本申請涉及壓裂施工技術(shù)領域，尤其涉及一種壓裂施工過程井下故障診斷方法及裝置。

背景技術(shù)：

本部分的描述僅提供與本申請公開相關的背景信息，而不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

在對常規(guī)儲層(例如，包括碎屑巖儲層、碳酸鹽巖儲層)或非常規(guī)儲層(例如，頁巖氣)進行壓裂施工的過程中，實時壓裂施工曲線一般是由油壓、套壓、排量、砂濃度等主要監(jiān)控參數(shù)的瞬時值與時間的變化所組成。施工現(xiàn)場的指揮人員可以根據(jù)壓裂施工曲線的實時變化，判斷壓裂車組的運行情況、裂縫的走向和形態(tài)、井筒以及井下工具的工作情況等，以做到及時調(diào)整壓裂施工車組、修改施工參數(shù)、提高現(xiàn)場一次性作業(yè)的成功率，達到優(yōu)化施工、增產(chǎn)、增注的目的。故障診斷是壓裂施工過程不可缺少的部分，高精度的診斷結(jié)果是保證壓裂施工過程安全進行的重要基礎。

變尺度分析法和雙對數(shù)曲線圖是常用于壓裂施工過程的故障診斷方法。但是兩種方法通常僅利用“井口壓力”這一監(jiān)控參數(shù)作為分析的依據(jù)，診斷施工過程的異常工況。但是，在實際壓裂施工過程中，當井下發(fā)生故障時，往往會引起多個監(jiān)控參數(shù)的異常波動。如果只使用“井口壓力”這一個監(jiān)控參數(shù)作為故障診斷的依據(jù)，容易導致故障的誤診斷，降低診斷方法的魯棒性。因此，為提高壓裂施工過程井下故障診斷方法的準確率和魯棒性，有必要利用多個壓裂施工曲線的特征，充分挖掘多個監(jiān)控參數(shù)中包含的故障信息。

應該注意，上面對技術(shù)背景的介紹只是為了方便對本申請的技術(shù)方案進行清楚、完整的說明，并方便本領域技術(shù)人員的理解而闡述的。不能僅僅因為這些方案在本申請的背景技術(shù)部分進行了闡述而認為上述技術(shù)方案為本領域技術(shù)人員所公知。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N壓裂施工過程井下故障診斷方法及裝置，以有效提高壓裂施工過程中井下故障診斷的準確率和魯棒性。

為了實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┝巳缦碌募夹g(shù)方案。

一種壓裂施工過程井下故障診斷方法，包括：獲取壓裂施工過程中發(fā)生故障時的多個監(jiān)控參數(shù)；根據(jù)多個所述監(jiān)控參數(shù)，生成對應的多個壓裂施工曲線；將每一個所述壓裂施工曲線劃分為多個單峰片段；采用二次多項式擬合多個所述單峰片段，得到對應的多個二次多項式；根據(jù)多個所述二次多項式，建立包括多個基元序列的故障規(guī)則庫；其中，每一個所述基元序列包括多種基元，多個所述基元序列中的一個或幾個的組合對應一種標準故障趨勢；將待診斷故障趨勢在所述故障規(guī)則庫中進行匹配，確定所述待診斷故障趨勢的類型。

一種壓裂施工過程井下故障診斷裝置，包括：監(jiān)控參數(shù)獲取模塊，用于獲取壓裂施工過程中發(fā)生故障時的多個監(jiān)控參數(shù)；壓裂施工曲線模塊，用于根據(jù)多個所述監(jiān)控參數(shù)，生成對應的多個壓裂施工曲線；單峰片段劃分模塊，用于將每一個所述壓裂施工曲線劃分為多個單峰片段；二次多項式擬合模塊，用于采用二次多項式擬合多個所述單峰片段，得到對應的多個二次多項式；故障規(guī)則庫建立模塊，用于根據(jù)多個所述二次多項式，建立包括多個基元序列的故障規(guī)則庫；其中，每一個所述基元序列包括多種基元，多個所述基元序列中的一個或幾個的組合對應一種標準故障趨勢；故障趨勢匹配模塊，用于將待診斷故障趨勢在所述故障規(guī)則庫中進行匹配，確定所述待診斷故障趨勢的類型。

由以上本申請實施方式提供的技術(shù)方案可見，本申請通過獲取壓裂施工過程中的多個監(jiān)控參數(shù)，利用多個監(jiān)控參數(shù)對應的壓裂施工曲線的變化特征，建立用于匹配待診斷故障趨勢的標準故障規(guī)則庫，從而結(jié)合定性趨勢分析匹配法來確定待診斷故障趨勢的類型。如此，充分挖掘多個監(jiān)控參數(shù)在壓裂施工過程中井下發(fā)生故障時包含的故障信息，以及對應的多個壓裂施工曲線的變化特征，有效提高了壓裂施工過程中井下故障診斷的準確率和魯棒性。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施方式中的技術(shù)方案，下面將對實施方式描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實施方式，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本申請一個實施方式的一種壓裂施工過程井下故障診斷方法的流程圖；

