摘 要：为了控制钻井复杂与事故，国内外一直都致力于研究建立智能的钻井风险控制系统。通过调研分析NDS和eDrilling等国外成熟的钻井风险控制系统以及国内在钻井事故专家系统、利用智能方法识别钻井事故、远程钻井事故专家系统、借助综合录井仪进行钻井事故诊断等方面的成果，明确了我国自主开发钻井风险控制系统的必要性和紧迫性。进而提出并建立了国内钻井风险控制系统的整体架构方案，其应实现的功能包括系统整体架构、钻井实时数据库、实时数据采集、实时数据传输、实时数据可视化、钻井风险因素分析、井下风险诊断与预测。最后，介绍了所研发的钻井风险控制系统取得的阶段性成果，包括数据采集软件、数据传输与接收软件、钻井数据管理软件，基于模糊综合评价和BP神经网络两种智能方法的钻井复杂实时诊断与预测子系统。多次现场生产测试结果表明，该系统符合率和实用性均较高。
关键词：钻井复杂 可视化 实时数据库 数据采集 数据传输 风险诊断 风险控制 符合率 实用性
Research progress of drilling risk control systems in China
Abstract：In order to control drilling complexities and downhole accidents，intelligent drilling risk control systems have been studied for a long time at home and abroad．First，we analyzed several foreign mature drilling risk control systems，such as NDS and eDrilling，and some achievements in China：an expert system for drilling accidents，drilling accidents diagnosed with intelligent methods，a long-distance expert system for drilling accidents，and drilling accidents diagnosed with comprehensive logging instruments．Also，we realize the necessity and urgency of China-developed drilling control systems．Therefore，we proposed and developed a program of a future China-developed drilling risk control system with functions of a whole system framework，real time drilling database，real-time data acquisition，real-time data transmission，real-time data visualization，drilling risk factor analysis，diagnosis and prediction of downhole risks．Some advances were made in this developed drilling risk control system including data transmission and receiving software，drilling data management software，diagnosis and prediction software based on the fuzzy comprehensive evaluation method and BP neural network method．The accordance rate and practicability of this system were also validated by many field tests．
Keywords：drilling accident，visualization，real-time database，data acquisition，data transmission，drilling risk diagnosis，risk control，accordance rate，practicability
自1960年Jackson将“决策分析”的概念引入钻井工程领域后，信息技术在钻井领域的应用取得了巨大的发展。国外在20世纪80年代开始研究将信息技术应用到钻井生产指挥中，至90年代即开始研究一体化的钻井信息系统。近年来，随着钻井信息采集和应用技术的发展，被业内公认初步实现一体化钻井技术风险控制的信息系统有BP与Schlumberger公司研发NDS系统和挪威e-Drilling Solutions公司研发eDrilling系统。NDS系统[1-2](No Drilling Surprise)由钻井数据采集及传输系统、钻井数据解释系统和钻井风险管理系统等组成，可以用来预测、判断井下可能发生的复杂情况，预防复杂事故的发生，从而提高生产效率。eDrilling系统[3-4]是一套集实时钻井仿真、实时3D可视化和远程专家控制为一体的钻井系统。可以在钻前模拟钻井过程，预测钻井过程中可能发生的风险，然后修正钻井方案，最大限度地减少钻井复杂情况，降低钻井成本。该系统利用所有可以测量得到的钻井数据，结合实时模型来监测和优化钻井方案。
国内在钻井事故专家系统、利用智能方法识别钻井事故、远程钻井事故专家系统、借助综合录井仪进行钻井事故诊断等方面取得了一定的成果[5-15]，但在利用钻井实时数据分析技术对钻井现场施工指导方面，距国外的技术水平还有相当大的差距，尚未形成类似NDS技术的完整钻井软件。而部分国外技术如NDS只提供技术服务，不出售知识产权，服务费用昂贵。基于以上原因，国内急需自主研发出具有知识产权的钻井风险控制系统软件。
1 系统构架研究
