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申请/专利权人：中国石油大学(华东)

摘要：本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种控压钻井井控风险耦合分析方法及系统。控压钻井井控风险耦合分析方法，包含六个主要步骤：识别风险因素、建立耦合模型、风险状态跟踪与更新、确定动态因素、确定模型结构、确定模型参数。控压钻井井控风险耦合分析系统，包含四个部分：数据分析与处理子系统、控压钻井机械设备状态监测子系统、溢流监测子系统、井底压力监测子系统。

主权项：1.控压钻井井控风险耦合分析方法，其特征在于：包含六个步骤：识别风险因素、建立耦合模型、风险状态跟踪与更新、选定动态因素、确定模型参数、建立模型结构；识别风险因素的具体步骤为S101：将风险因素划分为人为因素、管理因素、设备因素和环境因素；S102：分别确定人为因素、管理因素、设备因素和环境因素，该步骤的具体实现如下：①人为因素包括：人的身体状况、人的安全意识、人的心理素质以及人的岗位能力；②管理因素从企业和工作小组分析，包括：监督失职、管理不当、企业资质不足以及企业政策不足；③设备因素是对控压钻井装置进行分析，包括：回压泵、流量计、防喷器、旋转控制装置、控压钻井节流管汇、随钻井底压力监测装置以及数据采集及压力控制装置；其中，控压钻井节流管汇是控压钻井的关键设备，实现在钻进和起下钻具的过程中对井口压力的精细控制；回压泵用于起下钻、接单根过程中维持循环过程中的连续和井口回压的保持；钻井泵用于在钻井过程中泵入钻井液；液气分离器用于将回流的钻井液进行液气分离；振动筛用于将块状杂质分离；④环境因素是指在钻井过程中所遇到一些环境上的问题，包括：裂缝地层、异常受压区、异常温度、气孔或浅层气以及重大自然灾害；建立耦合模型的具体步骤为S201：将井控系统中的人、管理、设备、环境不同情况下的耦合风险分为单因素耦合、双因素耦合、多因素耦合，单因素耦合是指只有一种因素对井控事故有影响；双因素耦合是指两种因素之间相互作用，对井控事故产生影响；多因素耦合是指三个或三个以上的因素之间相互作用，对井控事故产生影响；S202：四种大类因素进行相互耦合，分别确定单因素耦合、双因素耦合、多因素耦合，该步骤的具体实现如下：通过分析，各类耦合如下：①单因素耦合：人为因素、管理因素、设备因素、环境因素；②双因素耦合：人-设耦合、人-环耦合、人-管耦合、设-环耦合、设-管耦合以及环-管耦合；③多因素耦合：人-设-环耦合、人-设-管耦合、人-环-管耦合、设-环-管耦合、以及人-设-环-管耦合；风险状态跟踪与更新的具体步骤为S301：读取数据控压钻井的系统状态数据，该数据包括控压钻井的工作运行状态，控制系统状态，系统监测信息和系统报警信息；控压钻井的工作运作状态，包括电磁换向阀阀位，流量控制阀开度，泵组转速和电源功率；控制系统状态，包括控制点状态，稳态误差和实时反馈信号；系统监测信息，包括温度检测信息，电压信息和流体压力、流量信息；系统报警信息，包括不间断电源报警，电源分配系统报警，中央控制单元报警，输入、输出通道报警，流体压力、流量异常；S302：根据所读取的控压钻井的压力、溢流数据，进行逻辑分析，判断控压钻井各部分的状态；S303：通过在钻井过程中布置位置传感器，温度传感器，加速度传感器，振动传感器，采集钻井过程中的位置信号、温度信号、加速度信号和振动信号；S304：对振动信号进行小波变换，进行处理分析，如下所示： 其中是小波函数，Wea,t是et的小波变换，采用通用阈值规则选取小波变换阈值去噪法的阈值λ，如下所示： 其中σ为附加噪声信号的标准差，N为实际测量信号ft经过小波变换分解在得到的小波系数个数的总和，采用的软阈值处理函数对测量信号的小波变换系数进行非线性阈值处理，如下所示： S305：将控压钻井各部分的状态信息和传感器数据匹配到井控风险耦合分析系统数据库中，将控压钻井的历史数据上传到数据库中，然后，对数据库进行更新；选定动态因素的具体步骤为S401：从人因、管理、设备、环境四个大类因素中选取动态因素；S402：对选取的动态因素进行动态性能评估，具体如下：①人为因素：人的表现会因为知识和经验的增加而提高；然而，经过一段很长的特定操作时间后，由于疲劳的临界水平，人为错误会增加；在这种情况下，需要对人员性能进行动态分析，以了解操作期间人员可靠性的时间变化；在项目的早期阶段，相对于整个运营时间，员工不会有很大的错误，但在工作的最后阶段，由于高度疲劳或环境条件的变化，业绩将受到明显的影响；现有的工程问题中人为误差的错误率数据主要考虑为平均错误率；平均错误率的计算是基于每个人为错误完全独立于其他错误事件，错误率是恒定的假设；因此，人因误差的概率可以用离散的二项分布形式或常数故障率指数分布的连续形式表示；为了考虑时间对人为误差的影响，采用指数分布： 其中，λ为指数分布的常数故障率，Ht为Heaviside阶跃函数，考虑到人的可靠性只对t≥t0的操作有意义，而t0是操作开始的时间；因此，将人为因素设置为动态因素；②设备因素：设备因素可分为电子元件，液压元件和机械部分；1对于电子元件，其失效过程遵循指数分布：Re＝e-at其中，Re是电控模块的可靠度；a是电子元件的失效率；t是时间；2对于液压元件，其失效过程遵循威布尔分布，概率密度函数为： 