現(xiàn)代信息技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用研究——關(guān)于鉆井信息工程學(xué)的探討

馬鵬鵬 （中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206）

周英操，蔣宏偉，連志龍，趙慶，趙亦朋 （中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206）

石油鉆井工程投資巨大，風(fēng)險(xiǎn)性很強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆井費(fèi)用一般要占油氣勘探開發(fā)總費(fèi)用的40%左右［1］。為了有效地控制鉆井施工成本，獲取更多利益，國內(nèi)外致力于研究各種新技術(shù)［2，3］來提高鉆井效率、降低鉆井成本。近年來，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，其在鉆井工程中的應(yīng)用越來越多，比如隨鉆測量工具、井下閉環(huán)鉆井系統(tǒng)、鉆井工程設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)控制軟件和生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)等都是以現(xiàn)代信息技術(shù)為核心所研發(fā)?，F(xiàn)代信息技術(shù)能夠大幅提高石油鉆井水平和降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，鉆井工程的發(fā)展也越來越依賴于信息技術(shù)。鑒于此，國家科技重大專項(xiàng)設(shè)立專項(xiàng)課題，旨在促進(jìn)我國鉆井信息化進(jìn)程。在課題開展和攻關(guān)階段，發(fā)現(xiàn)我國缺乏大量兼具鉆井工程和現(xiàn)代信息技術(shù)交叉知識(shí)的人才。因此，在分析現(xiàn)代信息技術(shù)的內(nèi)涵、鉆井工程技術(shù)發(fā)展歷程和信息技術(shù)在鉆井工程中的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，筆者探索性提出了建立“鉆井信息工程學(xué)”這一學(xué)科分支的構(gòu)想，以求培養(yǎng)大量具備鉆井和信息技術(shù)復(fù)合知識(shí)的人才，滿足行業(yè)的強(qiáng)烈需求。筆者著重介紹了鉆井信息工程學(xué)基礎(chǔ)理論、基本問題、學(xué)科框架和主要研究內(nèi)容。

1 鉆井信息工程學(xué)產(chǎn)生的背景

1.1 現(xiàn)代信息技術(shù)的內(nèi)涵

信息技術(shù)是指信息的獲取、整理、加工、存儲(chǔ)、傳遞和利用過程中所采用的技術(shù)和方法?，F(xiàn)代信息技術(shù)自20世紀(jì)60年代開始發(fā)展［4，5］，主要包括電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、信息傳遞技術(shù)和信息技術(shù)應(yīng)用方法。發(fā)展歷程包括：信息處理、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)發(fā)展，信息獲取技術(shù)發(fā)展，依賴信息技術(shù)應(yīng)用提高現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的信息化階段。

現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用主要包括計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)、應(yīng)用軟件開發(fā)工具等。軟件技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用的核心，已成為推進(jìn)信息化的核心技術(shù)，特別是嵌入式軟件的發(fā)展使軟件走出了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，促進(jìn)了智能化的發(fā)展，例如井下閉環(huán)鉆井技術(shù)中所應(yīng)用的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在基礎(chǔ)學(xué)科中的應(yīng)用及和其他學(xué)科的融合，促進(jìn)了新興學(xué)科 （如計(jì)算物理、計(jì)算化學(xué)等）和交叉學(xué)科 （如人工智能、電子商務(wù)等）的產(chǎn)生和發(fā)展。而現(xiàn)代信息技術(shù)在石油鉆井工程中的應(yīng)用，促進(jìn)了鉆井信息工程技術(shù)的逐步發(fā)展，使得石油行業(yè)對掌握現(xiàn)代信息技術(shù)和油氣井工程交叉知識(shí)的專業(yè)人才的需求也越來越強(qiáng)烈。

1.2 現(xiàn)代信息技術(shù)在石油鉆井工程中的發(fā)展應(yīng)用

1.2.1 石油鉆井信息技術(shù)的主要成就

目前為止，石油鉆井信息化成就主要包括2個(gè)方面［6～12］：一是新技術(shù)的配套軟件，包括井下信息實(shí)時(shí)采集工具 （如CGDS－Ⅰ近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）的嵌入式軟件和水平井鉆井、多分支井鉆井、控壓鉆井等新技術(shù)的配套軟件；二是鉆井工程管理、設(shè)計(jì)和監(jiān)測軟件系統(tǒng)，包括生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)，鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存和管理軟件系統(tǒng)，鉆井工程設(shè)計(jì)軟件，仿真監(jiān)測軟件等，比如美國哈里伯頓公司開發(fā)的Landmark，斯倫貝謝公司開發(fā)的Osprey Drilling，BP與斯倫貝謝公司的無意外風(fēng)險(xiǎn)鉆井技術(shù)（NDS），挪威的eDrilling系統(tǒng)等。

1.2.2 從鉆井的生命周期看現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用

1）現(xiàn)代信息技術(shù)在鉆井設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用 設(shè)計(jì)階段的主要內(nèi)容包括：地層壓力預(yù)測、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、套管柱設(shè)計(jì)、井眼軌跡設(shè)計(jì)、水力分析計(jì)算、井眼穩(wěn)定性分析、固井設(shè)計(jì)與模擬、鉆井液分析與設(shè)計(jì)、鉆具組合設(shè)計(jì)、摩阻扭矩計(jì)算、定向井水平井計(jì)算等。

開發(fā)相應(yīng)軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，輔助完成鉆井方案設(shè)計(jì)，可以大幅提高工作效率，降低時(shí)間成本和人工成本。然后，借助鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制軟件系統(tǒng)對鉆井方案進(jìn)行仿真分析，預(yù)測可能遇到的井下風(fēng)險(xiǎn)，并采取措施規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)來避免損失。

