数字化石油钻井系统框架研究

1 数字化石油钻井系统框架研究数字化石油钻井系统框架研究 杨传书 在信息技术迅猛发展 市场竞争日益激烈的今天 国内外大公司 大企业纷纷加强信息 化建设 优化工作流程 提高技术和管理水平 以期达到提高核心竞争力 创新增效的目的 信息化如何带动石油勘探开发这个传统的工业完成新一轮的革命 我国很多石油企业纷纷开 始了数字油田的研究与建设 而石油钻井作为上游业务中耗费投资最大又对石油勘探开发水 平产生重大影响的工程技术服务板块 其信息化也已经得到石油企业的高度重视 在数字油 田建设的大背景下 数字化石油钻井系统建设也已经成为了石油钻井行业信息化的代名词 石油钻井行业的特点及面临的石油钻井行业的特点及面临的形势形势 石油钻井是石油勘探开发业务流程中最重要的环节之一 它是最直接的勘探手段 只有 通过钻井才能最终确定油气藏的存在 它是实现石油开发 开采 的惟一途径 油气只有通 过钻井井眼才能输送到地面 钻井施工作业大多在荒郊野外 而且大多没有进行过大规模的 基础设施建设 地理条件复杂 对施工现场的管理和技术支持极为不便 目前 世界石油钻井行业面临着以下严峻的形势 1 技术上 要在越来越复杂的地质条件下达到越来越高的中靶精度 管理上 石油企 业需要大幅度降低成本 要求钻井管理更加精细化 决策更加科学化 2 石油钻井工程涉及到多个学科领域 是一个人员与技术高度密集 集技术 管理与 经济运营等为一体的系统工程 也是融合多学科技术知识的一项综合工程 要提高整体水平 难度很大 3 钻井工程投资大 风险高 钻井过程中所使用的技术方法和专业技术人员 管理人 员所做出的各项决策 制定的方案等都直接关系到钻井施工的效益和成败 全世界的钻井服务商都面临着前所未有的来自经济与技术两个方面的巨大挑战 国外很 多油公司和钻井工程承包商在这方面走在了我们的前面 他们已经逐步建立起了先进的钻井 信息系统 实现了数字化施工 国外钻井信息系统的发展情况国外钻井信息系统的发展情况及特点及特点 国外钻井服务商早在 20 世纪 80 年代开始就将信息技术应用到生产指挥中 取得了巨大 的经济效益 到 90 年代 开始研究建立集钻井数据采集 数据信息传输 钻井数据库 钻 井工程设计 钻井施工监测和钻井生产指挥为一体的钻井信息系统 钻井参数自动采集 生 产信息及时送入现场计算机 通过通讯网络实时传送到总部信息中心 经过专家会诊做出决 策 反馈到钻井现场进行实时监督 指挥钻井生产 国外比我们提前近 10 几年进行钻井信息技术的开发利用 由于采用了先进的技术及与 其相对应的应用系统 应用软件 将信息技术很好地应用到了钻井生产中 充分发挥了计算 机的优势 使得钻井水平 速度有了很大提高 可以说国外钻井信息技术应用比较成功的国 家 钻井队已到了离开计算机就无法打井的水平 美国兰德马克 LANDMARK 钻井数据管理平台实现了钻井 完井和老井维修数据资料的一 体化管理 意大利阿吉朴 AGIP 公司的钻井信息系统是一套非常先进的钻井信息系统 其特 点是实现了钻井数据资料的实时采集和处理 整个系统包括数据采集 卫星通讯和数据处理 系统三大部分 数据处理系统的开发技术实现了数学模型和人工智能技术的有机结合 对与 钻井工程关系密切的 影响钻井安全的 经济的几个方面作了高水平的开发 2 BPAmoco Texaxo 和 EnterpriseOil 等著名石油公司都已实现了一体化的数据管理和决策支 持信息系统 有力地支持了公司决策 大大提高了生产效率 有效地降低了生产成本 国外钻井信息系统普遍存在以下特点 1 信息量大 信息覆盖面广 2 网络健全 应用系统丰富 3 信息系统充分利用石油钻井最新技术成果 4 软件与生产实际结合紧密 5 钻井信息系统基于一体化的解决方案 因为信息化建设的投入产生了良好的效益 因此许多大公司敢于不断加大信息化投资力 度 从而产生更大的效益 