1、數字化石油鉆井系統框架研究楊傳書在信息技術迅猛發展、市場競爭日益激烈的今天，國內外大公司、大企業紛紛加強信息化建設，優化工作流程，提高技術和管理水平，以期達到提高核心競爭力、創新增效的目的。信息化如何帶動石油勘探開發這個傳統的工業完成新一輪的革命,我國很多石油企業紛紛開始了數字油田的研究與建設。而石油鉆井作為上游業務中耗費投資最大又對石油勘探開發水平產生重大影響的工程技術服務板塊，其信息化也已經得到石油企業的高度重視。在數字油田建設的大背景下，數字化石油鉆井系統建設也已經成為了石油鉆井行業信息化的代名詞。石油鉆井行業的特點及面臨的形勢石油鉆井是石油勘探開發業務流程中最重要的環節之一。它是最直接

2、的勘探手段，只有通過鉆井才能最終確定油氣藏的存在。它是實現石油開發（開采）的惟一途徑，油氣只有通過鉆井井眼才能輸送到地面。鉆井施工作業大多在荒郊野外，而且大多沒有進行過大規模的基礎設施建設，地理條件復雜，對施工現場的管理和技術支持極為不便。目前，世界石油鉆井行業面臨著以下嚴峻的形勢：1技術上，要在越來越復雜的地質條件下達到越來越高的中靶精度；管理上，石油企業需要大幅度降低成本，要求鉆井管理更加精細化、決策更加科學化。2石油鉆井工程涉及到多個學科領域，是一個人員與技術高度密集，集技術、管理與經濟運營等為一體的系統工程，也是融合多學科技術知識的一項綜合工程，要提高整體水平難度很大。3鉆井工程投資大

3、、風險高，鉆井過程中所使用的技術方法和專業技術人員、管理人員所做出的各項決策、制定的方案等都直接關系到鉆井施工的效益和成敗。全世界的鉆井服務商都面臨著前所未有的來自經濟與技術兩個方面的巨大挑戰。國外很多油公司和鉆井工程承包商在這方面走在了我們的前面，他們已經逐步建立起了先進的鉆井信息系統，實現了數字化施工。國外鉆井信息系統的發展情況及特點國外鉆井服務商早在20世紀80年代開始就將信息技術應用到生產指揮中，取得了巨大的經濟效益。到90年代，開始研究建立集鉆井數據采集、數據信息傳輸、鉆井數據庫、鉆井工程設計、鉆井施工監測和鉆井生產指揮為一體的鉆井信息系統。鉆井參數自動采集，生產信息及時送入現場計算

4、機，通過通訊網絡實時傳送到總部信息中心，經過專家會診做出決策，反饋到鉆井現場進行實時監督，指揮鉆井生產。國外比我們提前近10幾年進行鉆井信息技術的開發利用。由于采用了先進的技術及與其相對應的應用系統、應用軟件，將信息技術很好地應用到了鉆井生產中，充分發揮了計算機的優勢，使得鉆井水平、速度有了很大提高?？梢哉f國外鉆井信息技術應用比較成功的國家，鉆井隊已到了離開計算機就無法打井的水平。美國蘭德馬克(LANDMARK)鉆井數據管理平臺實現了鉆井、完井和老井維修數據資料的一體化管理。意大利阿吉樸(AGIP)公司的鉆井信息系統是一套非常先進的鉆井信息系統，其特點是實現了鉆井數據資料的實時采集和處理。整個

5、系統包括數據采集、衛星通訊和數據處理系統三大部分，數據處理系統的開發技術實現了數學模型和人工智能技術的有機結合，對與鉆井工程關系密切的、影響鉆井安全的、經濟的幾個方面作了高水平的開發。BPAmoco，Texaxo和EnterpriseOil等著名石油公司都已實現了一體化的數據管理和決策支持信息系統，有力地支持了公司決策，大大提高了生產效率，有效地降低了生產成本。國外鉆井信息系統普遍存在以下特點：1信息量大，信息覆蓋面廣2網絡健全，應用系統豐富3信息系統充分利用石油鉆井最新技術成果4軟件與生產實際結合緊密5鉆井信息系統基于一體化的解決方案因為信息化建設的投入產生了良好的效益，因此許多大公司敢于不