圖2為單峰片段的示意圖；

圖3為基元的示意圖；

圖4為本申請一個實施方式中建立包括多種基元的故障規(guī)則庫的子步驟；

圖5為本申請一個實施方式中將二次多項式采用兩種基元表示的子步驟；

圖6為本申請一個實施方式中確定待診斷故障趨勢的類型的子步驟；

圖7為將待診斷故障趨勢和標準故障趨勢放在同一時間軸上的示意圖；

圖8A為本申請一個具體的實施例中發(fā)生“近地壓竄”故障時的井口壓力施工曲線特征圖；

圖8B為本申請一個具體的實施例中發(fā)生“近地壓竄”故障時的套壓施工曲線特征圖；

圖9為本申請一個具體的實施例中“井口壓力”實時趨勢與故障規(guī)則庫中“井口壓力”趨勢的匹配示意圖；

圖10為本申請一個具體的實施例中“套壓”實時趨勢與故障規(guī)則庫中“套壓”趨勢的匹配示意圖；

圖11為本申請一個實施方式的一種頁巖氣壓裂施工過程井下故障診斷裝置的模塊圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本申請實施方式中的附圖，對本申請實施方式中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本申請一部分實施方式，而不是全部的實施方式?；诒旧暾堉械膶嵤┓绞?，本領域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施方式，都屬于本申請保護的范圍。

壓裂施工曲線通常是壓裂時地面所得到的最實時、最直接的壓裂施工情況的真實反映。通常，一種故障往往會引起多個壓裂施工曲線的異常波動。因此，根據(jù)壓裂施工曲線可以診斷出壓裂過程中井下發(fā)生的故障。

然而，傳統(tǒng)方法在研判壓裂施工過程中井下發(fā)生的故障時，常常僅利用“井口壓力”這一個監(jiān)控參數(shù)的壓裂施工曲線來診斷施工過程中的故障，從而丟失了大量其余監(jiān)控參數(shù)所帶有的有用信息，導致故障診斷準確率較低。因此，為了能夠準確地診斷壓裂施工過程中井下發(fā)生的故障，本申請?zhí)峁┝艘环N壓裂施工過程井下故障診斷方法及裝置，通過充分挖掘多個監(jiān)控參數(shù)在壓裂施工過程中井下發(fā)生故障時包含的故障信息，以及對應的多個壓裂施工曲線的變化特征，以提高故障的準確率和魯棒性。

本申請的一種壓裂施工過程井下故障診斷方法，總體脈絡為：(1)故障趨勢提取，即采用區(qū)間半分法將傳感器采集的壓裂施工過程的監(jiān)控參數(shù)劃分為多個單峰片段，并采用二次多項式擬合單峰片段；(2)故障趨勢識別，即在采用二次多項式擬合完單峰片段之后，將單峰片段的二次多項式序列轉(zhuǎn)換成七種基元描述的基元序列，建立故障規(guī)則庫；(3)故障趨勢匹配，即將已經(jīng)提取的趨勢(診斷故障趨勢)與故障規(guī)則庫中候選故障趨勢(標準故障趨勢)進行比較，以確定故障類型，該過程包括：a)基元相似度計算；b)趨勢相似度計算；c)過程總相似度計算；(4)故障診斷。具體見下文描述。

如圖1所示，為本申請一個實施方式的一種壓裂施工過程井下故障診斷方法的流程圖。雖然本申請?zhí)峁┝巳缦率鰧嵤┓绞交蛄鞒虉D所述的方法操作步驟，但是基于常規(guī)或者無需創(chuàng)造性的勞動，在所述方法中可以包括更多或者更少的操作步驟。此外，所述方法在邏輯性上不存在必要因果關系的步驟中，這些步驟的執(zhí)行順序不限于本申請實施方式中所提供的執(zhí)行順序。

請參閱圖1，本申請一個實施方式提供的一種壓裂施工過程井下故障診斷方法可以包括如下步驟。

步驟S1：獲取壓裂施工過程中發(fā)生故障時的多個監(jiān)控參數(shù)。

在本實施方式中，監(jiān)控參數(shù)可以為在壓裂施工過程中，用于表征壓裂過程情況的相關數(shù)據(jù)。具體的，舉例為，監(jiān)控參數(shù)可以指示地面壓裂車組的運行狀況、壓裂裂縫的延伸情況、井筒中環(huán)境(例如，壓力、溫度等)以及井下工具(例如，封隔器、噴砂器)工作情況等。

在本實施方式中，獲取的為壓裂施工過程中發(fā)生故障時的多個監(jiān)控參數(shù)。具體的，在壓裂施工過程中，當井下未發(fā)生故障時，多個監(jiān)控參數(shù)較為平穩(wěn)；當多個監(jiān)控參數(shù)中的一個或幾個會發(fā)生異常波動，此時即可判斷井下發(fā)生故障。則可以截取發(fā)生異常波動的監(jiān)控參數(shù)，用于后續(xù)的故障匹配和診斷。