使得信息化建设已经进入了良性发展轨道 我国石油钻井信息化建设的我国石油钻井信息化建设的差距差距 自 20 世纪末期 我国石油企业开始了以钻井资料管理系统应用为代表的钻井信息化建 设 经过多年的探索和实践 大部分企业都建立了钻井数据库 研发或配套了部分应用软件 这些系统促进了钻井技术水平的提高 一定程度上降低了钻井成本 但与国外钻井信息系统 相比仍然存在很大差距 与我们国内钻井行业的自身要求仍然不相适应 主要表现在 1 钻井数据的自动采集率低 实时性差 目前虽然在自动采集软件和远程网络技术方 面取得了很好的进展 但就全国而言应用覆盖率仍然很低 2 各企业的钻井数据库建设良莠不齐 都还没有涵盖钻井信息系统相关的全部数据 比如钻前数据 固井数据 管具数据 HSE 数据 专家知识数据以及勘探开发等关联业务数 据等等 使得钻井信息应用难以得到全面的信息支持 3 现有应用系统的集成度和深度不够 虽然现有的系统在网络建设 数据采集和数据 的查询 数据处理 钻井调度等方面都做了不少工作 但是缺乏对数据的更深层次分析处理 综合利用以及对钻井全过程的协同管理与指挥功能 钻井的智能化程度还很低 这些都是胜 利钻井信息系统需要重点解决的问题 4 对钻井信息化的管理滞后 虽然各企业或多或少地建立了相应的考核体系和奖惩制 度 但由于管理体制改革力度不够 导致系统的推广应用效果不尽人意 尤其是数据不能按 规定及时 准确 完整地采集入库 使得整个系统效率难以充分发挥 这就给后续的许多深 层次的信息应用造成很大的阻碍 5 基础设施不能满足应用需求 我国石油钻井企业的服务器配置和网络建设等方面不 能满足不断增长的数据管理和应用的需求 数字化石油钻井系统目标及框架数字化石油钻井系统目标及框架 数字化石油钻井系统是包括钻井数据库 钻井应用软件和钻井基础设施在内的钻井综合 信息系统 是在数字油田的大背景下提出的 数字化石油钻井系统的建设目标是 建设一套 与国际接轨的具有国际先进水平的钻井信息系统 形成集钻井基层队 钻井专业公司 研究 院 油田总部为一体的 能够满足市场开拓 生产 管理 科研 经营 HSE 管理等需求的 信息体系 提升我国钻井行业和钻井企业的核心竞争力 石油钻井的主流程是从市场信息的收集与分析开始 经过地质设计 工程设计 钻前以 及钻井施工过程 其中钻井施工过程还包括管具及井控 欠平衡 泥浆 固井 定向井及取 心服务等子流程和录井 测井 试油 或中途测试 等关联业务 流程所涉及的单位除了钻 井队外 还有钻井设计单位 钻前施工队 固井队 定向技术服务队 欠平衡服务队 泥浆 服务队 录井队 测井队 试油队 以及上层的钻井公司 钻井研究机构和技术服务等单位 在全面考虑钻井全过程所涉及到的数据以及各单位从事生产经营活动所需要的应用功能 3 从钻井数据的采集与管理 上层应用 网络与基础设施配套等三方面提出数字化石油钻井的 总体框架设计 见图 1 生生产产 经经营营管管理理应应用用系系统统 专专业业辅辅助助应应用用系系统统 数数据据挖挖掘掘等等深深层层次次 管管 理理 制制 度度 与与 考考 核核 措措 施施 网网 络络 与与 基基 础础 设设 施施 生产科研 经营管理 后勤支撑 人力资源 劳资工会团委计生 钻前管具泥浆 HSE 定向 基建装备生产财务 标准规范钻井设计钻井工程钻井实时 外部关联 测井 录井 测试 勘探 专家知识 市场 开发 固井供应运输维修 组织 档案培训 企管 数数 据据 存存 储储 系系 统统 数数据据采采集集系系统统 软软件件 数数据据质质量量监监控控与与管管理理系系统统 数数据据发发布布与与检检索索系系统统 地面 上层 应用 数据 中心 基础 保障 图 1 数字化石油钻井总体技术框架 1 1 数据数据采集与管理体系采集与管理体系 数据采集体系是从满足钻井生产业务需求的角度出发 通过数据采集软件和硬件 将钻 井生产科研 经营管理 后勤支撑 