基于LabVIEW平台的空气钻井井下安全分析系统.pdf

2 0 1 1年 第 4 O卷 第 1 o期第 1页 石 油矿 oI L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 2 0 1 1 ， 4 0 1 0 1 ～ 6 O o 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 1 1 0 - 0 0 0 1 0 6 基于 L a b VI E W 平台的空气钻井井下安全分析系统 张俊杰 胜利油 田 钻井工艺研究 院 ， 山东 东营 2 5 7 0 1 7 摘要 近 年 来空 气钻 井在 国 内的应 用越 来越 广泛 ， 而 井下燃爆 问题 是使 其 大规模 推 广应 用受到 限制 的重要 因素之一。国内在井下燃爆方面的监测软件 系统 目前 只实现 了实时数据的显示， 燃爆判 断 还 需要人 工进 行 。提 出了井下 气体 浓度原 始数 据标 准化 原 则 ， 用 多种 聚 类分 析 方 法对 数 据进 行 分 类 ， 结合 L a b V I E W 软 件 平 台设 计 了一套 集数 据预 处理 、 数据 显 示 、 井下安 全报 警 、 数 据 存储 及 查询 和报表 自动生成 5个模块于一体的井下燃爆监测软件 系统 ， 并分别进行 了实例验证。结果表明， 5 个模 块设 计合 理 ， 结 果准 确 ， 与 现场 实例相 符 合 。 关键 词 空 气钻 井 ； 井下燃 爆 ； 监 测 系统 ； 聚 类分析 中图分 类号 T E 9 2 7 文献 标识 码 A S y s t e m o f Ai r Dr i l l i n g S a f e Ana l y s i s Ba s e d o n t h e La b VI EW Pl a t f o r m Z HANG J u n j i e Dr i l l i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e， S h e n gl i Oi l fi e l d， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7， Ch i n a Ab s t r a c t I n r e c e nt y e a r s ， a i r dr i l l i n g i s us e d m o r e wi de l y i n t he f i e l d ．One o f t he b i gg e s t c ha l l e n ge s i s un de r gr o und bl a s t i n g， whi c h l i mi t s i t s a pp l i c a t i o n i n f i e l d． Dome s t i c un de r g r ou nd bl a s t i n g mon i t o r i n g s o f t wa r e s y s t e m i s s i mp l e t o a c h i e v e r e a l t i me d a t a d i s p l a y ． Th e e x p l o s i v e j u d g me n t a l s o ne e ds t o c a r r y o n a r t i f i c i a l l y ．I n o r de r t o s o l v e t hi s pr o bl e m ， a s e t o f e x pl o s i ve mon i t o r s o f t wa r e s y s t e m b y u s i n g t h e c l u s t e r a n a l y s i s a l g o r i t h m a n d t h e La h VI EW s o f t wa r e p l a t f o r m we r e d e s i g n e d ． Th i s s y s t e m h a s d a t a d e mo n s t r a t i o n， s a f e wa r n i n g ， d a t a s t o r a g e a n d i n q