层中岩石构造三维仿真动作模型中，根据采集的地层参数数据、钻井设备状态数据和钻井过程的数据，将地层中岩石构造划分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类三个综合评价级别：

Q＝P1*P2*P3；

式中，Q为各综合评价级别的评价得分，P1为各参数数据的赋值百分比，单位％，P2为各参数数据相应级别的赋值，P3为各参数数据所占比例，单位％。

如图4所示，本发明实施例中的步骤S103确定出最佳的钻井设备设定参数的具体步骤包括：

S401，确定钻井设备运行过程中的参数范围和参数的样本数，所述参数范围为钻井设备控制参数所选范围边界值，样本数为参数优化过程中生成的样本总数；

S402，钻井设备的各控制参数范围输入到伺服控制参数生成器中，伺服控制参数生成器根据输入的伺服系统各控制参数范围生成相应的伺服系统各控制参数值样本集合；

S403，依据伺服控制参数生成器生成的各控制参数样本集合值依次更新相应的伺服控制参数；根据适应度函数值组合，选出伺服系统控制参数最佳样本组合；

S404，控制参数优化器对样本组合进行选择、复制、交叉、变异操作生成新的控制参数样本集合，满足优化结束条件后，给出最佳控制参数样本组合对应的控制参数值。

如图5所示，本发明实施例中的步骤S104将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数的具体步骤包括：

S501，根据传感器信号实时计算出钻具转速，确定控制器输出值和设定参数的偏差和偏差变化率；

S502，根据偏差和偏差变化率的大小进行控制器的性能测试，确定对输出量的控制；

S503，确定偏差、偏差变化率和输出量的隶属函数，根据钻具转速模糊控制器的参考值，并计算输出量，根据输出量的调节量的大小对调节器的钻井设备设定参数进行控制。

本发明实施例提供的适用于川渝地区的分层强化参数钻井装置包括：

地层参数获取模块，用于对云端服务器中预存的对应位置的地层中岩石的密度、渗透性、孔隙度和硬度信息进行采集获取；

井底钻井参数采集模块，用于利用安装在钻具下端的工具短节，对钻具运行过程中的井底钻井参数进行实时检测采集，所述井底钻井参数包括钻头转速、钻压、钻头温度、钻头扭矩、井底泵压和井底流速；

数据预处理模块，与地层参数获取模块、井底钻井参数采集模块连接，用于采集的地层参数和井底钻井参数进行预处理；

所述数据预处理模块连接有钻井综合分析模块，所述钻井综合分析模块用于根据预处理后的地层参数和井底钻井参数，确定最佳的钻井设备设定参数；

参数调整模块，用于根据确定的最佳的钻井设备设定参数与钻井设备当前的设定参数进行对比，若不一致，则将当前的设定参数同步为最佳的钻井设备设定参数；

中央控制模块，中央控制模块通过设置有控制器，分别与地层参数获取模块、井底钻井参数采集模块、数据预处理模块、钻井综合分析模块、参数调整模块、通信模块、远程监控模块连接，用于协调各个模块的正常运行；

所述通信模块设置有通信设备，用以将远程监控模块与中央控制模块连接，实现信息交互；

远程监控模块设置有远程监控终端设备，用以对整体钻井设备的运行状态进行远程监控。

本发明实施例中的数据预处理模块通过设置有数据预处理程序，对采集的地层参数和井底钻井参数进行去噪增强，并进行融合处理。

本发明实施例中的钻井综合分析模块包括：

风险评估单元，用于根据采集的地层参数和井底钻井参数，通过风险评估程序对钻井设备运行状态进行风险评估；

最佳参数输出单元，用于通过参数输出程序输出钻井设备最佳运行状态的控制参数。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。