人力资源以及关联业务等 5 大类源头数据按照统一的标 准规范进行采集管理 做到各种数据在数据发生的第一时间以统一的格式一次性入库并通过 校验 直接进入钻井数据中心集中管理 同时支持上层各类业务管理的应用和数据的深层次 处理应用 这些数据在逻辑上构成一个统一的库 称为石油钻井数据中心 其内容构成如图 2 所示 4 生产科研 经营管理 后勤支撑 人力资源 劳资工会团委计生 钻前管具泥浆 HSE 定向 基建装备生产财务 标准规范钻井设计钻井工程钻井实时 外部关联 测井 录井 测试 勘探 专家知识 市场 开发 固井供应运输维修 组织 档案培训 企管 数 据 存 储 系 统 数据采集系统 软件 数据质量监控与维护系统 数据发布与检索系统 地面 图 2 数字化石油钻井 数据中心构成 生产科研类数据包括钻井设计 钻井工程 钻井实时 钻井技术标准与规范 钻井专家 知识等 5 小类 经营管理类数据包括基建 装备 生产统计 财务 HSE 管理 市场信息 企管合同等 7 小类 后勤支撑类数据可分为钻前 管具 泥浆 定向 固井 物资供应 运输 维修 档案 培训等 10 小类 人力资源类数据包括组织 劳资 工会 团委 计生等 5 小类 外部关联业务类数据包括勘探 开发 录井 测井 测试 地面建设等 6 小类 2 2 上层应用体系上层应用体系 数字化石油钻井系统还包括很多数据应用型软件 这些是真正发挥钻井信息效率的系统 主要分为生产经营管理和专业辅助应用 2 类 如图 3 所示 5 生生产产 经经营营管管理理应应用用系系统统 专专业业辅辅助助应应用用系系统统 数数据据挖挖掘掘等等深深层层次次 钻钻井井设设计计系系统统 钻钻井井协协同同调调度度指指挥挥系系统统 钻钻井井管管具具管管理理系系统统 钻钻井井基基层层队队资资质质管管理理系系统统 钻钻井井H HS SE E管管理理系系统统 钻钻井井质质量量综综合合评评价价系系统统 钻钻井井物物流流及及成成本本管管理理系系统统 综综合合业业务务管管理理系系统统 钻钻井井财财务务网网上上结结算算系系统统 钻钻井井数数据据综综合合处处理理系系统统 钻钻井井地地质质环环境境描描述述及及实实钻钻轨轨迹迹描描述述系系统统 钻钻井井专专家家系系统统 钻钻井井计计算算机机模模拟拟系系统统 随随钻钻地地震震信信息息处处理理系系统统 专专家家咨咨询询决决策策中中心心 生生产产运运营营组组织织中中心心 图 3 数字化石油钻井上层应用软件构成 生产经营管理类软件主要由钻井设计系统 钻井协同调度指挥系统 钻井管具管理系统 钻井基层队资质管理系统 钻井 HSE 管理系统 钻井质量综合评价系统 钻井物流成本管理 系统 钻井企业综合业务管理系统等 MIS 系统构成 该类应用主要是围绕钻井生产运营组织 工作进行的 1 钻井设计系统功能主要包括钻井工程设计和管理 钻井轨迹设计 固井工艺优化 设计 钻具受力分析 欠平衡钻井优化设计等 系统应该采用网络化协同设计思路进行设计 设计结果实现网上共享 2 钻井协同调度指挥系统是以 GIS 为基础 通过网络方式将钻井生产与管理的所有 单位和部门组织在一个虚拟办公室内 通过信息的实时采集和指令的实时传递 实现网络协 同调度 从而提高信息的准确性和调度效率 3 钻井管具管理系统功能主要包括钻井管具 管材 钻具 井控设备等 的准备 跟踪与管理也是钻井大流程中的重要组成部分 它几乎贯穿钻井全过程 管具管理的效率直 接关系到现场管具供应质量和速度 也直接影响整个钻井质量和速度 钻井管具管理系统是 对管具公司所有管具的整个生命周期进行管理 提高管理水平和服务水平 4 钻井基层队资质管理系统实现对钻井基层队伍的规范 量化管理 5 钻井 HSE 管理系统实现对 HSE 及执行情况进行动态管理与监控 6 钻井质量综合评价系统是对钻井质量进行综合评价 主要包含井身质量评价 固 井质量评价 井口质量评价 取芯质量评价等 7 