u i r y a n d r e p o r t p r i n t i n g f u n c t i o n s ， wh i c h a r e c o mb i n e d i n o n e s y s t e m． Th e a c t u a l t e s t s h o we d t h e f i v e i n o n e s y s t e m i s r e a s o n a bl e i n de s i gn wi t h c o r r e c t de t e c t i ng r e s ul t t h a t c o nf or ms t o a c t u a l c o nd i t i o n． Ke y w o r d s a i r d r i l l i n g ； d o wn h o l e e x p l o s i v e ； mo n i t o r i n g s y s t e m ； c l u s t e r a n a l y s i s 空 气钻 井 虽 然有 很 多优 点 ， 但 是在 工程 应 用 方 面也 有很 多需 要 解 决 的 问题 ， 井 下燃 爆 问题 就 是 其 中之一。在井下 ， 当地层 中的易燃物质 与空气混 合 比例达到一定数值且具备点火条件时 ， 可能会发 生井下燃爆 ， 造成底部钻具被烧毁 ， 而且产生熔渣会 落入井眼 ， 由于打捞困难 ， 会造成井眼报废。 针 对井 下 燃 爆 风 险 ， 国 内 外 有 多 种 应 对 措 施 。 国外通常采用高成本的氮气钻井来替代 ， 国内大部 分采用监测返出气体浓度变化 的方法来发现和预报 燃爆事故。由于国内井下燃爆监测技术刚起步 ， 虽 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 1 6 基金 项 目 国家高技术研究发展计 划 8 6 3计划 “ 超深井钻井技术研究” 2 0 0 6 AA 0 6 A1 0 9 作者 简介 张俊杰 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山东青州人 ， 工程师 ， 硕 士 ， 2 0 1 0年毕 业于 中国石油大学 华 东 石油工 程专业 ， 目前 从事井 下工具设计开发工作 ， E ma i l z h j j 1 9 7 8 s i n a ． c o rn。 石 油矿 场 机械 2 0 1 1 年 1 0月 然现 有 的监 测 装 置 在 现 场 的 应 用 取 得 了较 好 的 效 果 ， 例 如西 南 石油 大 学 开发 的 UB D 气 体监 测 系 统[ 3 ] ， 但 是 这些 监 测 装置 所 依 赖 的软 件 系 统功 能 简 单 ， 自动化 程 度 低 ， 只 能 通 过 实 时 图 表 显 示 实 测 数 据， 而且仅通过设置阈值的简单方法来进行报警 ， 一 旦发 生报警 异 常 ， 需 要 人 工 观 察 和判 断 来 确 定 井 下 是否发生燃爆 ， 导致系统准确度不高， 并且增加了工 作量 。因此在已有监测装置的基础上 ， 开发一套实 用性强、 智能化程度高、 操作方便的井下燃爆监测系 统软件 ， 提高整个监测系统判断事故的准确率， 成为 空气 钻井 施工 现场 急需 解决 的 问题 。本 文 采用 聚类 分析 方法 分析 空气 钻 井 井 下 安全 问题 ， 结 合 现 场 需 求 ， 在 I a b VI E w 平 台 的基 础 上 开发 了空 气 钻 井 井 下燃 爆监 测软 件 系统 。 1 聚类分 析 方法在 空气 钻 井 井下 安全 分 析 中的应 用 1 ． 1聚类分 析概 述 聚 类分析 c l u s t e r a n a l y s i s 是 一 种 数 学统 计 工 具 ， 又称 群分 析 ， 是 研究 样 品或指 标 分 类 问题 的一 种 多元 统计 方法 l 4 ] 。常 用 的 聚类 方 法 有 系统 聚 类 法 、 动态 聚类 法 和模 糊 聚类 法 3种 。井 下燃 爆 的判 别需要大量的井下气体样 品数据， 都以各种气体 的 体积分数作为指标， 所以根 据现场实际情况选用系 统 聚类 法 。 1 ． 1数据 处理 1 ． 1 ． 1安全状况分类 烃类与空气混合气体在井下发生燃爆产生的化 合 物有 C O。 