在本實施方式中，獲取監(jiān)控參數(shù)的具體方式可以為，采用傳感器、電磁流量計等采集在壓裂施工過程中的所述監(jiān)控參數(shù)。具體的，由于獲取的監(jiān)控參數(shù)為多個，因此，可以采用多個傳感器和電磁流量計來采集對應的監(jiān)控參數(shù)。

在本實施方式中，獲取的監(jiān)控參數(shù)的數(shù)量以及具體類型，可以根據(jù)實際工況條件進行適配性的設置和選擇，具體的，舉例為，所述監(jiān)控參數(shù)可以包括井口壓力、排量、砂比、套壓(套管壓力)，本申請對此不作限定。應當理解的是，監(jiān)控參數(shù)并不限定于上述所列，本領域技術(shù)人員在本申請技術(shù)方案精髓的指導下，還可以作出其它形式的變更，當也應當包含在本申請的保護范圍內(nèi)。

步驟S2：根據(jù)多個所述監(jiān)控參數(shù)，生成對應的多個壓裂施工曲線。

在本實施方式中，壓裂施工曲線可以為壓裂施工過程中，監(jiān)控參數(shù)的瞬時值隨時間的變化關系曲線，其通常是壓裂時地面所得到的最實時、最直接的壓裂施工情況的真實反映。由前文描述可知，當在壓裂施工過程中井下發(fā)生故障時，通常會引起多個壓裂施工曲線的異常波動，因此，本實施方式根據(jù)獲取的多個監(jiān)控參數(shù)，生成對應的多個壓裂施工曲線，以根據(jù)多個壓裂施工曲線的變化特征來研判井下故障的類型。

對應于前文描述，當監(jiān)控參數(shù)包括井口壓力、排量、砂比、套壓時，壓裂施工曲線相應地包括井口壓力曲線、排量曲線、砂比曲線、套壓曲線。在本實施方式中，可以采用數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式，將獲取到的多個監(jiān)控參數(shù)生成對應的多個壓裂施工曲線，本申請在此不作贅述。

步驟S3：將每一個所述壓裂施工曲線劃分為多個單峰片段。

如圖2所示，在本實施方式中，單峰片段可以為在預定時間域上只包含有一個極值點的曲線片段。結(jié)合圖7、圖8A、圖8B、圖9、圖10所示，通常，壓裂施工曲線在預定時間域內(nèi)是變化的，其可能包含有多個單調(diào)變化區(qū)間，在該多個單調(diào)變化區(qū)間中，相應地會包含有多個極值點。為此，需要將可能包含有多個單調(diào)變化區(qū)間的壓裂施工曲線劃分為多個單峰片段。

故障趨勢提取是定性趨勢分析的首要環(huán)節(jié)，其基本思想是從定量過程數(shù)據(jù)中提取定性信息，并用符號語言加以表示。在眾多的故障趨勢提取方法中，區(qū)間半分法提取故障趨勢具有能直接提取非線性基元、時間窗寬度具有自適應性等優(yōu)點。因此，在本實施方式中，可以采用區(qū)間半分法，將每一個壓裂施工曲線劃分為多個單峰片段。

具體的，通過不斷二等分壓裂施工曲線，當最終劃分得到的曲線片段在預定時間域上只有一個極值點時，可以認為該曲線片段為單峰片段。

利用區(qū)間半分法提取故障趨勢，即利用區(qū)間消除策略。當區(qū)間不包含期望項或者不滿足條件時，區(qū)間減半，將監(jiān)控參數(shù)分為若干個單峰區(qū)間。然后，用二次多項式擬合單峰區(qū)間，約束多項式匹配保持相鄰區(qū)間數(shù)據(jù)連續(xù)性，提取基元。這樣，監(jiān)控參數(shù)就轉(zhuǎn)換成基元序列。

步驟S4：采用二次多項式擬合多個所述單峰片段，得到對應的多個二次多項式。

在本實施方式中，采用二次多項式擬合多個單峰片段，將多個壓裂施工曲線轉(zhuǎn)換成擬合的T個二次多項式序列y(t)＝{Q₁(t)，Q₂(t)，…Q_k(t)…，Q_T(t)}。其中，為第k個單峰片段的二次多項式，β₀、β₁、β₂為二次多項式的回歸系數(shù)，根據(jù)最小二乘法可以求出Q_k(t)的回歸系數(shù)β₀、β₁、β₂，從而確定多個二次多項式。

步驟S5：根據(jù)多個所述二次多項式，建立包括多個基元序列的故障規(guī)則庫；其中，每一個所述基元序列包括多種基元，多個所述基元序列中的一個或幾個的組合對應一種標準故障趨勢。

在本實施方式中，故障趨勢識別的目的將由單峰片段擬合得到的二次多項式轉(zhuǎn)換如圖3所示的多種不同的基元(用符號“P”表示)，由轉(zhuǎn)換得到的多種基元建立故障規(guī)則庫。

