基于碰摩风险的油气井生产调控方法及系统与流程

本发明涉及油气田开发工程，具体涉及基于碰摩风险的油气井生产调控方法及系统。

背景技术：

1、在气田开发过程中，造斜段（即井眼轨迹由垂直转向水平的弯曲段）油套管与套管之间的碰摩问题是影响井筒完整性的重要因素。随着油气资源开发向深层、超深层及非常规领域延伸，大斜度井、水平井等复杂结构井的应用日益广泛，造斜段管柱受力状态日趋复杂，油套管与套管之间的接触碰摩问题愈发突出。钻柱在旋转过程中与套管内壁发生碰摩，不仅会造成套管壁厚减薄、强度下降，还可能引发套管变形、破裂等严重事故，威胁油气井的安全生产。因此，对井下管柱的碰摩风险进行精准评估与有效管控，是保障油气井安全高效运行的核心课题。

2、目前针对油气井的井下管柱的碰摩风险通常依赖静态经验模型进行评估，但是静态经验模型的物理机制被简化为静态边界条件，忽略了井斜突变、流体脉冲及磨损劣化的时变耦合效应。传统公式仅依赖转速和恒定磨损率假设，无法将实时工况（如产量、压力）与材料劣化（磨损累积）动态关联，导致计算维度缺失，误差高达±30%～50%，失去预警价值，在进行评估时无法捕捉钻井参数突变（如钻压波动）引发的瞬时应力峰值，导致安全系数虚高而突发失效；并且现有的静态经验模型无法区分泥浆扰动与真实碰摩，造成误报警或漏报警；最终表现为非计划性修井频繁、管柱寿命大幅短于设计值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于碰摩风险的油气井生产调控方法及系统，以解决现有油气井的井下管柱的碰摩风险评估难以实时量化碰摩风险，容易导致安全系数虚高而突发失效的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了基于碰摩风险的油气井生产调控方法，包括以下步骤：

3、获取油气井多源监测数据，对油气井多源监测数据进行特征提取得到油气井特征向量；

4、将油气井特征向量输入安全等级预测模型，安全等级预测模型执行：

5、基于油气井特征向量预测得到碰摩事件频次；

6、将油气井特征向量按照预设时间间隔划分为一个以上时间步，基于时间步和碰摩事件频次计算累积等效磨损量，并根据累积等效磨损量构建等效磨损量时间序列；

7、基于油气井特征向量和等效磨损量时间序列计算最大综合应力；

8、根据油气井特征向量、最大综合应力和等效磨损量时间序列计算动态安全系数，基于动态安全系数和安全阈值判定得到安全等级；

9、基于安全等级构建自适应闭环控制指令，并根据自适应闭环控制指令对油气井进行调控。

10、本发明的显著效果为：

11、本方案中通过提取油气井特征向量，并通过经典混合计算架构的安全等级预测模型，实时计算碰摩频次、损伤量、综合应力等动态参数，能够实现将实时工况与材料劣化进行动态关联，保证计算维度的完整性，能够大幅度提升碰摩风险的计算精度的同时，使得碰摩风险预测的响应速度达秒级。实现碰摩风险的超前预警，变被动响应为主动防控。

12、并且本方案摒弃了传统静态边界假设，利用时间步划分机制将连续工况离散化为可迭代的计算单元，实现了碰摩频次、累积磨损与综合应力的动态关联与实时更新；同时，依据动态安全系数与安全阈值的比较结果判定安全等级，并据此构建闭环控制指令对油气井进行调控。该技术方案能够实时响应工况参数的瞬态变化，将风险评估与生产调控有机耦合，有效解决了背景技术中指出的静态经验模型无法捕捉时变耦合效应、安全系数虚高及响应滞后等技术问题，实现了井下碰摩风险的实时量化与主动防控。

13、进一步地，所述对油气井多源监测数据进行特征提取得到油气井特征向量的步骤包括：

14、将油气井多源监测数据映射到量子编码态；

15、将量子编码态进行量子并行滤波得到去噪滤波量子态；

16、对去噪滤波量子态进行量子特征提取得到特征压缩量子态；

17、将特征压缩量子态进行量子测量与解码得到油气井特征向量。

18、本方案采用量子编码态映射、量子并行滤波、量子特征提取以及量子测量与解码的递进式处理流程。其中，量子编码态能够利用量子比特的叠加特性对海量监测数据进行高维表示，量子并行滤波可借助量子干涉原理在频域内同时抑制非相干噪声，量子特征提取则通过量子主成分分析或变分量线路实现特征的非线性压缩与降维。通过上述量子计算链路的引入，能够在显著降低数据维度、减少计算复杂度的同时，最大限度地保留原始信号中与碰摩相关的微弱特征成分，从而为后续安全等级预测模型提供信噪比更高、信息密度更大的输入特征向量，提升了整体评估体系的精度与效率。