、 C O 和 H o， 反应 化学 方程 式 为 4 C⋯ H 3 n Ⅲ O2 2 n CO2 2 n CO 2 mH 2 O 1 式 中 ， C ⋯ H为烃 类气 体 的一般 化学式 。 表 1 安 全 状 况分 类 注 甲烷升高工况 是 以井 眼为密 闭空 间， 且气 体可 压缩 为假 设条件 。 结 合燃 爆 时 的化 学 反 应 式 和 现 场情 况 C 体 积 分 数 通 常 在 1 0 以 下 ， 较 难 测 定 ， 分 别 选 取 C H 、 O 、 C O 3种气体 的体积分数值来反映井下燃 爆发生时的气体组分状况和变化情况 。根据现场采 集的 O 、 c 、 C H 气体的体积分数值， 将安全状况 分 为正 常 、 轻 度燃 烧 、 剧 烈 燃 烧 、 甲烷 升 高 4类 。安 全状 况分 类如 表 1 。 1 ． 1 ． 1数 据 预 处 理 对 川 东北 地 区某 井 的监 测数 据 进 行 分析 ， 部 分 监测 数 据如表 2 。 表 l川 东北 地 区 某 井 3种 气 体 的 体积分数部分监 测数 据 由于 3种气体 的体积分数相差较大 ， 数量级差 别也 很大 ， 容易 导 致 结 果失 真 ， 且 时 问 间隔 较 短 ， 仅 1 2 s ， 因此 会 因 为偶 发数 据 影 响结 果 的 准 确 性 。为 了消除不 同数 量级 和较 短 时间 间隔对评 价 结果 的影 响 ， 需 要 对各参 数 的原始 数据 进行 标 准化处 理 ， 标 准 化公 式 为 ∑ △x ／ x S l二 一 2 式中， S为每分钟气体 的体积分数变化率的平均值 ； x为气体 的体积分数 ， ； 为每分钟气体样 品 的 数量 。 由式 2 形 成 处 理 后 的 评 价 指 标 可 以看 作 为 1 个矩 阵 y， 即 y Yl l 1 2 l y J l 1 ．y 3 2 ⋯ 3 p J 一O O O O O O O O O O O O O O O O 一。 。 。 4 5 1 2 4 5 l 2 3 4 5 1 2 3 4 5 O 7 O 2 6 8 O 2 4 6 8 O 2 4 4 6 8 O一 ． ． ● ● ●● ●● ●● ●■ ● ● ●● ■● ● ● ●● ●● ● ● ●● ●● ●● ●● 一 ∞叭 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ㈤ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 第 4 O卷第 1 O期 张俊杰 基于 I a b VI E w 平 台的空气钻井井下安全分析 系统 1 ． 2 ． 3计算样本 p维 空间距离 为了计算简便 ， 把 l ， 中的 行看成 户维空间中 的 个点， 用 2点 的距离来 度量样本之间 的相似程 度 。使用欧 氏 E u c l i d e a n 距离 ， 设 d 。 表示样本 和样本 ， 之间的距离， 则 d 的计算式为 d ， 一{ ∑ l 一3 2 I 。 } 寺 3 t e一 1 式 中 ， y 一 1 ， ⋯ ， ” ； 一 1 ， ⋯ ， 为 第 i 个 样 本 的 第 个指标 的观测数据 ； d 为距离。 求 出所 有样 本之 间 的距离 后 ， 得 到距 阵 D 为 D d1 1 dl 2 d2 1 d2 2 d 1 d 2 ⋯ d1 ⋯ 2 ⋯ ， 4 矩 阵 D是一个 实对称 阵 ， d 一d 。 z 一 一 一0 。 1 ． 2 ． 4 聚类分析计算 在 实 际分 析 中 ， 常 用 的 系统 聚 类分 析 方 法 有最 短距 离聚类 法 、 最 长距 离聚 类 法 、 中 间距 离 聚 类 法 、 重心 聚类 法 、 类 平 均 聚 类 法 、 离 差 平 方 和 聚 类 法 6 种 。为使结 果尽 量 准 确 ， 应 用 这 6种 方 法 进 行 聚 类 分析 ， 取其 中结果一致 的方法所求得的结果作为最 终 聚类 结 果 。 1 ． 3应 用实例 仍以川东北地区某井为例 ， 2 0 0 7年气体监测数 据由式 2 计算结果和数值相 同者合 为 1项后 的分 析指标 如 表 3 。 表 3气体 样品分析指标 注 1 ． A1 ～A4 为标定 的 4种工况 。2 ． 式中 t 为气体采样 时间 ， s 。 