具體的，請參閱圖4，在一個實施方式中，在建立包括多種基元的故障規(guī)則庫的步驟中可以包括如下步驟：

步驟S51：基于預定轉(zhuǎn)換規(guī)則，將每一個所述壓裂施工曲線對應地多個所述二次多項式轉(zhuǎn)換為多種基元；

步驟S52：根據(jù)多種所述基元，得到同一個所述壓裂施工曲線對應地多個所述二次多項式相關聯(lián)的基元序列；

步驟S53：根據(jù)所述基元序列，建立所述故障規(guī)則庫。

在本實施方式中，一種基元通常代表過程數(shù)據(jù)的一種變化趨勢，其在預定時間內(nèi)一般包含一個單調(diào)變化區(qū)間。通常，過程數(shù)據(jù)的變化趨勢大體上包括三大類：上升、下降、不變。其中，根據(jù)過程數(shù)據(jù)的變化速度，上升和下降具體還分別可以包括三種不同基元。

具體的，請參見圖3，其中，D、B、C三種基元分別為過程數(shù)據(jù)為上升趨勢，基元D代表過程數(shù)據(jù)在上升時，上升趨勢的速度逐漸減小，即過程數(shù)據(jù)上升的加速度逐漸減小，表現(xiàn)為呈開口向下的拋物線上升；基元B代表過程數(shù)據(jù)在上升時，上升趨勢的速度逐漸增大，即過程數(shù)據(jù)上升的加速度逐漸增大，表現(xiàn)為呈開口向上的拋物線上升；基元C代表過程數(shù)據(jù)在上升時，上升趨勢的速度不變，即過程數(shù)據(jù)上升的加速度為零，表現(xiàn)為線性上升。

同樣的，G、E、F三種基元分別為過程數(shù)據(jù)為下降趨勢，基元G代表過程數(shù)據(jù)在下降時，下降趨勢的速度逐漸增大，即過程數(shù)據(jù)下降的加速度逐漸增大，表現(xiàn)為呈開口向下的拋物線下降；基元E代表過程數(shù)據(jù)在下降時，下降趨勢的速度逐漸減小，即過程數(shù)據(jù)下降的加速度逐漸減小，表現(xiàn)為呈開口向上的拋物線下降；基元F代表過程數(shù)據(jù)在下降時，下降趨勢的速度不變，即過程數(shù)據(jù)下降的加速度為零，表現(xiàn)為線性下降。

基元A為過程數(shù)據(jù)不變的情形，表現(xiàn)為一條水平線。

在一個實施方式中，預定轉(zhuǎn)換規(guī)則可以包括：當二次多項式兩端點的一階導數(shù)符號相同時，即二次多項式所對應的單峰片段為包含一個單調(diào)區(qū)間的簡單單峰片段，將二次多項式采用一種基元表示。當二次多項式兩端點的一階導數(shù)符號不同時，即二次多項式所對應的單峰片段為包含兩個單調(diào)區(qū)間的復合單峰片段，將二次多項式采用兩種基元表示。

具體的，設β₁和β₂分別是二次多項式兩端點處的一階導數(shù)值；

a)若β₁和β₂的符號相同，即β₁和β₂的正負性一致，則二次多項式所對應的單峰片段是簡單單峰片段(如圖2中3、4、5、6、7、8、9所示)，簡單單峰片段包含一個單調(diào)區(qū)間，采用一種基元表示。

具體的，結(jié)合圖3所示，當單峰片段為如圖2中3、4、5、6、7、8、9所示的簡單單峰片段時，其分別對應于圖4中A、G、B、D、E、C、F所示的基元。則分別采用基元A、G、B、D、E、C、F來表示二次多項式所對應的單峰片段3、4、5、6、7、8、9。

b)若β₁和β₂的符號不相同，即β₁和β₂的正負性不一致，則二次多項式所對應的單峰片段是復合單峰片段(如圖2中1、2所示)，復合單峰片段包含兩個不同的單調(diào)區(qū)間，需采用兩種基元表示。

請參閱圖5，具體的，當二次多項式采用兩種基元表示時，可以包括如下步驟：

步驟S54：獲取所述二次多項式一階導數(shù)為零的點；

步驟S55：以所述一階導數(shù)為零的點為分界點，將所述二次多項式拆分為兩個子二次多項式；其中，每一個所述子二次多項式包含一個單調(diào)區(qū)間；

步驟S56：將兩個所述子二次多項式分別采用兩種基元表示。

結(jié)合圖3所示，當二次多項式所對應的單峰片段為如圖2中1所示的復合單峰片段時，將該復合單峰片段以一階導數(shù)為零的點B為分界點，劃分為AB和BC兩個簡單單峰片段，則簡單單峰片段AB和BC分別對應于圖3中E和B所示的基元。則采用基元E和B來表示二次多項式所對應的單峰片段1。

同樣的，當二次多項式所對應的單峰片段為如圖2中2所示的復合單峰片段時，將該復合單峰片段劃分出的兩個簡單單峰片段AB和BC分別對應于圖3中D和G所示的基元。則采用基元D和G來表示二次多項式所對應的單峰片段2。

