论文题目：基于回压激励响应的实时地层压力反演方法

录用期刊：石油学报,(EI中文期刊)

见刊时间：2024.05.09

作者列表：

1）徐宝昌 中国石油大学（北京）人工智能学院 自动化系 教师

2）尤香凝 中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 硕21

3）孟卓然 中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博20

4）刘   伟 中国石油集团工程技术研究院有限公司

5）尹士轩 中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博23

摘要:

石油勘探技术不断向深层复杂地层发展，针对深层复杂油气藏钻探过程中易发生的气侵现象，准确、快速地反演出气侵发生时的地层压力，使井底压力快速回到安全窗口内，抑制更多气体从地层流入井筒是井控的关键。传统钻井过程中，大多数气侵发生时的地层压力反演依靠关井压力恢复曲线得到，但关井求取地层压力需耗费大量时间，时效性差，基于此提出一种无需关井的回压激励下地层压力反演方法。首先，建立简化两相流模型模拟环空内气液两相流动行为，通过与OLGA多相流模拟器对比，表明简化两相流模型具备较高的计算精度，可用于提供地层压力反演算法所需的实时环空数据；其次，考虑到气侵过程中各组分体积关系，结合油藏模型，推导出地层压力反演公式，该方法需要在井口处施加回压激励气侵响应参数（井底压力、出口流量等）的变化，利用回压激励后控压钻井系统获得的地面测量数据和简化两相流模型计算的环空数据，反演出地层压力。仿真实验结果表明，回压激励法与递推最小二乘算法相比反演精度更高；最后，考虑钻井液密度、出口流量存在误差的情况，对回压激励算法进行鲁棒性分析。实验结果表明，钻井液密度、出口流量存在误差时，回压激励算法的反演结果仍准确，算法的鲁棒性好。

背景与动机:

随着能源需求量的增加，石油勘探开发逐渐向着复杂多变的地层发展，钻遇窄压力窗口地层的情况频繁发生。针对压力体系复杂且压力窗口较窄的地层，控压钻井（MPD）技术通过可调压力的环空上返泥浆系统和旋转控制装置共同作用，精确控制井筒压力，成为最直接、最有效的保证井筒安全的工艺之一。气侵发生时，由于地层压力未知，控压工程师只能依赖经验逐渐提升回压或直接切换至常规井控以抑制气侵，这制约了MPD技术在气侵控制应用中的进一步发展。对于深部地层，气体刚刚侵入井筒时一般呈压缩状态，造成井底钻井液液柱压力的降低有限，只要快速、准确地进行地层压力反演，利用MPD设备及时、合理地施加控制，就可有效地抑制气侵、及时排气，避免直接切换至常规井控。如何运用新技术和新方法在气侵发生时快速、准确反演出地层压力是本文研究的重点。

设计与实现:

（1）简化气液两相流模型

为模拟侵入井筒内气体的运动，将整个井筒看作一个固定边界的控制体积(Control Volume, CV)，且CV中仅包含一个气泡，气泡的描述采用“双形”气泡表示方法。

图 1 “双形”气泡表示方法

简化气液两相流模型方程如下：

（2）回压激励下的地层压力反演算法

气侵发生后，由于气体的侵入，井底压力下降，环空中流体组分与流量发生变化，这种变化会进一步影响井口流出的泥浆体积。本文基于水基钻井液展开研究，因此不考虑气体的溶解；气侵早期气体侵入缓慢，膨胀率极小，近似为0，因此可得到井底侵入气体体积与井口流出液体的体积变化相等，得到井底气体体积变化量与井口液体体积变化量的等式关系如下：

由非关井回压激励下的地层压力反演算法的整体流程（下图）可知：检测到气侵发生后，不改变泥浆进口流量，先后施加两次阶梯变化的回压值，作为井筒的外部激励。每次施加回压后的一段时间内实时采集气侵响应参数（井底压力和井口出、入口流量）。其中出、入口流量可利用MPD系统实时测量，井底压力的测量受限于气侵期间的信号传输问题，需利用简化两相流模型计算。将采集到的数据经过左矩形公式计算积分，分别代入式（23）得到：

时间段内：

时间段内：

图2 回压激励法反演地层压力流程

实验结果及分析:

将简化两相流模型与OLGA仿真数据对比，以验证该模型应用在地层压力反演中的有效性。

图 3 简化两相流模型与OLGA仿真数据对比

针对简化两相流模型，应用回压激励法进行地层压力反演，采用OLGA模拟器生成数据作为仿真实验的真实值数据来源。

图 4 地层压力和产能指数的反演结果

图 5 回压激励法井底压力变化和气体注入率变化

图4仿真结果表明：两种方法均能在气侵发生后较快地反演出地层压力和产能指数，RLS算法反演速率略快于回压激励法，而回压激励法的反演精度略高于RLS法。由图5仿真结果可知：回压激励算法需要实时采集足够多的数据，在其采集数据期间无法进行地层压力的反演，导致其反演速度稍慢于RLS法。但因其在井口处施加了两次回压，采集数据期间一直有回压作用于井口，会减缓井底压力的下降和气体的侵入速度。可以看出，回压激励法在采集数据期间能加速气侵的衰减，一定程度上抑制气侵的进一步扩大。

近年川西地区油气勘探向7 000 m深层不断迈进。超深井底部地层压力可达100 MPa、地层温度可达160℃。为验证回压激励法在深井地区应用的有效性，以7 000 m深井为例，进行地层压力反演实验。

图6 地层压力和产能指数的反演结果（7000米深井）

图6仿真结果表明：针对7000米深井，回压激励法仍能在检测到气侵发生后较快地反演出地层压力和产能指数，其反演精度仍高于RLS法。

为了研究钻井液密度和出口流量存在误差对回压激励反演算法的影响，对比RLS反演算法进行仿真实验。分别假定出口流量、钻井液密度存在5%的误差。

图 7 钻井液密度和出口流量存在误差的情况下地层压力和产能指数的反演结果

图7仿真结果表明：在钻井液密度和出口流量存在误差的情况下，回压激励法和RLS法均能准确地反演出地层压力，且回压激励法的精度略高于RLS法，其鲁棒性更好。这与回压激励算法中采用井底压力和出口流量的累积量来反演地层压力有关，利用累积量在一定程度上提升了回压激励算法的鲁棒性。

小结:

（1）建立了由一组常微分方程表示的环空气液两相流动模型，该模型具备较高的计算精度，可用于提供地层压力反演算法所需的实时环空数据。

（2）基于井侵气体与出口流体的体积关系，利用回压激励后MPD系统获得的地面测量数据和简化两相流模型计算的环空数据，提出了一种无需关井的回压激励下实时地层压力反演方法，应用于气侵工况。

（3）与RLS法相比，回压激励法反演得到更加准确的地层压力和产能指数，并可在反演地层压力的同时加快气侵的衰减过程。在钻井液密度和出口流量存在误差的情况下，回压激励法仍能准确地反演出地层压力，算法的鲁棒性好。

作者简介:

徐宝昌，教授，博士生导师/硕士生导师。长期从事复杂系统的建模与先进控制；钻井过程自动控制技术；井下信号的测量与处理；多传感器信息融合与软测量技术等方面的研究工作。现为中国石油学会会员，中国化工学会信息技术应用专业委员会委员。曾参与多项国家级、省部级科研课题的科研工作，并在国内外核心刊物发表了论文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收录30余篇。