阅读说明：本技术 一种测试用钻井平台安全系统及其监测方法 (Drilling platform safety system for testing and monitoring method thereof ) 是由 孙维洲 高科超 孙明 张烨 周涛 谭振兴 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种测试用钻井平台安全系统,包括：检测模块,用于检测测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量；多个泄压装置,其分别设置在钻台司钻房、油嘴管汇处、测试区域分离器位置、测试区域数据采集房内和生活区靠近测试区位置处,用于泄压完成管内流程截断；控制器,其与所述检测模块和泄压装置连接,用于接收所述检测模块的检测数据,并控制所述泄压装置工作。本发明还提供一种测试用钻井平台安全系统的监测方法,采集测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量,并基于BP神经网络确定泄压装置的工作状态,保障了在高温高压井大产量条件下的现场作业安全。(The invention discloses a drilling platform safety system for testing, which comprises: the detection module is used for detecting the temperature, pressure, sand content, vibration state, pipe wall thickness and hydrogen sulfide content in the pipeline in the test operation process; the pressure relief devices are respectively arranged in a driller room on the drill floor, a choke manifold, a separator of the test area, a data acquisition room of the test area and a position of a living area close to the test area, and are used for relieving pressure to complete the cut-off of the flow in the pipe; and the controller is connected with the detection module and the pressure relief device and used for receiving the detection data of the detection module and controlling the pressure relief device to work. The invention also provides a monitoring method of the safety system of the drilling platform for testing, which is used for acquiring the temperature, the pressure, the sand content, the vibration state, the pipe wall thickness and the hydrogen sulfide content in the pipeline in the testing operation process, determining the working state of the pressure relief device based on the BP neural network and ensuring the field operation safety under the condition of high-temperature and high-pressure wells with large yield.)

一种测试用钻井平台安全系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及石油、天然气勘探测试领域，更具体的是，本发明涉及一种测试用钻井平台安全系统及其监测方法。

背景技术

目前随着海上油气资源开采的不断展开，测试类型不断朝着高温高压高产井迈进，测试区域逐步向深水区域扩展，对于这种超高温高压井的测试作业，对作业设备的要求更加严格，地面高压设备的压力等级达到15000Psi，大产量的天然气在测试过程中的有效控制，安全操作是测试过程中的重点。因此，需要开发一种测试用钻井平台安全系统和监测方法，以便于从本质上保证测试作业的顺利实施，保证测试平台的安全生产。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种测试用钻井平台安全系统，在不同位置设置有泄压装置，通过检测模块确定泄压装置的工作状态，确保钻井平台作业安全。

本发明的另一个目的是设计开发了一种测试用钻井平台安全系统的监测方法，采集测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量，并基于BP神经网络确定报警状态、泄压装置的工作状态。

本发明还能在泄压装置工作时，精确控制泄压装置泄掉的压力，完成管内流程截断，保障了在高温高压井大产量条件下的现场作业安全。

本发明提供的技术方案为：

一种测试用钻井平台安全系统，包括：

检测模块，用于检测测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量；

多个泄压装置，其分别设置在钻台司钻房、测试区域油嘴管汇处、测试区域分离器位置、测试区域数据采集房内和生活区靠近测试区位置处，用于泄压完成管内流程截断；

控制器，其与所述检测模块和泄压装置连接，用于接收所述检测模块的检测数据，并控制所述泄压装置工作。

优选的是，所述检测模块包括：

砂含量传感器，其设置在油嘴管汇前方，用于检测管线内气体中的砂含量；

振动传感器，其设置在上游高压区域的管线上，用于检测管线的振动幅度；

壁厚传感器，其设置在上游管线的拐弯位置处，用于检测管线的壁厚；

气体传感器，其设置在分离器的天然气管线上，用于检测硫化氢的含量；

多个温度压力传感器，其分别设置在油嘴管汇上游、油嘴管汇下游和分离器上，用于检测油嘴管汇上游的压力和温度、油嘴管汇下游的温度和压力、分离位置的压力、油管线和气管线的温度。

优选的是，还包括报警系统，其与所述检测模块连接，用于接收所述检测模块的检测数据，并作出警报。

一种测试用钻井平台安全系统的监测方法，采集测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量，并基于BP神经网络确定报警状态、泄压装置的工作状态，具体包括如下步骤：

步骤一、按照采样周期，通过传感器测量管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量；

步骤二、确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈,x₉,x₁₀,x₁₁}；其中，x₁为油嘴管汇前方气体中的砂含量，x₂为上游高压区域管线的振动烈度，x₃为上游管线拐弯处的壁厚，x₄为天然气管线中硫化氢的含量，x₅为油嘴管汇上游的压力，x₆为油嘴管汇上游的温度，x₇为油嘴管汇下游的压力，x₈为油嘴管汇下游的温度，x₉为分离位置的压力，x₁₀为分离位置油管线的温度，x₁₁为分离位置气管线的温度；