通過上述實施方式，即將二次多項式列序列y(t)＝{Q₁(t)，Q₂(t)，…Q_k(t)…，Q_T(t)}中包含的多個二次多項式轉(zhuǎn)換成為包含V種基元的基元序列Tr＝{P₁，P₂，…P_i…，P_V}，t_Pi∈[t_i-1，t_i]，i∈{1，2，…，V}。其中，P_i表示壓裂施工曲線在t_Pi時間段內(nèi)所對應的基元，且T≤V≤2T，然后利用多個基元序列建立故障規(guī)則庫。具體的，多個基元序列形成的集合即可以為所述故障規(guī)則庫。

在本實施方式中，多個基元序列中的一個或幾個的組合對應一種標準故障趨勢具體可以為，當井下發(fā)生故障時，通常會引起多個監(jiān)控參數(shù)的異常波動。那么，可以由發(fā)生異常波動的該多個監(jiān)控參數(shù)對應的基元序列來表征或標識該故障。舉例為，當井下發(fā)生的故障為“近地壓竄”時，發(fā)生異常波動的監(jiān)控參數(shù)為“井口壓力”和“套壓”，那么，可以由“井口壓力”和“套壓”對應的基元序列來表征或標識“近地壓竄”故障。

步驟S6：將待診斷故障趨勢在所述故障規(guī)則庫中進行匹配，確定所述待診斷故障趨勢的類型。

在本實施方式中，采用定性趨勢分析方法來實現(xiàn)故障的診斷。通常，定性趨勢分析方法是基于過程數(shù)據(jù)的一種故障診斷方法，可以將當前的故障數(shù)據(jù)趨勢與故障規(guī)則庫中標準故障趨勢即基元相匹配，診斷出當前故障的類型。然而，已有的研究工作在計算過程總相似度時，僅通過對多個監(jiān)控參數(shù)的趨勢相似度進行排序，然后選取最大相似度作為過程總相似度，而忽略了其余監(jiān)控參數(shù)的趨勢特征，使得故障趨勢匹配算法缺乏適用性和魯棒性。對壓裂施工過程來說，施工過程中地層發(fā)生故障會引起多個監(jiān)控參數(shù)的異常波動。因此，在計算壓裂施工過程的過程總相似度時，有必要根據(jù)每個監(jiān)控參數(shù)受影響程度，為每個監(jiān)控參數(shù)的趨勢相似度賦予相應的權(quán)重。

為此，本申請通過提取和識別多條壓裂施工曲線特征建立故障規(guī)則庫，在計算壓裂施工過程狀態(tài)總相似度時，為每個施工曲線趨勢相似度賦予權(quán)重值，最終將過程總相似度排序?qū)崿F(xiàn)故障診斷功能。該方法首先充分融合了多條壓裂施工曲線特征，然后通過改進的趨勢匹配算法診斷故障類型，從而可以提高頁巖氣壓裂施工過程井下故障診斷的準確率和魯棒性。

具體的，請參閱圖6，在本實施方式中，在將待診斷故障趨勢在所述故障規(guī)則庫中進行匹配，確定所述待診斷故障趨勢的類型的步驟中包括如下步驟：

步驟S61：獲取所述基元和所述待診斷故障趨勢在相同時間區(qū)間內(nèi)的基元相似度；

步驟S62：基于所述基元相似度，根據(jù)第一預設規(guī)則，獲取所述基元序列與所述待診斷故障趨勢的趨勢相似度；

步驟S63：根據(jù)第二預設規(guī)則，為所述趨勢相似度賦予權(quán)重系數(shù)并進行加權(quán)運算，獲取過程總相似度；

步驟S64：將數(shù)值最高的過程總相似度所對應的待診斷故障趨勢確定為目標故障。

具體的，故障趨勢匹配過程可以從如下3個方面進行說明：a)基元相似度計算；b)趨勢相似度計算；c)過程總相似度計算。

a)基元相似度計算

由圖3中可知，七種基本的基元具有一定相似性。因此，需要將七種基元模糊化，定義基元P_i、P_j的相似度矩陣為如表1所示。例如，結(jié)合圖3所示，基元A和基元B的相似度S_AB＝0。

表1基元相似度矩陣

依據(jù)并類比上述對七種基本的基元相似度的定義，可以獲取標準故障趨勢基元和待診斷故障趨勢在相同時間區(qū)間內(nèi)的基元之間的第一相似度。

b)趨勢相似度計算

設待診斷故障趨勢為Tr'＝{P₁'，P₂'，…P_i'…，P_M'}，t_Pi'∈[t'_i-1，t'_i]，i∈{1，2，…，M}，P_i'表示監(jiān)控參數(shù)在t_Pi時間段內(nèi)所對應的基元；將待診斷故障趨勢Tr'與故障規(guī)則庫中的標準故障趨勢-基元序列相匹配，計算相似度，其中表示故障規(guī)則庫中標準故障趨勢-基元序列在第i個區(qū)間內(nèi)的基元。

