論文題目：基于回壓激勵響應的實時地層壓力反演方法

錄用期刊：石油學報,(EI中文期刊)

見刊時間：2024.05.09

作者列表：

1）徐寶昌 中國石油大學（北京）人工智能學院 自動化系 教師

2）尤香凝 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 碩21

3）孟卓然 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博20

4）劉   偉 中國石油集團工程技術研究院有限公司

5）尹士軒 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博23

摘要:

石油勘探技術不斷向深層復雜地層發展，針對深層復雜油氣藏鉆探過程中易發生的氣侵現象，準確、快速地反演出氣侵發生時的地層壓力，使井底壓力快速回到安全窗口內，抑制更多氣體從地層流入井筒是井控的關鍵。傳統鉆井過程中，大多數氣侵發生時的地層壓力反演依靠關井壓力恢復曲線得到，但關井求取地層壓力需耗費大量時間，時效性差，基于此提出一種無需關井的回壓激勵下地層壓力反演方法。首先，建立簡化兩相流模型模擬環空內氣液兩相流動行為，通過與OLGA多相流模擬器對比，表明簡化兩相流模型具備較高的計算精度，可用于提供地層壓力反演算法所需的實時環空數據；其次，考慮到氣侵過程中各組分體積關系，結合油藏模型，推導出地層壓力反演公式，該方法需要在井口處施加回壓激勵氣侵響應參數（井底壓力、出口流量等）的變化，利用回壓激勵后控壓鉆井系統獲得的地面測量數據和簡化兩相流模型計算的環空數據，反演出地層壓力。仿真實驗結果表明，回壓激勵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，對回壓激勵算法進行魯棒性分析。實驗結果表明，鉆井液密度、出口流量存在誤差時，回壓激勵算法的反演結果仍準確，算法的魯棒性好。

背景與動機:

隨著能源需求量的增加，石油勘探開發逐漸向著復雜多變的地層發展，鉆遇窄壓力窗口地層的情況頻繁發生。針對壓力體系復雜且壓力窗口較窄的地層，控壓鉆井（MPD）技術通過可調壓力的環空上返泥漿系統和旋轉控制裝置共同作用，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。氣侵發生時，由于地層壓力未知，控壓工程師只能依賴經驗逐漸提升回壓或直接切換至常規井控以抑制氣侵，這制約了MPD技術在氣侵控制應用中的進一步發展。對于深部地層，氣體剛剛侵入井筒時一般呈壓縮狀態，造成井底鉆井液液柱壓力的降低有限，只要快速、準確地進行地層壓力反演，利用MPD設備及時、合理地施加控制，就可有效地抑制氣侵、及時排氣，避免直接切換至常規井控。如何運用新技術和新方法在氣侵發生時快速、準確反演出地層壓力是本文研究的重點。

設計與實現:

（1）簡化氣液兩相流模型

為模擬侵入井筒內氣體的運動，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：

（2）回壓激勵下的地層壓力反演算法

氣侵發生后，由于氣體的侵入，井底壓力下降，環空中流體組分與流量發生變化，這種變化會進一步影響井口流出的泥漿體積。本文基于水基鉆井液展開研究，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系如下：

由非關井回壓激勵下的地層壓力反演算法的整體流程（下圖）可知：檢測到氣侵發生后，不改變泥漿進口流量，先后施加兩次階梯變化的回壓值，作為井筒的外部激勵。每次施加回壓后的一段時間內實時采集氣侵響應參數（井底壓力和井口出、入口流量）。其中出、入口流量可利用MPD系統實時測量，井底壓力的測量受限于氣侵期間的信號傳輸問題，需利用簡化兩相流模型計算。將采集到的數據經過左矩形公式計算積分，分別代入式（23）得到：

時間段內：

時間段內：

圖2 回壓激勵法反演地層壓力流程

實驗結果及分析:

將簡化兩相流模型與OLGA仿真數據對比，以驗證該模型應用在地層壓力反演中的有效性。

圖 3 簡化兩相流模型與OLGA仿真數據對比

針對簡化兩相流模型，應用回壓激勵法進行地層壓力反演，采用OLGA模擬器生成數據作為仿真實驗的真實值數據來源。

圖 4 地層壓力和產能指數的反演結果

圖 5 回壓激勵法井底壓力變化和氣體注入率變化

圖4仿真結果表明：兩種方法均能在氣侵發生后較快地反演出地層壓力和產能指數，RLS算法反演速率略快于回壓激勵法，而回壓激勵法的反演精度略高于RLS法。由圖5仿真結果可知：回壓激勵算法需要實時采集足夠多的數據，在其采集數據期間無法進行地層壓力的反演，導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，采集數據期間一直有回壓作用于井口，會減緩井底壓力的下降和氣體的侵入速度?？梢钥闯?，回壓激勵法在采集數據期間能加速氣侵的衰減，一定程度上抑制氣侵的進一步擴大。

近年川西地區油氣勘探向7 000 m深層不斷邁進。超深井底部地層壓力可達100 MPa、地層溫度可達160℃。為驗證回壓激勵法在深井地區應用的有效性，以7 000 m深井為例，進行地層壓力反演實驗。

圖6 地層壓力和產能指數的反演結果（7000米深井）

圖6仿真結果表明：針對7000米深井，回壓激勵法仍能在檢測到氣侵發生后較快地反演出地層壓力和產能指數，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回壓激勵反演算法的影響，對比RLS反演算法進行仿真實驗。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能指數的反演結果

圖7仿真結果表明：在鉆井液密度和出口流量存在誤差的情況下，回壓激勵法和RLS法均能準確地反演出地層壓力，且回壓激勵法的精度略高于RLS法，其魯棒性更好。這與回壓激勵算法中采用井底壓力和出口流量的累積量來反演地層壓力有關，利用累積量在一定程度上提升了回壓激勵算法的魯棒性。

小結:

（1）建立了由一組常微分方程表示的環空氣液兩相流動模型，該模型具備較高的計算精度，可用于提供地層壓力反演算法所需的實時環空數據。

（2）基于井侵氣體與出口流體的體積關系，利用回壓激勵后MPD系統獲得的地面測量數據和簡化兩相流模型計算的環空數據，提出了一種無需關井的回壓激勵下實時地層壓力反演方法，應用于氣侵工況。

（3）與RLS法相比，回壓激勵法反演得到更加準確的地層壓力和產能指數，并可在反演地層壓力的同時加快氣侵的衰減過程。在鉆井液密度和出口流量存在誤差的情況下，回壓激勵法仍能準確地反演出地層壓力，算法的魯棒性好。

作者簡介:

徐寶昌，教授，博士生導師/碩士生導師。長期從事復雜系統的建模與先進控制；鉆井過程自動控制技術；井下信號的測量與處理；多傳感器信息融合與軟測量技術等方面的研究工作?，F為中國石油學會會員，中國化工學會信息技術應用專業委員會委員。曾參與多項國家級、省部級科研課題的科研工作，并在國內外核心刊物發表了論文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收錄30余篇。