步骤三、所述输入层向量映射到隐层，隐层的神经元为m个；

步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅,o₆}；其中，o₁为钻台司钻房的泄压装置的工作状态，o₂为油嘴管汇处的泄压装置的工作状态，o₃为分离器位置的泄压装置的工作状态，o₄为数据采集房内的泄压装置的工作状态，o₅为生活区的泄压装置的工作状态，o₆为报警系统的工作状态，所述输出层神经元值为

k为输出层神经元序列号，k＝{1,2,3,4,5,6}，当o_k为1时，处于工作状态，当o_k为0时，处于不工作状态。

优选的是，当泄压装置工作时，控制泄压装置泄掉的压力满足：

式中，P为泄压装置泄掉的压力，ω为油嘴管汇前方气体中的砂含量，

为天然气管线中硫化氢的含量，

为天然气管线中硫化氢的安全含量，H_A为上游高压区域管线的振动烈度，H_A0为上游高压区域管线的标准振动烈度，T_u为油嘴管汇上游的温度，T_d为油嘴管汇下游的温度，T_g为分离位置气管线的温度，T_l为分离位置油管线的温度，P_u为油嘴管汇上游的压力，P_d为油嘴管汇下游的压力，P_f为分离位置的压力，P_A为单位压力，d₀为上游管线拐弯处的初始壁厚，d为上游管线拐弯处的实时壁厚，P₀为设定压力。

优选的是，所述上游高压区域管线的振动烈度为：

式中，H_A为上游高压区域管线的振动烈度，N为一个采样周期内的采样次数，H为一个采样周期内管线的振动频率，A_j为一个采样周期内第j次采样时管线的振幅。

优选的是，所述隐层的神经元为12个。

优选的是，所述隐层及所述输出层的激励函数均采用S型函数f_j(x)＝1/(1+e^-x)。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明设计开发的测试用钻井平台安全系统，在不同位置设置有泄压装置，通过检测模块确定泄压装置的工作状态，确保钻井平台作业安全。

(2)本发明设计开发的测试用钻井平台安全系统的监测方法，采集测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量，并基于BP神经网络确定报警状态、泄压装置的工作状态。还能在泄压装置工作时，精确控制泄压装置泄掉的压力，完成管内流程截断，保障了在高温高压井大产量条件下的现场作业安全。

附图说明

图1为本发明所述测试用钻井平台安全系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种测试用钻井平台安全系统，包括：检测模块，用于检测测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量；多个泄压装置(泄压装置1，泄压装置2，泄压装置3，泄压装置4，泄压装置5)，其分别设置在钻台司钻房、测试区域油嘴管汇处、测试区域分离器位置、测试区域数据采集房内和生活区靠近测试区位置处，用于泄压完成管内流程截断；控制器(电液快速关断系统的执行机构)，其与所述检测模块和泄压装置连接，用于接收所述检测模块的检测数据，并控制所述泄压装置工作。

本实施例中，在测试作业前期进行设备连接和安装时，把电液快速关断系统(控制器)的执行机构安装在井口高压区域，触发机构(泄压装置)分别布置于测试区域五个不同地点，分别位于钻台司钻房、测试区域油嘴管汇处、测试区域分离器位置、测试区域数据采集房内、生活区靠近测试区位置，以保证在发生紧急情况下第一时间对近井口位置进行流程关断，关断信号靠电信号进行传输，一旦发现出现问题，通过提前布置的流程网络把信号3秒内传输到快速关断系统的信号处理箱，信号处理箱里的电液转换阀开始工作，触发液压泄压装置，促使执行机构截断流程，保护下游设备安全，避免出现更大安全事故。

系统工作过程中会触发声光报警设施，提醒作业人员电液紧急关断系统已经工作。电液系统的信号同时可以介入到数据处理系统中，实现关断信号及关断系统的在线监测，紧急故障排查，以及触发信号的确认和复位等工作，电液紧急关断系统将是保证测试流程安全的第一重要手段。该系统具备信号控制逻辑设计系统、多点电液控制启动设计、防爆设计、安全逻辑设计、显示及数据交互设计，信号数据处理设计，构成一套完整的安全控制的关断流程。另外通过高低压报警器设定不同的操作压力，按照测试流程的压力范围进行安装，把相关信号传输到信号处理箱，保证在超压或者低压的情况下，关断系统能够及时切断流程流体，保证现场作业设备的安全。