应 用 6种 聚类 方 法进 行 分 类 后 ， 为 了与 现 场 工 况相呼应， 划分为 4类情况如表 4 。 表 4 6种聚类方法分类情 况 聚类 方法 分类情况 最短距离法 最长距 离法 中间距离法 重 心 法 类平均法 离差平方和法 { A6， A1 O， A1， A1 2， A7} ， { A4 ， A8 ， A5 } ， { A2， A9 } ， { A3， A1 1 } { A6， A1 0， A1 ， A1 2， A7 } ， { A2， A9 ， { A4， A8， A5 } ， { A3 ， Al 1 { A6， A1 O， A1 ， A1 2 ， A7， A5 } ， { A2 ， A9 ， { A4， A8} ， { A3， A1 1 } { A6， A1 O， A1 ， A1 2， A7 } ， { A2， A9 } ， { A4， A8， A5 } ， { A3 ， Al 1 { A6， A1 0， A1， A1 2， A7} ， { A2， A9 } ， { A4， A8， A5 } ， { A3 ， A1 1 } { A6， A1 O， A1 ， A7， A1 2 ， { A2， A9 } ， { A4， A8， A5 ， { A3 ， A1 1 } 由表 4可 以看 出 ， 有 5种 方 法 的 聚类 结 果 是 一 样 的 ， 即分 为 { A6 ， Al O ， A1 ， A1 2 ， A7 } ， { A2 ， A9 ， { A4 ， A8 ， A5 } ， { A3 ， A1 1 } 4类 。所 以可根据 标 定 的 工况 ， 将所 有 的气体 样 品分为 4种 工况类 型 。 1 正常工 况 A6 ， A1 0 ， A1 ， A1 2 ， A7 。 2 轻度燃 烧 A2 ， A9 。 3 剧烈 燃烧 A3 ， A1 1 ． 4 甲烷 升高 A4 ， A8 ， A5 。 1 ． 4结 果验证 验证 结 果 表 明 ， 聚 类分 析 结 果 与现 场 用 软件 判 别结果是一致的。现场软件结果如图 1 ～2 。 如图 1 ， C H 的体积 分数 出现峰值 ， 最 高值 为 0 ． 5 4 ， 波动时间为 0 5 4 4 0 5 4 6 ， 但很快降为零， 为发生 1次轻微燃爆， 根据时间判断对应样本为 A9 。 如图 2 ， C H 的体积分数再次升高 ， 波动时问为 石 油 矿 场 机 械 2 O 1 1 年 1 O月 0 8 O 0 ～0 8 0 3 ， 峰值为 0 ． 3 1 ， 同时 O 的体积分 数从 2 O ． 8 4 降为 1 7 ． 2 ， C O 。的体积分数从 1 6 3 6 1 0 上 升到 4 3 2 51 0 ， 为 出现 1次典 型剧 烈 燃 爆 。根据 时 间判断 对应样 本 为 A1 1 。 21 ． 5 21 ．0 2 0 ． 5 2 O ． o l 9 ． 5 1 9 ． o l 8 ． 5 暑 葛 器导 荨 尊景 温器 8 蓦昌答2 吕 兮吕 吕 3錾兮 兮昌昌 吕昌昌昌 时间2 0 0 7 0 4 2 0 图 1 轻微燃爆时现场软件结果 器 暑 器器g若 鲁苫錾昌g答害2 SgggggS窨含答答答答答蓦兽兽答罄答答蓦答 时间2 0 0 7 0 4 2 0 图 2剧烈燃爆时现场软件结果 可 见 ， 经 多种 系 统 聚 类方 法 计 算 的 结果 高 度 一 致 ， 且所得燃爆判别结果与现场软件判别结果一致， 验 证 了所用 的数 据 处理 方 法 和 聚 类 准则 的正 确 性 ， 比较符 合现 场情 况 ， 完 全可 以在 检测 系统 的设 计 中 应 用 J 。 2基于 L a b V I E W 平台的井下燃爆监测 系统 L a b VI E W 在各 行 业 的 应 用 非 常 广 泛 ， 在 远 程 监控系统、 测试系统 、 数据采集及处理系统 、 自动诊 断系统等许多领域都取得 了很好 的效果 。因此 ， 本 文选择 L a b VI E w 作为空气钻井井下燃爆监测系统 的开 发平 台 。 2 ． 1 系统 构成 及功 能 基于 L a b VI E W 平 台的空 气钻井 井 下燃 爆 监 测 系统 分为数 据 与处 理 、 数 据 显 示 、 井 下 安 全 报警 、 数 据管理和报表打印 5个模块 ， 工作流程如 图 3 。