威布尔退化模型的累积分布函数即累计失效率函数为： 液压元件的可靠度表示为：Rh＝1-Fht,k,λ其中，W是威布尔退化模型中的概率密度函数，Fh是威布尔退化模型中的累积分布函数，也是液压模块的累积失效率函数，Rh是液压模块的可靠度，k是威布尔模型中的形状参数，λ是威布尔模型中的尺度参数；3对于机械部分，其失效过程遵循伽马分布：Rmτ-Rmt～Ga[ατ-αt,β]其中，Rmτ和Rmt表示在τ时刻和t时刻的状态，Ga[*]表示伽马分布，α为伽马分布中的形状参数，β为伽马分布中的尺度参数；因此将设备因素设置为动态因素；③管理因素和④环境因素：管理因素和环境因素随机性太强，不适合作为动态因素；S403：将评估后的动态因素构建为动态节点，具体的动态节点如下：将人为因素中的人的身体状况，人的安全意识和人的心理素质设置为动态节点；将设备因素中的回压泵，防喷器，控压钻井节流管汇，旋转控制装置，钻井泵，液气分离器以及振动筛设置为动态节点；确定模型参数的具体步骤如下：S501：对模型参数进行先验概率和失效率提取，具体如下：提取监测数据进行参数估计，并结合现场专家和历史数据，完成概率分布的修正；采用极大似然估计方法进行参数估计： 其中，x为被估计参数；zi为监测数据，即样本；S502：通过耦合度模型，确定各耦合类型的耦合度，具体如下：耦合度是系统主体或因素之间相互影响程度的定量指标，从协同学的角度分析，系统由无序到有序的关键在于系统序参量的协同作用；协同作用影响着系统相变的特征和规律，而耦合度正是这种协同作用的度量；控压钻井风险耦合度模型的构建具体如下：1构建功效函数；假设Xiji＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n为第i个大类风险因素中的第j个基础风险因素的值，Aij和Bij是该基础风险因素的上、下限值，即Aij＝1，Bij＝0；则各个基础风险因素对井控风险的功效系数为： 其中Uij反映的是各个基础风险因素与大类风险因素的一致程度，Uij从0到1表示越来越一致；因此，采用线性加权和法得各个大类风险因素对井控风险的贡献程度： 其中，Ui表示各个大类风险因素对井控风险的贡献程度，λij表示各个基础风险因素的权重；2构建耦合度模型；根据以上对功效函数以及贡献程度的分析，假设一个系统中有m个大类风险因素，则耦合度模型表述为： 其中C代表耦合度，且C∈[0,1]，当C＝0时，风险因素之间没有耦合；当0C≤0.3时，为低耦合状态；当0.3C≤0.5时，为中度耦合状态；当0.5C≤0.8时，为高度耦合状态；当0.8C≤1时，为极度耦合状态；建立模型结构的具体步骤为：S601：建立井控风险耦合分析静态贝叶斯网络，该步骤的具体内容如下：将公式中各个参数映射为贝叶斯网络中的各参数节点，通过采样模拟计算的方式将公式中的逻辑关系映射为贝叶斯网络中的条件概率表；根据基础因素，大类因素和耦合类型之间的因果关系建立井控风险耦合分析静态贝叶斯网络，该网络由底层基础风险因素，中层大类风险因素，顶层耦合类型组成。其中基础风险有人的身体状况HU1，人的安全意识HU2，人的心理素质HU3，人的岗位能力HU4，回压泵ME1，钻井泵ME2，防喷器ME3，控压钻井节流管汇ME4，旋转控制装置ME5，振动筛ME6，液气分离器ME7，重大自然灾害EN1，异常受压区EN2，裂缝地层EN3，温度异常EN4，气孔或浅层气EN5，监督失职MA1，管理不当MA2，企业资质不足MA3，企业政策不足MA4；大类因素有人为因素，设备因素，环境因素，管理因素；耦合类型有人-设耦合T21，人-环耦合T22，人-管耦合T23，设-环耦合T24，设-管耦合T25，环-管耦合T26，人-设-环耦合T31，人-设-管耦合T32，人-环-管耦合T33，设-环-管耦合T34，人-设-环-管耦合T4；该静态贝叶斯网络的运行结果表现了井控风险耦合分析系统的概率信息；S602：建立井控风险耦合分析动态贝叶斯网络，根据各个风险因素所属公式转化动态贝叶斯网络时间片与时间片间的条件概率表，建立井控风险耦合分析动态贝叶斯网络；井控风险耦合分析动态贝叶斯网络中各层节点与图2的井控风险耦合分析静态贝叶斯网络相同，表示了从t时刻到t+1时刻的概率信息变化；控压钻井井控风险耦合分析方法，应用在控压钻井井控风险耦合分析系统上，该系统包含四个部分：数据分析与处理子系统、控压钻井机械设备状态监测子系统、溢流监测子系统和井底压力检测子系统；数据分析与处理子系统，包括通讯模块、概率信息生成与更新模块、信号转换模块、风险显示与报警模块、风险推理与评估模块；控压钻井机械设备状态监测子系统，包括振动传感器组、控压钻井机械设备状态数据采集模块、腐蚀传感器组、通讯模块、压力传感器组；溢流监测子系统，包括溢流数据采集模块、压力传感器组、液位传感器组、声光报警模块、浓度传感器组、流量计组、通讯模块；井底压力监测子系统，包括压力传感器组、通讯模块、温度传感器组、电子元器件模块、位置传感器组、加速度传感器组、井底压力采集模块。

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