含砂在线监测系统安装在测试流程的油嘴管汇前方的数据头上，有介入式传感器探头(砂含量传感器)，当流程中有气体经过时，如果气体中混有小粒径的砂体或者固体，会在经过探头的过程中改变传感器的感应曲线，通过数据传输线把监测到的数据传输到数据采集处理系统上，监测系统会出现曲线和数值的变化，进而确定砂含量，使操作人员能够知道流程中有砂体或者固体颗粒，采取处理措施，避免下游设备出现损坏，保证设备的安全，从而保证整个测试体统的安全，保证作业安全。

振动监测也是安装在测试流程的关键位置，探头多数布置于测试流程上游高压区域的管线上，设定3-4个监测点，采用非介入式，探测器(振动传感器)使用传感线连接至数据采集处理系统上，在系统的监测界面上观察流程管线的振动曲线。如果流程突然出现异常情况，导致流程管线抖动或者振动，会通过振动监测系统把数据传输到数据采集处理系统，说明流程中有固体砂砾或者可能生成水合物，造成了堵塞，或者长时间的异常抖动将导致连接好的测试流程管线出现松动，使流程的连接管线出现脱扣的现象，造成气体的泄露或者流程的损坏。

在线壁厚监测系统由数据探头(壁厚传感器)、数据激发装置、数据接收处理装置、数据发送装置共同组成。该系统安装在测试流程的上游管线的拐弯位置，通过定时的信号激发，有数据探头向安装位置的管线外壁进行测厚，把测取的数据通过接收装置进行接收处理，转换成电信号通过数据发送装置发送到数据采集处理系统上，生成实时数据，如果此时过程中，测试流程内的流体不断的对流程管线进行冲蚀，使管线的壁厚变薄的程度超过了管线的允许使用范围，系统将会报警，对现场作业人员进行提示，避免管线的泄露伤人。

在线硫化氢监测系统是包括气体探头(气体传感器)，传输管线，数据处理终端、信号输出装置组成。安装在分离器的天然气管线上，能够实现在线实时气体接触，气体转运，定时的进行气体含量检测，如果监测到硫化氢出现及含量超过安全允许范围，及时把数据通过数据传输线传送到数据采集处理系统上，起到提醒现场作业人员的作用，避免操作人员的硫化氢中毒，保证现场作业安全。

在线压力温度录取监测系统是通过把传感器(温度压力传感器)安装在特定的位置和特定的设备上，包括油嘴管汇上游、油嘴管汇下游、分离器上，分别监测油嘴管汇上游的压力和温度、油嘴管汇下游的温度和压力、分离位置的压力、油管线和气管线的温度，同时录取分离器的油气水的流量。主要使用数据传感器、数据传输线、信号采集器、信号接收器、信号处理终端实现测试系统的数据远传、录取及处理，为测试作业提供完整的数据资料，保证测试作业的顺利实施。

本发明设计开发的测试用钻井平台安全系统，在不同位置设置有泄压装置，通过检测模块确定泄压装置的工作状态，确保钻井平台作业安全。

本发明还提供一种测试用钻井平台安全系统的监测方法，采集测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量，并基于BP神经网络确定报警状态、泄压装置的工作状态，具体包括如下步骤：

步骤一、建立BP神经网络模型。

BP模型上各层次的神经元之间形成全互连连接，各层次内的神经元之间没有连接，输入层神经元的输出与输入相同，即o_i＝x_i。中间隐含层和输出层的神经元的操作特性为

o_pj＝f_j(net_pj)

其中p表示当前的输入样本，ω_ji为从神经元i到神经元j的连接权值，o_pi为神经元j的当前输入，o_pj为其输出；f_j为非线性可微非递减函数，一般取为S型函数，即f_j(x)＝1/(1+e^-x)。

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备系统工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出；第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x₁,x₂,...,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,...,y_m)^T

输出向量：o＝(o₁,o₂,...,o_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝11，输出层节点数为p＝6，隐藏层节点数m＝12。

输入层11个参数分别表示为：x₁为油嘴管汇前方气体中的砂含量，x₂为上游高压区域管线的振动烈度，x₃为上游管线拐弯处的壁厚，x₄为天然气管线中硫化氢的含量，x₅为油嘴管汇上游的压力，x₆为油嘴管汇上游的温度，x₇为油嘴管汇下游的压力，x₈为油嘴管汇下游的温度，x₉为分离位置的压力，x₁₀为分离位置油管线的温度，x₁₁为分离位置气管线的温度；

输出层6个参数分别表示为：o₁为钻台司钻房的泄压装置的工作状态，o₂为油嘴管汇处的泄压装置的工作状态，o₃为分离器位置的泄压装置的工作状态，o₄为数据采集房内的泄压装置的工作状态，o₅为生活区的泄压装置的工作状态，o₆为报警系统的工作状态，所述输出层神经元值为k为输出层神经元序列号，k＝{1,2,3,4,5,6}，当o_k为1时，处于工作状态，当o_k为0时，处于不工作状态。

