钻井工程异常预警方法研究

摘 要：智能化的模糊诊断专家系统方法是在传统的异常预警方法基础上结合计算机技术发展而来的，由此方法建立的钻井工程异常预警系统可以提高钻井工程异常预警的效率、质量和智能化水平。该方法主要运用了智能化和面向对象的技术，结合现场实际情况，对钻井工程进行异常预警，提高了预警的效率和质量。本文重点介绍了该方法的主要思路和预警系统模型的建立。

关键词：智能化；模糊诊断专家系统；综合录井；钻井工程异常预警；面向对象

中图分类号：TE928

钻井工程是一项风险高、投入高、技术水平高、隐蔽性强的地下工程。在钻井的整个过程中都有可能产生事故，有时会造成无法估量的严重后果，严重威胁着人们的生命财产安全。目前钻井异常预警主要是以人工经验判断为主，这种预警方式效率低下，错误率高，不能满足钻井工程预警对实时性要求高的工程，迫切的需要一种强实时性，高可靠性、智能化的预警手段来满足钻井异常预警的需要。

1 研究的基本思路和理论基础

1.1 研究的基本思路。钻井工程具有随机性强、模糊性打和风险性高的特点。目前钻井现场对异常预警主要是由工作人员结合实际钻井参数的变化和自己长期积累的工作经验和知识而做出的判断，这种方式没有统一的标准，且主观性较大。同时由于工作人员的精力和技术水平的限制，无法保证预警的质量和效率。并且培养有经验的工作人员也是一个长期的过程。将综合录井技术、人工智能技术和计算机技术三者结合起来，可以很好的将工作人员长期积累的异常预警的经验、知识转化为一种智能化、自动化的预警方法。

1.2 理论基础。异常预警判断的依据是监测设备得到的大量监测数据。为了提高预警的质量必须确保得到的监测数据的准确性，因此必须要对监测器进行故障诊断。专家系统在故障诊断中得到广泛应用。

1.2.1 设备故障诊断。设备故障诊断包括状态监测、分析诊断和治理预防三个阶段。（1）状态监测：顾名思义，就是就检测设备的运行状态。通过传感器采集设备在运行中的各种参数，并去掉其中的干扰参数以便得到能真实反映设备运行状态的特征参数；（2）分析诊断：根据第一个阶段得到的能反映设备状态的参数的变化情况，将特征参数与故障状态参数进行对比，来识别设备是否故障。如果故障则进一步判断故障产生的原因、发生的部位，危险程度以及故障的发展趋势；（3）根据前两个阶段得出的结论来确定应对方法，以保证设备的正常运行。有时候设备的故障正常之间的界限不是很明确，加上数据采集过程中的缺陷，造成了故障诊断的复杂性不断加大。因此应用传统的经典数学并不能很好的描述诊断系统，而模糊推理和模糊理论可以很大程度上来解决设备故障不确定性问题。

1.2.2 专家系统。专家系统简单的讲：具有智能特点的计算机程序，能够在特定的领域内模仿人类专家的推理能力，并能用这些知识来解决实际问题。具有启发性、灵活性和透明性的特点。基本结构包括：知识库、人机界面、推理机、知识库、综合数据库和解释器六个部分组成，如图1所示。

图1 专家系统结构图

专家系统通过解释器向用户解释以下两个问题：（1）系统为什么会向用户提出该问题――Why；（2）计算机是怎么样获得最后结论的――How。人类各领域的专家通过专门的计算机程序获取专家系统中的知识，并且根据人类的经验和知识不断的完善和充实知识库中的知识。其工作流程如图2所示。

图2 工作流程图

钻井工程事故异常预警是一个连续不断的、长时间的、艰苦的过程，极大的消耗着人们的精力，并且单纯的依靠人工和简单的参数监测是无法准确的对事故进行预警的，而专家系统可以很好的克服这个缺点。专家系统可以不受精力的限制，不受环境的影响，可以高效率的、连续的工作。与此同时通过对知识库进行升级，可以不断吸收新的专家知识与经验，使系统的预警能力不断增强，从而进一步提高钻井工程异常预警的能力和效率。

2 建立系统模型

采用面向对象技术建立模型，具有封装性好、重用性高、灵活性强、高可维护性和高扩展性的个点，适合用于解决实时性强、复杂系统的问题。

2.1 建立预警模型类库。从面向对象的分析到设计是一个逐步扩充、细化模型的过程。主要步骤如下：（1）细化对象：把系统中对象间的交互作用和对象行为进一步细化，形成明确切完全的定义。依据参数与事故的关系确定事故对象的行为，建立各事故之间的关联；（2）认定类型：把预警模型设计为不同种类的模型。比如溢流、井涌、井喷、气侵、油侵等多种异常的类都可以设计在溢流类型中；（3）重用支持设计：依据某类设计出类库后，再对该类重用、实例化。依据上述步骤。建立起系统化的模型类库。

2.2 建立模型。（1）根据以往经验，总结出根据参数变化来判断事故的方法，并建立起事故对象和其行为及成员属性之间的关系；（2）对个各种工程事故的钻井条件、设备条件、录井参数等研究对象进行系统的、深入的分析研究，找的这些研究对象之间的关联，如包含关系、继承关系、创建关系等静态关系；（3）前面提到的是研究对象之间的静态关系。但在实际钻井中必须找到他们之间的动态关系，比如部分工程参数和钻井工况之间的关系，如表1所示。通过建立对象之间的关系，最终形成完整的系统模型。

表1 工程参数与钻井工况之间的动态关系

3 结束语

专家系统与传统的预警方式相比，有很大的优势。采用专家系统进行工程事故的预警，不仅完成了预警方式的自动化、智能化功能，更重要的是它融合了技术人员判断工程事故的经验，并且可以随时的对系统进行升级。

采用模糊推理的方式不仅具有很好的过渡性，还确切反映了客观事物的程度信息和交叉渐变的特性。

参考文献：

[1]夏虹，刘永阔，谢春丽.设备故障诊断技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[2]钟登华，胡程顺.复杂工程系统可视化仿真建模方法与应用[J].系统仿真学报，2002.

[3]尹朝庆.人工智能与专家系统[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[4]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

作者单位：西南石油大学，成都 610500；山东理工大学，山东淄博 255049