6、斷加大信息化投資力度，從而產生更大的效益，使得信息化建設已經進入了良性發展軌道。我國石油鉆井信息化建設的差距自20世紀末期，我國石油企業開始了以鉆井資料管理系統應用為代表的鉆井信息化建設。經過多年的探索和實踐，大部分企業都建立了鉆井數據庫，研發或配套了部分應用軟件。這些系統促進了鉆井技術水平的提高，一定程度上降低了鉆井成本，但與國外鉆井信息系統相比仍然存在很大差距，與我們國內鉆井行業的自身要求仍然不相適應。主要表現在：1鉆井數據的自動采集率低、實時性差。目前雖然在自動采集軟件和遠程網絡技術方面取得了很好的進展，但就全國而言應用覆蓋率仍然很低。2各企業的鉆井數據庫建設良莠不齊，都還沒有涵蓋鉆井信

7、息系統相關的全部數據，比如鉆前數據、固井數據、管具數據、HSE數據、專家知識數據以及勘探開發等關聯業務數據等等，使得鉆井信息應用難以得到全面的信息支持。3現有應用系統的集成度和深度不夠。雖然現有的系統在網絡建設、數據采集和數據的查詢、數據處理、鉆井調度等方面都做了不少工作，但是缺乏對數據的更深層次分析處理、綜合利用以及對鉆井全過程的協同管理與指揮功能，鉆井的智能化程度還很低，這些都是勝利鉆井信息系統需要重點解決的問題。4對鉆井信息化的管理滯后。雖然各企業或多或少地建立了相應的考核體系和獎懲制度，但由于管理體制改革力度不夠，導致系統的推廣應用效果不盡人意，尤其是數據不能按規定及時、準確、完整地采

8、集入庫，使得整個系統效率難以充分發揮，這就給后續的許多深層次的信息應用造成很大的阻礙。5基礎設施不能滿足應用需求。我國石油鉆井企業的服務器配置和網絡建設等方面不能滿足不斷增長的數據管理和應用的需求。數字化石油鉆井系統目標及框架數字化石油鉆井系統是包括鉆井數據庫、鉆井應用軟件和鉆井基礎設施在內的鉆井綜合信息系統，是在數字油田的大背景下提出的。數字化石油鉆井系統的建設目標是：建設一套與國際接軌的具有國際先進水平的鉆井信息系統，形成集鉆井基層隊、鉆井專業公司（研究院）、油田總部為一體的，能夠滿足市場開拓、生產、管理、科研、經營、HSE管理等需求的信息體系，提升我國鉆井行業和鉆井企業的核心競爭力。石油

9、鉆井的主流程是從市場信息的收集與分析開始，經過地質設計、工程設計、鉆前以及鉆井施工過程，其中鉆井施工過程還包括管具及井控、欠平衡、泥漿、固井、定向井及取心服務等子流程和錄井、測井、試油（或中途測試）等關聯業務，流程所涉及的單位除了鉆井隊外，還有鉆井設計單位、鉆前施工隊、固井隊、定向技術服務隊、欠平衡服務隊、泥漿服務隊、錄井隊、測井隊、試油隊，以及上層的鉆井公司、鉆井研究機構和技術服務等單位。在全面考慮鉆井全過程所涉及到的數據以及各單位從事生產經營活動所需要的應用功能，從鉆井數據的采集與管理、上層應用、網絡與基礎設施配套等三方面提出數字化石油鉆井的總體框架設計，見圖1。圖1 數字化石油鉆井總體技