待診斷故障趨勢Tr'和標準故障趨勢Tr^B的總時間長度T_u是相同的，但通常待診斷故障趨勢Tr'和標準故障趨勢Tr^B的基元數(shù)量是不一致的，即V≠M。為了形成一對一的基元相似度(即“基元對相似度”)分析，需要將待診斷故障趨勢Tr'和標準故障趨勢Tr^B放在同一時間軸T_i上。

具體的，待診斷故障趨勢Tr'和標準故障趨勢Tr^B的所有時刻點把時間軸劃分為R個時間區(qū)間，其中，max(M，V)≤R≤M+V，第i個時間區(qū)間的長度為如圖7所示，某候選故障的標準故障趨勢從到包括9種基元，表示成Tr^B＝{D，E，D，E，D，E，D，E，D}；待診斷故障趨勢從t'₀到t'₇包括7種基元，表示成Tr'＝{D，E，D，E，D，E，D}。Tr^B和Tr'的時刻點將時間軸劃分為16個時間區(qū)間，其中，在內(nèi)，基元相似度為標準故障趨勢的基元D和待診斷故障趨勢的基元D的相似度，在內(nèi)，基元相似度為標準故障趨勢的基元E和待診斷故障趨勢的基元D的相似度。

如此，將待診斷故障趨勢Tr'和標準故障趨勢Tr^B放在同一時間軸T_i上進行基元數(shù)量統(tǒng)一后，待診斷故障趨勢Tr'和標準故障趨勢Tr^B包含的基元數(shù)量一致。將進行基元數(shù)量統(tǒng)一處理后的待診斷故障趨勢和標準故障趨勢分別表示為Tr和Tr^*，待診斷故障趨勢Tr和標準故障趨勢Tr^*包含的基元分別表示為和

具體的，第一預設規(guī)則如下：

其中，

-基元相似度；

SI-趨勢相似度；

-第i個時間區(qū)間；

-標準故障趨勢在第i個時間區(qū)間內(nèi)的基元；

P_i-待診斷故障趨勢在第i個時間區(qū)間內(nèi)的基元；

T_u-標準故障趨勢和待診斷故障趨勢的總時間長度。

從而，根據(jù)上述第一預設規(guī)則，可以獲取待診斷故障趨勢與標準故障趨勢之間的相似度。

c)過程總相似度計算

過程狀態(tài)的變化會體現(xiàn)在多個傳感器采集的監(jiān)控參數(shù)中。因此，在研判故障類型時，需要綜合考慮多個傳感器采集的多個監(jiān)控參數(shù)的趨勢。

例如，假設有H個傳感器，第h個傳感器采集到的監(jiān)控參數(shù)的趨勢相似度為SI_h，獲得過程狀態(tài)總相似度的第二預設規(guī)則如下：

其中，

CI-過程總相似度；

H-監(jiān)控參數(shù)的數(shù)量；

SI_h-第h個基元序列的趨勢相似度；

-第h個趨勢相似度的權(quán)重系數(shù)。

式中，第h個趨勢相似度的權(quán)重系數(shù)具體含義指每個受影響監(jiān)控參數(shù)能夠反映出某故障類型的能力。

具體的，每一個趨勢相似度的權(quán)重系數(shù)可以通過熵值法計算得到，表2所示為故障信息統(tǒng)計表，其中x_ij表示第i種故障發(fā)生時，第j個監(jiān)控參數(shù)發(fā)生異常波動的統(tǒng)計次數(shù)，其中(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)。利用熵值法計算權(quán)重的過程包括：(a)利用公式(3)計算第j個監(jiān)控參數(shù)下第i種故障類型占該監(jiān)控參數(shù)的比重Q_ij；(b)利用公式(4)計算第j項監(jiān)控參數(shù)的熵值e_j；(c)利用公式(5)計算第j項監(jiān)控參數(shù)的差異系數(shù)gi；(d)利用公式(6)計算該監(jiān)控參數(shù)的權(quán)重值

表2故障信息統(tǒng)計表

最后，將根據(jù)第二預設規(guī)則得到的過程狀態(tài)總相似度CI按降序排列。如果某一故障的CI值最高，則發(fā)生該故障的概率最大，將該概率最大的故障類型確定為目標故障。

本申請實施方式的壓裂施工過程井下故障診斷方法，通過獲取壓裂施工過程中的多個監(jiān)控參數(shù)，利用多個監(jiān)控參數(shù)對應的壓裂施工曲線的變化特征，建立用于匹配待診斷故障趨勢的標準故障規(guī)則庫，從而結(jié)合定性趨勢分析匹配法來確定待診斷故障趨勢的類型。如此，充分挖掘多個監(jiān)控參數(shù)在壓裂施工過程中井下發(fā)生故障時包含的故障信息，有效提高了壓裂施工過程中井下故障診斷的準確率和魯棒性。