钻井物流及成本管理系统实现对钻井物流和钻井成本管理 8 综合业务管理系统主要处理钻井各单位的日常办公和管理业务 比如生产动态 公文管理 车辆管理 内部交流 党政事务等等 各单位的管理方式不同 所要求的功能也 不尽相同 但业务项大体相同 专业辅助应用是利用人工智能 专家系统 神经网络 模糊逻辑 进化计算等新理论与 技术同室内试验相结合 进行钻井工程计算机建模及数据挖掘 以最大程度地发挥信息资源 的优势 它主要包括钻井数据综合处理系统 钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统 钻井 专家系统 钻井计算机模拟系统 随钻地震信息处理系统等等 该类应用主要是围绕钻井技 6 术专家咨询决策进行的 各系统的主要功能简介如下 1 钻井数据处理系统主要包括以下部分 钻井数据分析技术研究 钻井综合成本分 析 底部钻具分析 时效分析 与勘探开发数据库 油藏描述数据库 测井数据库 地质录 井数据库的接口 井身结构和套管的优化设计 对实钻数据的分析和优化设计 钻井施工措 施实时优化 井眼轨迹设计 预测和监控 2 钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统是对地层构造 设计轨迹 靶点 老井井 眼轨迹 正施工井井眼轨迹等进行三维显示 供现场作业人员用于进行油井路径和钻头空间 方位的观察与监视 并且与事先输入的钻井设计数据进行对比 可以为现场作业人员提供钻 头的实际空间方位与设计空间方位之间的偏离信息 为操作人员控制钻头的走向提供可靠的 依据 以便随时调整钻井工艺 实现可视化钻井 3 钻井专家系统主要是利用强大的数据资源 实钻数据和经验数据 结合先进的钻 井技术 建立合理的模型 智能地处理钻井施工中的各种问题 达到预防和处理事故 提高 钻井速度 降低钻井成本之目的 4 钻井计算机模拟系统在快速准确地提供信息的基础上 利用数理统计理论 人工 智能方法等 建立数学模型 对工程施工提供可选择的最优方案 5 随钻地震的信息处理系统对钻头钻进过程中钻头与钻遇地层之间的撞击 摩擦所 产生的微弱地震信号作为信号源进行处理 实现钻井过程时实监测的手段 及时为钻井工程 师和决策者提供相关信息 3 3 基础设施配套体系基础设施配套体系 基础设施保障方面 需要从钻井基层队 钻井公司 油田 集团总部进行一系列的 基础设施建设 建设内容包括数据采集仪器配备 网络建设 服务器配备以及其他相关设施 的配套建设 钻井基层队需要配备钻井参数仪 数据采集计算机和无线上网设备 如 GPRS CDMA 卡 在偏远山区 沙漠和海洋等地施工的钻井队还需要配备卫星地面站 以实现 数据的远程传输和施工的远程指挥 钻井公司以上单位则重点是配备满足数据管理和应用软 件运行所需的服务器 应该根据所需量力而行 不可盲目贪大 为了生产调度的方便 可以 为钻井公司配备大屏幕等设施 真正实现数字化 可视化调度指挥 基础设施的逻辑部署如 图 4 所示 7 卫星 钻钻井井分分公公司司存存储储 软软件件应应用用 卫卫星星站站 钻钻井井分分公公司司存存储储 软软件件应应用用 钻钻井井队队 计计算算机机 参参数数仪仪 G GP PR RS S C CD DM MA A 钻钻井井队队 摄摄像像机机 卫卫星星站站 计计算算机机 参参数数仪仪 管管具具公公司司存存储储 软软件件应应用用 固固井井公公司司存存储储 软软件件应应用用 钻钻井井技技术术公公司司 存存储储 软软件件应应用用 主主干干网网 千兆网 千兆网 千兆网 千兆网 千兆网 千兆网 油油田田总总部部软软件件应应用用 IBM 存存储储 千兆网 大大屏屏幕幕 7 7 钻钻井井总总公公司司存存储储 软软件件应应用用 图 4 数字化石油钻井基础设施逻辑结构 效益分析效益分析 对于石油钻井这个融合多学科技术知识 投资大 风险高的综合工程来说 所使