10、術框架1.數據采集與管理體系數據采集體系是從滿足鉆井生產業務需求的角度出發，通過數據采集軟件和硬件，將鉆井生產科研、經營管理、后勤支撐、人力資源以及關聯業務等5大類源頭數據按照統一的標準規范進行采集管理，做到各種數據在數據發生的第一時間以統一的格式一次性入庫并通過校驗，直接進入鉆井數據中心集中管理，同時支持上層各類業務管理的應用和數據的深層次處理應用。這些數據在邏輯上構成一個統一的庫，稱為石油鉆井數據中心，其內容構成如圖2所示。圖2 “數字化石油鉆井”數據中心構成生產科研類數據包括鉆井設計、鉆井工程、鉆井實時、鉆井技術標準與規范、鉆井專家知識等5小類。經營管理類數據包括基建、裝備、生產統計、財

11、務、HSE管理、市場信息、企管合同等7小類。后勤支撐類數據可分為鉆前、管具、泥漿、定向、固井、物資供應、運輸、維修、檔案、培訓等10小類。人力資源類數據包括組織、勞資、工會、團委、計生等5小類。外部關聯業務類數據包括勘探、開發、錄井、測井、測試、地面建設等6小類。2.上層應用體系數字化石油鉆井系統還包括很多數據應用型軟件，這些是真正發揮鉆井信息效率的系統，主要分為生產經營管理和專業輔助應用2類，如圖3所示。圖3 數字化石油鉆井上層應用軟件構成生產經營管理類軟件主要由鉆井設計系統、鉆井協同調度指揮系統、鉆井管具管理系統、鉆井基層隊資質管理系統、鉆井HSE管理系統、鉆井質量綜合評價系統、鉆井物流成

12、本管理系統、鉆井企業綜合業務管理系統等MIS系統構成，該類應用主要是圍繞鉆井生產運營組織工作進行的。（1）鉆井設計系統功能主要包括鉆井工程設計和管理、鉆井軌跡設計、固井工藝優化設計、鉆具受力分析、欠平衡鉆井優化設計等。系統應該采用網絡化協同設計思路進行設計，設計結果實現網上共享。（2）鉆井協同調度指揮系統是以GIS為基礎，通過網絡方式將鉆井生產與管理的所有單位和部門組織在一個虛擬辦公室內，通過信息的實時采集和指令的實時傳遞，實現網絡協同調度，從而提高信息的準確性和調度效率。（3）鉆井管具管理系統功能主要包括鉆井管具（管材、鉆具、井控設備等）的準備、跟蹤與管理也是鉆井大流程中的重要組成部分，它幾

13、乎貫穿鉆井全過程。管具管理的效率直接關系到現場管具供應質量和速度，也直接影響整個鉆井質量和速度。鉆井管具管理系統是對管具公司所有管具的整個生命周期進行管理，提高管理水平和服務水平。（4）鉆井基層隊資質管理系統實現對鉆井基層隊伍的規范、量化管理。（5）鉆井HSE管理系統實現對HSE及執行情況進行動態管理與監控。（6）鉆井質量綜合評價系統是對鉆井質量進行綜合評價，主要包含井身質量評價、固井質量評價、井口質量評價、取芯質量評價等。（7）鉆井物流及成本管理系統實現對鉆井物流和鉆井成本管理。（8）綜合業務管理系統主要處理鉆井各單位的日常辦公和管理業務，比如生產動態、公文管理、車輛管理、內部交流、黨政事務

14、等等，各單位的管理方式不同，所要求的功能也不盡相同，但業務項大體相同。專業輔助應用是利用人工智能、專家系統、神經網絡、模糊邏輯、進化計算等新理論與技術同室內試驗相結合，進行鉆井工程計算機建模及數據挖掘，以最大程度地發揮信息資源的優勢。它主要包括鉆井數據綜合處理系統、鉆井地質環境描述及實鉆軌跡描述系統、鉆井專家系統、鉆井計算機模擬系統、隨鉆地震信息處理系統等等，該類應用主要是圍繞鉆井技術專家咨詢決策進行的。各系統的主要功能簡介如下：（1）鉆井數據處理系統主要包括以下部分：鉆井數據分析技術研究；鉆井綜合成本分析；底部鉆具分析；時效分析；與勘探開發數據庫、油藏描述數據庫、測井數據庫、地質錄井數據庫的