下面結(jié)合實際中一個具體工程來詳細說明本申請實施方式的壓裂施工過程井下故障診斷方法的技術(shù)方案。

貴州省丁頁頁巖氣壓裂區(qū)域，已經(jīng)成功壓裂眾多頁巖氣井，積累了大量的原始數(shù)據(jù)。因此，采用該地區(qū)頁巖氣施工過程的正常工況數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，驗證本發(fā)明的準確性和合理性。

步驟1)：選取施工過程故障發(fā)生時的歷史監(jiān)控參數(shù)，如表3所示，采用區(qū)間半分法對由監(jiān)控參數(shù)生成的壓裂施工曲線進行單峰區(qū)間劃分，并使用二次多項式進行擬合。圖8A和圖8B分別給出了頁巖氣壓裂施工發(fā)生“近地壓竄”故障時，受影響的監(jiān)控參數(shù)-井口壓力和套壓施工曲線特征圖的變化趨勢，由于排量和砂比均未發(fā)生，可以認為排量和砂比未受到影響，故此處未給出排量和砂比的趨勢圖。

表3壓裂施工過程中的監(jiān)測參數(shù)

步驟2)：一并參閱圖2和表3，得出“井口壓力”和“套壓”施工曲線特征圖的變化趨勢所對應的基元，如表4所示，列出了發(fā)生“近地壓竄”故障時所提取出“井口壓力”和“套壓”對應的基元，并將其作為故障規(guī)則庫的一位成員。其中，基元后的數(shù)字，表示該故障模式中，基元包含的傳感器采樣數(shù)據(jù)點數(shù)目。例如，B(203)表示基元B包含203個傳感器采樣數(shù)據(jù)點。

表4近井地帶壓竄對應的基元

步驟3)：如圖9所示，在壓裂施工過程中“待診斷故障”的井口壓力趨勢與故障規(guī)則庫中“近地發(fā)生壓竄”故障的井口壓力趨勢進行匹配，兩個井口壓力趨勢的相似度為0.746。

圖10給出了壓裂施工過程中“待診斷故障”的套壓趨勢與故障規(guī)則庫中“近地發(fā)生壓竄”故障的套壓趨勢匹配示意圖，兩個套壓趨勢的相似度為0.834。

因為“待診斷故障”的排量和砂比兩個監(jiān)控參數(shù)均未發(fā)生波動，因此，與故障規(guī)則庫中“近地發(fā)生壓竄”故障的排量和砂比趨勢的相似度為0。

表5列出了貴州丁頁頁巖氣施工過程中，地層正常變化和異常變化時監(jiān)控參數(shù)波動情況統(tǒng)計表，經(jīng)過公式(3)-(6)計算，“井口壓力”、“套壓”、排量、砂比的趨勢相似度的權(quán)重值分別為0.575，0.385，0.01，0.03。因此，過程總相似度為0.746*0.575+0.834*0.385+0*0.01+0*0.03＝0.749。

表5貴州丁頁頁巖氣施工過程故障信息統(tǒng)計表

同樣的，采用上述步驟1)至步驟3)對“待診斷故障”與故障規(guī)則庫中其余候選的標準故障(包括地層形成裂縫、近地發(fā)生砂堵和地層內(nèi)發(fā)生砂堵)進行匹配，得到“待診斷故障”與地層形成裂縫、近地發(fā)生砂堵和地層內(nèi)發(fā)生砂堵的過程總相似度依次為：0.674，0.618，0.562。

步驟4)：通過對3)中四個過程總相似度排序，將實時趨勢診斷為發(fā)生“近地壓竄”。后經(jīng)過驗證，診斷結(jié)果正確。

基于同一構(gòu)思，本申請實施方式還提供了一種壓裂施工過程井下故障診斷裝置，如下面的實施方式所述。由于壓裂施工過程井下故障診斷裝置解決問題的原理，以及能夠取得的技術(shù)效果與一種壓裂施工過程井下故障診斷方法相似，因此一種壓裂施工過程井下故障診斷裝置的實施可以參見上述一種壓裂施工過程井下故障診斷方法的實施，重復之處不再贅述。以下所使用的術(shù)語“模塊”，可以是基于軟件實現(xiàn)，也可以是基于硬件實現(xiàn)，還可以是以軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)。

請參閱圖11，本實施方式提供的一種壓裂施工過程井下故障診斷裝置可以包括監(jiān)控參數(shù)獲取模塊1，壓裂施工曲線模塊2，單峰片段劃分模塊3，二次多項式擬合模塊4，故障規(guī)則庫建立模塊5和故障趨勢匹配模塊6。

所述監(jiān)控參數(shù)獲取模塊1可以用于獲取壓裂施工過程中發(fā)生故障時的多個監(jiān)控參數(shù)；

所述壓裂施工曲線模塊2可以用于根據(jù)多個所述監(jiān)控參數(shù)，生成對應的多個壓裂施工曲線；

所述單峰片段劃分模塊3可以用于將每一個所述壓裂施工曲線劃分為多個單峰片段；

所述二次多項式擬合模塊4可以用于采用二次多項式擬合多個所述單峰片段，得到對應的多個二次多項式；

所述故障規(guī)則庫建立模塊5可以用于根據(jù)多個所述二次多項式，建立包括多個基元序列的故障規(guī)則庫；其中，每一個所述基元序列包括多種基元，多個所述基元序列中的一個或幾個的組合對應一種標準故障趨勢；