首 先 ， 通过对 现 场实测 数据 进行 处理 ， 剔 除不合 理 和仪 器误差造成的瞬间波动数值 ， 通过数据显示模块实 时显示出来， 并对数据进行数据库存储和分析处理 ， 根 据结果 做 出报警 显 示 ， 在 操 作 者 的 指令 下 进 行 报 表生成和打印。井下燃爆监测系统程序如图 4 。 r 叫 茎 堕 墼 堡 里 l 区亟H 卜 _ ． 匝 匿 L 圃L 匾 图 3 卒 气 钻 井 井 下 燃 爆 监测 系统 工 作 流 程 ． 一互 茎 譬 藩 H 聚 类 端 曩 莩 霪 设置报 I l 壅 耋 型h 1 ． 至 至 至 至 ] E 至 噩 耋 盔 卜 三 至 三 至 匡 数据显示 l 图 4 井下燃爆监测系统程序框图 2 ． 2 子 模块 2 ． 2 ． 1 数据预处 理模块 在对数据进行分析之前 ， 首先对数据进行处理。 通过设置门限的方 法将异常数据及 瞬时扰动过滤 掉 ， 然后 通过 对数 据 的特性 提取对 数据 进行 标准 化 ， 同时又 不会对 数 据最 后 计 算 结 果产 生 影 响 ； 然 后 用 式 2 对各参数的原始数据进行标准化处理。数据 处理 模块 程序 如 图 5 。 囡 鲞 H 叠 l 否 图 5 数据预处理模块 程序框图 2 ． 2 ． 2数据显示模块 系统总体布局采用分模块显示方法 。为方便监 测 数据 ， 使用 波 形 图表 形 式显示 实 时数据 ， 对 读入 的 第 4 O卷第 1 O期 张俊杰 基于 L a b VI E W 平 台的空气钻井井下安全分析系统 数据选取 CH 、 O 、 C O 进行实 时图表显示 ， 使其清 楚 、 直观。数据显示模块程序如图 6 。 匝亟 咂围 图 6数据显示模块程序框 图 2 ． 2 ． 3井 下 安 全 报 警 模 块 将井下安全状况 分为正常 、 轻度燃 烧、 剧 烈燃 烧、 甲烷升高 4类 ； 然后将经过数据预处理模块处理 的数据加入 到处 理后 的实测数据进 行聚类分 析计 算 ， 在聚类准则上选择常用的最短距离法， 使用系统 聚类法进行聚类分析 如图 7 ， 得 出聚类结果 ； 再根 据设定的 4 类井下安全状况 正常、 轻度燃烧、 剧烈 燃烧 、 甲烷升高 设置多级报警 ， 正常和甲烷升高不 设置报警 ， 轻度燃烧 和剧烈燃烧设置报警 。安全报 警模块程序如图 8 。 图 7 聚类分析算法 读取数据l l 标准样本 丁一 _ 加入 计算欧式l 距离矩阵r ] - - - - l 聚类 l l r I 磊露 是否大乇 ／ l 输出分类结划 恼 ＼ 竺 ／T 詈 I L - 1 报警记录 L _ ． J无动作 图 8 安全报警模块程序框 图 2 ． 2 ． 4基于 L a b S Q L的数据 管理模块 由于在井下燃爆监测过程中需要对数据进行实 时显示、 查询、 生成报表等， 其 中关键环节 是对数据 库进行存储与读取 ， 因此系统使用 L a b VI E W 用户 在后期开发 的免 费工 具包 L a b S QL对数 据库进行 读写 操作 ， 并采 用 Mi c r o s o f t Ac c e s s数据 库 系统。 数据 管理 模块 由数 据 存 储 和 查 询模 块 2部 分 组 成 。 当进行数据库存储时 ， 先建立与数据库的联接 ， 再建 立一个新的数据库表格 ， 通过 L a b VI E W 算法在这 个数据表中循环写入实测数据， 最后在写入结束后 关闭 与数 据 库 的联 接 。数 据 库存 储 模 块程 序 如 图 9 。 垄 堡 垫 堡 堕 H堑 堡 耋 塑 堑 里 至 H堑 鏊 堡 壁 图 9 数据库存储模块程序框 图 数据库查询部分与存储 部分类似 ， 首先建立与 数据库 的联接 ， 然后打开指定的数据库表格 ， 根据输 入的查询条件来实现对数据 的查询 ， 查询完毕关闭 与数据库的联接 。数据库查询模块程序如图 1 0 。 查询条件 写入 连 接 数 据 库 H 打 开 表 格 输 出 查 询 结 H 图 1 O 数据库查询模块程序框图 2 ． 2 ． 5 报表 自动生成模块 系统采用 L a b VI E W o f f i c e报告生成工具包来 实现监测系统 的报表 自动生成 ， 报表 自动生成模块 程序如图 1 1 。 图 1 1 报表生成模块程序框 图 3 实例验证 由于不具备现场验证所需的实时数据条件 ， 仍 选用川东北某井空气钻井井段井下气体实测数据进 行验证， 该井发生过 1 次轻微燃爆 ， 后很快熄灭 ．现 场实测数据如图 1 2 。