步骤二、进行BP神经网络的训练。

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值。

(1)训练方法

各子网采用单独训练的方法；训练时，首先要提供一组训练样本，其中的每一个样本由输入样本和理想输出对组成，当网络的所有实际输出与其理想输出一致时，表明训练结束；否则，通过修正权值，使网络的理想输出与实际输出一致；各子网训练时的输出样本如表1所示。

表1网络训练用的输出样本

(2)训练算法

BP网络采用误差反向传播(Backward Propagation)算法进行训练，其步骤可归纳如下：

第一步：选定一结构合理的网络，设置所有节点阈值和连接权值的初值。

第二步：对每个输入样本作如下计算：

(a)前向计算：对l层的j单元

式中，为第n次计算时l层的j单元信息加权和，

为l层的j单元与前一层(即l-1层)的单元i之间的连接权值，

为前一层(即l-1层，节点数为n_l-1)的单元i送来的工作信号；i＝0时，令

为l层的j单元的阈值。

若单元j的激活函数为sigmoid函数，则

且

若神经元j属于第一隐层(l＝1)，则有

若神经元j属于输出层(l＝L)，则有

且e_j(n)＝x_j(n)-o_j(n)；

(b)反向计算误差：

对于输出单元

对隐单元

(c)修正权值：

η为学习速率。

第三步：输入新的样本或新一周期样本，直到网络收敛，在训练时各周期中样本的输入顺序要重新随机排序。

BP算法采用梯度下降法求非线性函数极值，存在陷入局部极小以及收敛速度慢等问题。更为有效的一种算法是Levenberg-Marquardt优化算法，它使得网络学习时间更短，能有效地抑制网络陷于局部极小。其权值调整率选为

Δω＝(J^TJ+μI)^-1J^Te

其中J为误差对权值微分的雅可比(Jacobian)矩阵，I为输入向量，e为误差向量，变量μ是一个自适应调整的标量，用来确定学习是根据牛顿法还是梯度法来完成。

在系统设计时，系统模型是一个仅经过初始化了的网络，权值需要根据在使用过程中获得的数据样本进行学习调整，为此设计了系统的自学习功能。在指定了学习样本及数量的情况下，系统可以进行自学习，以不断完善网络性能。

当泄压装置工作时，控制泄压装置泄掉的压力满足：

式中，P为泄压装置泄掉的压力，ω为油嘴管汇前方气体中的砂含量，

为天然气管线中硫化氢的含量，为天然气管线中硫化氢的安全含量，H_A为上游高压区域管线的振动烈度，H_A0为上游高压区域管线的标准振动烈度，T_u为油嘴管汇上游的温度，T_d为油嘴管汇下游的温度，T_g为分离位置气管线的温度，T_l为分离位置油管线的温度，P_u为油嘴管汇上游的压力，P_d为油嘴管汇下游的压力，P_f为分离位置的压力，P_A为单位压力，d₀为上游管线拐弯处的初始壁厚，d为上游管线拐弯处的实时壁厚，P₀为设定压力。

所述的上游高压区域管线的振动烈度为：

式中，H_A为上游高压区域管线的振动烈度，N为一个采样周期内的采样次数，H为一个采样周期内管线的振动频率，A_j为一个采样周期内第j次采样时管线的振幅。

下面结合具体的实施例进一步的对本发明提供的测试用钻井平台安全系统的监测方法进行说明。模拟10组不同测试管线内的环境，如表2所示。

表2模拟数据

采用本发明提供的测试用钻井平台安全系统的监测方法确定泄压装置和报警系统的工作状态，并观察对应的空白实验(即不采用本发明的测试用钻井平台安全系统)，具体结果如表3所示。

表3实验结果

序号	泄压装置工作点	报警系统	安全性	空白实验安全性
					1	泄压装置1	工作	安全	不安全
2	泄压装置3	工作	安全	不安全
					3	泄压装置5	工作	安全	不安全
4	泄压装置1	工作	安全	不安全
					5	均不工作	不工作	安全	安全
6	泄压装置2	工作	安全	不安全
					7	泄压装置4	工作	安全	不安全
8	泄压装置3	工作	安全	不安全
					9	泄压装置2	工作	安全	不安全
10	泄压装置5	工作	安全	不安全

由表3可知，本发明提供的测试用钻井平台安全系统的监测方法保障了在高温高压井大产量条件下的现场作业安全。

本发明设计开发的测试用钻井平台安全系统的监测方法，采集测试作业过程中的管线内的温度、压力、砂含量、振动状态、管壁厚度以及硫化氢含量，并基于BP神经网络确定报警状态、泄压装置的工作状态。还能在泄压装置工作时，精确控制泄压装置泄掉的压力，完成管内流程截断，保障了在高温高压井大产量条件下的现场作业安全。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。