19、进一步地，所述基于油气井特征向量预测得到碰摩事件频次的步骤包括：

20、对油气井特征向量进行特征提取得到时域特征、频域特征、时频特征和工程耦合特征；所述时域特征用于表示所述油气井特征向量在时间维度上冲击波的分布特性，所述频域特征用于表示所述油气井特征向量在频率维度上冲击波的能量分布特性，所述时频特征用于表示所述油气井特征向量在时间和频率联合维度上冲击波能量聚集的时频块位置与强度特性，所述工程耦合特征表示所述油气井特征向量中井下振动响应与实时工程操作参数之间的联动关系；

21、基于时域特征、频域特征、时频特征和工程耦合特征判断是否存在碰摩事件；

22、分别计算各碰摩事件的置信度，判断置信度是否大于或等于置信度阈值，若是，则该碰摩事件为有效碰摩事件；否则该碰摩事件为无效碰摩事件；

23、统计有效碰摩事件次数并计算碰摩事件频次。

24、通过从油气井特征向量中并行提取时域特征、频域特征、时频特征及工程耦合特征，形成了多维度的碰摩判据体系；在此基础上，对各初步判定为碰摩的事件进行置信度评分，并将置信度与预设阈值进行比较，以甄别有效碰摩事件与无效干扰事件，最终仅依据有效事件统计频次。能够准确区分真实管柱-套管碰摩与泥浆脉冲、泵冲干扰等非碰摩信号，有效剔除了因流体扰动或传感器噪声引发的虚假事件，显著提高了碰摩事件频次统计的真实性和可靠性，为后续磨损量计算提供了准确的输入参数。

25、进一步地，所述等效磨损量计算子模型基于时间步和碰摩事件频次计算累积等效磨损量，并根据累积等效磨损量构建等效磨损量时间序列的步骤包括：

26、基于当前时间步的油气井多源监测数据和碰摩事件频次计算瞬时磨损速率；

27、基于瞬时磨损速率计算和时间步长计算当前时间步的磨损增量；

28、基于当前时间步的磨损增量和上一时间步的累积等效磨损量计算累积等效磨损量；

29、判断当前时间步的累积等效磨损量是否小于失效阈值，若是，则将计算下一个时间步的累积等效磨损量；否则，根据各时间步的累积等效磨损量构建等效磨损量时间序列。

30、以当前时间步的油气井多源监测数据和碰摩事件频次为输入，首先计算瞬时磨损速率，继而结合时间步长求解当前步的磨损增量，再将磨损增量与上一时间步的累积值累加以更新当前累积等效磨损量；在此基础上，引入失效阈值作为循环终止判据，仅当累积量小于失效阈值时继续下一时间步计算，否则终止循环并构建等效磨损量时间序列。通过该递推累加与阈值终止相结合的计算架构，该技术方案能够实时追踪磨损量的非线性累积过程，自动界定有效计算区间，避免无效迭代，既保证了磨损时序数据的完整性与准确性，又降低了计算资源的消耗。

31、进一步地，所述基于油气井特征向量和等效磨损量时间序列计算最大综合应力的步骤包括：

32、基于油气井特征向量构建流体-钻压耦合应力项，求解流体-钻压耦合应力项得到流体-钻压耦合应力；

33、基于油气井特征向量和等效磨损量时间序列构建磨损-重力耦合应力项，求解磨损-重力耦合应力项得到磨损-重力耦合应力；

34、基于流体-钻压耦合应力和磨损-重力耦合应力相加计算得到最大综合应力。

35、基于油气井特征向量独立构建流体-钻压耦合应力项并求解，同时基于油气井特征向量和等效磨损量时间序列独立构建磨损-重力耦合应力项并求解，最后将两者直接相加得到最大综合应力。通过将流体推力、钻压、井斜角所表征的主动载荷与累积磨损量、重力分量所表征的被动劣化效应分别建模并独立求解，该技术方案能够全面反映井下管柱在复合受力状态下的应力峰值，避免了传统单一应力模型因忽略磨损与重力耦合作用而导致的应力低估问题，为动态安全系数的计算提供了准确的上游数据支撑。

36、进一步地，所述根据油气井特征向量、最大综合应力和等效磨损量时间序列计算动态安全系数的步骤包括：

37、基于油气井特征向量获取材料固有参数，基于材料固有参数和当前时间步的最大综合应力的比值计算得到当前时间步的应力安全因子；

38、基于当前时间步的等效磨损量和材料固有参数的比值计算当前时间步的磨损衰减因子；

39、根据应力安全因子和磨损衰减因子的乘积计算得到当前时间步的动态安全系数。

40、从油气井特征向量中提取材料固有参数，然后分别计算应力安全因子和磨损衰减因子，最后将两者相乘得到动态安全系数。通过将反映瞬时载荷水平的应力安全因子和反映长期累积损伤的磨损衰减因子以乘积形式进行融合，能够同时捕捉瞬态工况波动和渐进性材料劣化对安全裕度的叠加影响，克服了单一应力指标或单一磨损指标无法全面表征安全状态的技术缺陷，提升了安全等级判定的综合性和科学性。