通过调研国内外研究现状，结合国内生产需要，提出了一套钻井风险控制系统的整体架构方案，如图1所示。系统主要包括系统维护模块、实时数据采集子系统、实时数据库管理子系统、实时数据远程传输子系统、钻井可视化模块、钻井风险因素实时分析子系统、不同井下复杂类型实时分析子系统等。实时数据采集子系统在井场采集录井仪和随钻工具等仪器测量的钻井实时参数，并存储到数据库中，供钻井风险控制软件系统调用、浏览、分析各项参数变化，并诊断、预测各种井下复杂情况，达到钻井风险控制的目的。钻井风险控制系统预期应实现的功能包括：
1)系统整体架构。支持后期开发的各模块集成和运行。
2)随钻实时数据采集模块。调研国内外随钻测量工具应用情况，掌握随钻测量工具可测的参数，设计一种数据采集方案并开发相应软件模块实现对井场实时数据的采集。
3)钻井实时数据库。建立数据库，实现对钻井实时数据、历史数据的管理。
4)钻井数据网络传输模块。调研井场信息集成与传输的技术，实现基地与井场之间实时数据的传输与共享。
5)钻井叮视化模块。实现地面和井下信息的3D可视化，给技术人员和管理人员形象直观地显示实时数据，辅助决策。3D可视化应实现包括实时井眼轨迹、实时地质模型和实时井眼状况等整个钻井过程的实时可视化，最终还应该能够实现从地面设备到井下环境的一体化仿真。
6)钻井风险因素分析模块。对于钻井涉及的岩石力学、地应力反演、四压力分析、井底压力分析以及钻柱力学分析等相关因素，研究相应的计算模型进行计算分析。
7)井下风险诊断与预测模块。确定井下风险诊断与预测的方法，建立井漏、井侵、卡钻、井塌、钻具事故、井下落物事故等各种井下风险诊断与预测的模型，开发相应的软件系统实现对井下各种风险的实时诊断与预测。
2 研究进展
中国石油钻井工程技术研究院联合西南石油大学共同开展攻关，初步完成了系统的整体架构，开发了钻井风险控制系统相应软件，建立的钻井风险控制系统架构扩展性强，支持后期开发的其他钻井复杂事故配套软件的运行和集成，取得的主要研究成果有：
1)以套接字理论为基础，开发了钻井风险控制系统的实时数据采集软件，实现了各种工程数据、气测数据及不同钻井工况下的各种钻井风险因素数据的实时采集，同时将截取到的实时数据自动存储到实时数据库中，现场测试表明所采集的数据完全与现场仪器测量实时数据同步，满足钻井现场实际的需求。
2)基于SSL协议，设计了数据包加密和解密过程，开发了一套适合于钻井风险控制系统的数据远程传输子系统，包含2套软件：数据远程传输软件和基地数据接收软件。数据传输子系统完成了远程数据传输的软硬件集成；数据传输采用断点续传技术，保证了数据的完整性；支持CDMA／GPRS无线传输信道，能够实现双向通讯，即允许井场向基地通信，也允许基地向井场通信。
3)建立了以国际通用WITS标准为参考依据的钻井风险控制系统数据库，并优化了数据库结构及查询模式，开发了钻井风险控制系统实时数据库管理软件。软件为用户提供了数据库备份、数据库还原功能；可以浏览、修改、查询、导出、导入、删除、整理任意井的钻井数据；可以对各种数据进行实时显示、按时间回放、按井深回放；可以将任意数据导出到文本文件中；可以进行异地备份；可以按用户需要导入相关数据，钻井实时数据监测界面如图2所示。
4)在研究风险推理分析理论基础上建立了两种适合于钻井风险工程应用的风险评估方法——基于层次分析法的模糊综合评价法和BP神经网络识别法。这两种方法都是将钻井风险因素实时分析和数学推理相结合的钻井风险评估方法，确保了钻井风险识别分析的实时性。完成了井漏、地层流体侵入[16-17]、井塌和卡钻的发生机理研究，总结了这4种风险发生时的表征现象及规律，确定了风险因素逻辑关系，并建立了其风险实时识别模型，结合钻井风险评估方法，构建了风险模糊综合评价识别模型和BP神经网络识别模型。图3为井漏风险的实时识别模型。
5)优选国内外符合标准的或公认的风险因素计算模型，开发了钻井风险因素实时分析软件，可以为风险推理分析提供实时计算的钻井风险凶素值。由地质力学风险因素分析、钻柱力学风险因素分析、水力学风险因素分析、钻井风险因素管理4个模块组成。
6)在风险控制分析理论基础上，建立了钻井风险的控制模型，并在此模型基础上开发了钻井风险控制软件，利用它可以计算分析各可控风险因素恰当的控制范围。
7)初步开发了钻井数据的实时可视化模块，能够跟踪实时数据显示井眼轨迹，有助于技术人员判断钻井进程(图4)。
8)在不同钻井风险BP神经网络和模糊综合评价的诊断、预测模型基础上，开发了钻井风险实时诊断和预测分析软件，利用钻井风险因素分析结果与采集的钻井实时数据，实时诊断及预测井下风险。
在我国某油田钻井时，应用钻井风险控制系统实时诊断钻井状态，分别对钻井实时数据采集软件、钻井实时数据库管理软件、钻井风险因素实时计算分析软件和钻井风险推理风险软件进行现场测试(图5、6)。以采集的钻井实时数据为基础，应用钻井风险因素实时分析软件计算井底压力和地层压力等参数，以邻井资料作为井漏风险学习的样本，判断该井井漏风险，系统判断该井在钻至2823m时井漏风险可能性较大，当钻进至2825m时技术人员发现井底发生漏失，决定进行起钻堵漏作业。现场测试表明钻井风险控制系统的数据采集软件与仪器测量仪器同步性好，数据库设计合理，且井漏风险实时诊断预测结果与现场完全吻合。
3 结论
1)国外的风险控制系统建立在先进的风险管理、数据管理、随钻测量和可视化等技术的基础上，已经相当成熟。而国内的同类软件虽然在近些年来取得了很大的发展，但是距国外仍有相当大的差距。鉴于国外部分公司只服务不出售的现状，国内急需发展具有自主知识产权的钻井风险控制软件。
2)钻井风险控制系统能够将井场实时数据传输给基地，并存储在数据库服务器上，供客户端软件实时调用、浏览、分析，诊断预测各种钻井风险，并能实时3D显示井眼轨迹，达到钻井风险控制的目的。
3)钻井风险控制系统已实现钻井数据的实时采集、传输与处理，且初步实现了井眼轨迹的可视化，并且开发了基于模糊综合评价和BP神经网络法的实时诊断与预测子系统，能够实时诊断预测钻井过程中的井漏、溢流、井塌和卡钻等钻井复杂情况。
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