所述故障趨勢匹配模塊6可以用于將待診斷故障趨勢在所述故障規(guī)則庫中進行匹配，確定所述待診斷故障趨勢的類型。

本實施方式提供的壓裂施工過程井下故障診斷裝置與本申請壓裂施工過程井下故障診斷方法相對應，可以實現(xiàn)本申請壓裂施工過程井下故障診斷方法的技術(shù)效果，在此不再贅述。

本申請實施方式的壓裂施工過程井下故障診斷方法及裝置，不僅可以對常規(guī)儲層(例如，包括碎屑巖儲層、碳酸鹽巖儲層)壓裂施工過程井下故障進行診斷，還可以對或非常規(guī)儲層(例如，頁巖氣)壓裂施工過程井下故障進行診斷，實際應用效果較佳，診斷結(jié)果準確度較高，為實際壓裂施工具有較大的指導意義。

在20世紀90年代，對于一個技術(shù)的改進可以很明顯地區(qū)分是硬件上的改進(例如，對二極管、晶體管、開關等電路結(jié)構(gòu)的改進)還是軟件上的改進(對于方法流程的改進)。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，當今的很多方法流程的改進已經(jīng)可以視為硬件電路結(jié)構(gòu)的直接改進。設計人員幾乎都通過將改進的方法流程編程到硬件電路中來得到相應的硬件電路結(jié)構(gòu)。因此，不能說一個方法流程的改進就不能用硬件實體模塊來實現(xiàn)。例如，可編程邏輯器件(Programmable Logic Device，PLD)(例如現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA))就是這樣一種集成電路，其邏輯功能由用戶對器件編程來確定。由設計人員自行編程來把一個數(shù)字系統(tǒng)“集成”在一片PLD上，而不需要請芯片制造廠商來設計和制作專用的集成電路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成電路芯片，這種編程也多半改用“邏輯編譯器(logic compiler)”軟件來實現(xiàn)，它與程序開發(fā)撰寫時所用的軟件編譯器相類似，而要編譯之前的原始代碼也得用特定的編程語言來撰寫，此稱之為硬件描述語言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非僅有一種，而是有許多種，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware Description Language)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HDCal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL(Ruby Hardware Description Language)等。目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)與Verilog2。本領域技術(shù)人員也應該清楚，只需要將方法流程用上述幾種硬件描述語言稍作邏輯編程并編程到集成電路中，就可以較容易得到實現(xiàn)該邏輯方法流程的硬件電路。

為了描述的方便，描述以上裝置時以功能分為各種模塊分別描述。當然，在實施本申請時可以把各模塊的功能在同一個或多個軟件和/或硬件中實現(xiàn)。

通過以上的實施方式的描述可知，本領域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本申請可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)?；谶@樣的理解，本申請的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來。在一個典型的配置中，計算設備包括一個或多個處理器(CPU)、輸入/輸出接口、網(wǎng)絡接口和內(nèi)存。該計算機軟件產(chǎn)品可以包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設備等)執(zhí)行本申請各個實施方式或者實施方式的某些部分所述的方法。該計算機軟件產(chǎn)品可以存儲在內(nèi)存中，內(nèi)存可能包括計算機可讀介質(zhì)中的非永久性存儲器，隨機存取存儲器(RAM)和/或非易失性內(nèi)存等形式，如只讀存儲器(ROM)或閃存(flash RAM)。內(nèi)存是計算機可讀介質(zhì)的示例。計算機可讀介質(zhì)包括永久性和非永久性、可移動和非可移動媒體可以由任何方法或技術(shù)來實現(xiàn)信息存儲。信息可以是計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序的模塊或其它數(shù)據(jù)。計算機的存儲介質(zhì)的例子包括，但不限于相變內(nèi)存(PRAM)、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)、其它類型的隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、快閃記憶體或其它內(nèi)存技術(shù)、只讀光盤只讀存儲器(CD-ROM)、數(shù)字多功能光盤(DVD)或其它光學存儲、磁盒式磁帶，磁帶磁磁盤存儲或其它磁性存儲設備或任何其它非傳輸介質(zhì)，可用于存儲可以被計算設備訪問的信息。按照本文中的界定，計算機可讀介質(zhì)不包括短暫電腦可讀媒體(transitory media)，如調(diào)制的數(shù)據(jù)信號和載波。

本說明書中的各個實施方式均采用遞進的方式描述，各個實施方式之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施方式重點說明的都是與其它實施方式的不同之處。尤其，對于裝置實施方式而言，由于其基本相似于方法實施方式，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施方式的部分說明即可。

雖然通過實施方式描繪了本申請，本領域普通技術(shù)人員知道，本申請有許多變形和變化而不脫離本申請的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請的精神。