41、进一步地，所述基于动态安全系数和安全阈值判定得到的安全等级包括安全状态、预警状态和危险状态，所述基于安全等级构建自适应闭环控制指令包括：

42、根据安全等级对生产作业参数调整：

43、当安全状态为安全状态时，可提高钻速；

44、当安全状态为预警状态时，需降低钻压；

45、当安全等级为危险状态时，立即降低钻压并降低排量。

46、通过上述分级递进、逐级强化的调控逻辑，该技术方案能够在安全余量充裕时维持正常的钻进效率，在风险初显时通过单一参数调节进行柔性干预，在危险状态下则执行强制双参数（钻压与排量）协同降压操作以快速将系统拉回安全区间，从而兼顾了作业效率与井下管柱安全，实现了风险等级与调控烈度的精准匹配。

47、进一步地，在根据自适应闭环控制指令对油气井进行调控的步骤后，还包括预防性维护，包括以下步骤：

48、获取当前时间步的等效磨损量和动态安全系数；基于等效磨损量和油气井特征向量计算维护时间窗口；

49、在维护时间窗口内，根据等效磨损量和安全等级判定维护等级：

50、当等效磨损量小于预警磨损量，并且安全等级为安全状态时，则维护等级为无维护，其行动策略为正常作业并定期监测；

51、当等效磨损量大于或等于预警磨损量，或安全等级为预警状态时，则维护等级为预警维护，其行动策略为计划在下一井段或起钻时检修，并评估磨损状态；

52、当等效磨损量大于或等于危险磨损量，或安全等级为危险状态时，则维护等级为紧急维护，其行动策略为立即起钻，并更换工具。

53、通过构建维护时间窗口并引入磨损量与安全等级的双条件判定逻辑，该技术方案能够在工具失效前精准规划检修时机，避免过早维护造成作业中断损失以及过晚维护导致突发失效事故，实现了预防性维护决策的定量化与精细化。

54、进一步地，所述根据自适应闭环控制指令对油气井进行调控步骤后，还包括反馈学习，包括以下步骤：

55、构建评估周期，获取评估周期内当前时间步的等效磨损量、最大综合应力、动态安全系数，并计算综合评估指标；

56、基于综合评估指标判定评估等级，并基于评估等级触发优化：

57、当综合评估指标大于或等于第一评估指标阈值，则不触发参数优化，维持当前参数；

58、当综合评估指标小于第一评估指标阈值，且综合评估指标大于或等于第二评估指标阈值，则优化自适应闭环控制指令的调控增益；

59、当综合评估指标小于第二评估指标阈值时，则优化安全等级预测模型的参数和自适应闭环控制指令的调控规则。

60、通过上述分层级、渐进式的反馈优化架构，该技术方案能够根据实际调控效果自动识别系统偏差来源，并匹配差异化浅层增益调整或深层模型与规则重构的优化深度，实现了碰摩风险评估模型与控制策略的自适应迭代和自我完善，确保了系统在长周期运行和复杂工况变化下的持续有效性与鲁棒性。

61、第二方面，本发明提供了基于碰摩风险的油气井生产调控系统，用于实现如上述的基于碰摩风险的油气井生产调控方法，包括：

62、油气井多源监测模块，用于获取油气井多源监测数据，对油气井多源监测数据进行特征提取得到油气井特征向量；

63、碰摩事件频次计算模块，用于基于油气井特征向量预测得到碰摩事件频次；

64、累积等效磨损量计算模块，用于基于碰摩事件频次计算累积等效磨损量；

65、最大综合应力计算模块，用于基于油气井特征向量和等效磨损量时间序列计算最大综合应力；

66、安全等级判定模块，用于根据油气井特征向量、最大综合应力和等效磨损量时间序列计算动态安全系数，基于动态安全系数和安全阈值判定得到安全等级；

67、自适应闭环控制指令构建模块，用于基于安全等级构建自适应闭环控制指令，并根据自适应闭环控制指令对油气井进行调控；

68、预防性维护模块，根据等效磨损量和安全等级判定维护等级，并基于维护等级输出预防性维护的行动策略；

69、反馈学习模块，用于基于当前时间步的等效磨损量、最大综合应力、动态安全系数计算综合评估指标；基于综合评估指标判定评估等级，并基于评估等级触发优化安全等级预测模型的参数、自适应闭环控制指令的调控规则或自适应闭环控制指令的调控增益。