15、接口；井身結構和套管的優化設計；對實鉆數據的分析和優化設計；鉆井施工措施實時優化；井眼軌跡設計、預測和監控。（2）鉆井地質環境描述及實鉆軌跡描述系統是對地層構造、設計軌跡、靶點、老井井眼軌跡、正施工井井眼軌跡等進行三維顯示，供現場作業人員用于進行油井路徑和鉆頭空間方位的觀察與監視，并且與事先輸入的鉆井設計數據進行對比，可以為現場作業人員提供鉆頭的實際空間方位與設計空間方位之間的偏離信息，為操作人員控制鉆頭的走向提供可靠的依據，以便隨時調整鉆井工藝，實現可視化鉆井。（3）鉆井專家系統主要是利用強大的數據資源（實鉆數據和經驗數據），結合先進的鉆井技術，建立合理的模型，智能地處理鉆井施工中的各種問題

16、，達到預防和處理事故，提高鉆井速度，降低鉆井成本之目的。（4）鉆井計算機模擬系統在快速準確地提供信息的基礎上，利用數理統計理論、人工智能方法等，建立數學模型，對工程施工提供可選擇的最優方案。（5）隨鉆地震的信息處理系統對鉆頭鉆進過程中鉆頭與鉆遇地層之間的撞擊、摩擦所產生的微弱地震信號作為信號源進行處理，實現鉆井過程時實監測的手段，及時為鉆井工程師和決策者提供相關信息。3.基礎設施配套體系基礎設施保障方面，需要從鉆井基層隊>鉆井公司>油田>集團總部進行一系列的基礎設施建設，建設內容包括數據采集儀器配備、網絡建設、服務器配備以及其他相關設施的配套建設。鉆井基層隊需要配備鉆井參數儀

17、、數據采集計算機和無線上網設備（如GPRS/CDMA卡），在偏遠山區、沙漠和海洋等地施工的鉆井隊還需要配備衛星地面站，以實現數據的遠程傳輸和施工的遠程指揮；鉆井公司以上單位則重點是配備滿足數據管理和應用軟件運行所需的服務器，應該根據所需量力而行，不可盲目貪大。為了生產調度的方便，可以為鉆井公司配備大屏幕等設施，真正實現數字化、可視化調度指揮?；A設施的邏輯部署如圖4所示。圖4 數字化石油鉆井基礎設施邏輯結構效益分析對于石油鉆井這個融合多學科技術知識、投資大、風險高的綜合工程來說，所使用的技術方法以及中、高層專業技術人員和管理人員所做出的各項決策分析、制定的目標方案都直接關系到鉆井施工的效益和成

18、敗。另外，鉆井作業地區從陸地到海洋，從高原到沙漠，復雜多變，地域遼闊，有的自然條件極其惡劣，遠離人煙，偏遠、荒蕪，給施工帶來極大的不便，因此，若仍按石油工業的傳統方式組織和指揮施工，將要耗費巨大的成本和代價。另外，由于地質情況的多變性和復雜性，鉆井工藝技術的發展不僅需要多種理論知識的指導，而更重要的是通過鉆井過程中產生的大量數據資料的分析處理，形成規律性的認識，完善和優化鉆井工藝技術，達到提高鉆井速度、降低鉆井成本、減少鉆井過程對油藏污染的目的。這些都離不開信息技術的應用。數字化石油鉆井系統建設能夠將鉆井實時數據不斷采集、傳輸，經過軟件處理，專家會診后再把決策指令反饋到鉆井隊，實現實時最優化鉆井施工。可以使鉆井和油藏地質人員“透視”地下三維圖像以實時地監督正鉆和待鉆的井身軌跡。系統將綜合運用網絡技術、信息技