2）現(xiàn)代信息技術(shù)在鉆井施工階段的應(yīng)用 ①硬件方面：在隨鉆采集工具和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，鉆井信息系統(tǒng)可以自動(dòng)采集處理實(shí)時(shí)的井下鉆井?dāng)?shù)據(jù)。在地面還有地質(zhì)綜合錄井儀和鉆井參數(shù)儀兩大類信息采集工具。這些硬件技術(shù)是鉆井?dāng)?shù)字化施工的基礎(chǔ)，是安全高效快速鉆井的信息保障。另外，可以通過在井場建立局域網(wǎng)，連接到鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集工具和系統(tǒng)上，并通過衛(wèi)星與基地相連接，建立虛擬辦公環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在基地對鉆井現(xiàn)場的監(jiān)督、管理與決策。②軟件方面：應(yīng)用軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隨鉆實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)庫的管理，數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸、鉆井信息的三維可視化和鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制，配合鉆井專家的分析來指導(dǎo)鉆井施工。還有更先進(jìn)的閉環(huán)自動(dòng)鉆井技術(shù)，將軟件嵌入到井下鉆進(jìn)工具中，最大限度地避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

3）現(xiàn)代信息技術(shù)在鉆后評估階段的應(yīng)用 完鉆后，將鉆井設(shè)計(jì)和施工階段采取的措施和相應(yīng)的效果及鉆井中發(fā)生的其他信息采集到數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行綜合分析處理并回顧學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，評估項(xiàng)目效率和效益，生成輔助決策信息，并更新鉆井模型數(shù)據(jù)庫和專家知識(shí)庫，為將來的鉆井工程提供參考。

1.2.3 從鉆井的發(fā)展階段看現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用

鉆井技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了4個(gè)階段［13，14］：第1階段為1920年以前的經(jīng)驗(yàn)鉆井階段；第2階段為隨后30年 （即20世紀(jì)50年代之前）的鉆井發(fā)展階段；第3階段為20世紀(jì)50年代～20世紀(jì)80年代的科學(xué)化鉆井前期階段，主要發(fā)展了噴射鉆井技術(shù)、優(yōu)選參數(shù)鉆井技術(shù)、平衡壓力鉆井技術(shù)、叢式井鉆井技術(shù)及高效鉆頭技術(shù)、井控技術(shù)、保護(hù)油氣層技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)；第4階段為20世紀(jì)80年代中期至目前為止的科學(xué)化鉆井后期階段，以鉆井信息化、可視化、智能化為特點(diǎn)向全自動(dòng)化鉆井方向發(fā)展。

鉆井發(fā)展的現(xiàn)階段，以全自動(dòng)化鉆井為目標(biāo)的鉆井關(guān)鍵技術(shù)中對信息技術(shù)的應(yīng)用主要包括：鉆井信息的實(shí)時(shí)檢測、傳輸技術(shù)，包括最新的地質(zhì)導(dǎo)向、地面和隨鉆測量技術(shù)等；鉆井信息的實(shí)時(shí)處理和分析技術(shù)，包括鉆井信息的數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)共享、信息的三維可視化等技術(shù)；鉆井過程計(jì)算機(jī)智能控制、決策技術(shù)，將人工智能和專家系統(tǒng)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)鉆井的全自動(dòng)化。

1.2.4 我國石油鉆井軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國自主開發(fā)的鉆井軟件體系［15］分散、生命周期短、影響范圍小、規(guī)模水平低，存在重復(fù)開發(fā)現(xiàn)象，不同系統(tǒng)之間多相互獨(dú)立，由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等造成信息數(shù)據(jù)很難甚至根本不能進(jìn)行交流和共享；對國外的同類應(yīng)用軟件存在重復(fù)引進(jìn)現(xiàn)象，造成資金、人員等的浪費(fèi)。

1.2.5 發(fā)展石油鉆井信息技術(shù)的必要性

鉆井工程從鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)決策和鉆井風(fēng)險(xiǎn)分析等整個(gè)鉆井過程，都需要在軟件的支撐下才得以實(shí)現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井的必要手段。鉆井軟件支持了從設(shè)計(jì)、施工到總結(jié)的整個(gè)鉆井過程，使鉆井工程設(shè)計(jì)和鉆井施工實(shí)時(shí)優(yōu)化對鉆井軟件的依賴逐步增強(qiáng)。對于復(fù)雜井的各種鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，需要大量的鉆井軟件提供支持。另外，鉆井新技術(shù)、新裝備的發(fā)展對專用軟件的需求逐步增強(qiáng)，如欠平衡鉆井、控壓鉆井、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井、連續(xù)管鉆井等均需要配套的專用軟件。將信息技術(shù)應(yīng)用于鉆井工程數(shù)據(jù)庫、鉆井工程生產(chǎn)及技術(shù)管理、鉆井工程設(shè)計(jì)和鉆井決策控制系統(tǒng)等方面，可以大幅度縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效控制并避免鉆井風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

鉆井信息是鉆井技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)，創(chuàng)新性鉆井技術(shù)的發(fā)展都必須依賴于信息采集和處理技術(shù)的進(jìn)步和突破。發(fā)展石油鉆井信息技術(shù)必須從3個(gè)角度出發(fā)：①堅(jiān)持不懈地開展鉆井基礎(chǔ)理論研究，這是實(shí)現(xiàn)鉆井信息化、自動(dòng)化、智能化和科學(xué)鉆井的基礎(chǔ)。②研究測量工具的應(yīng)用，應(yīng)該了解各種測量工具的基本原理和性能，研究對所有可測鉆井參數(shù)進(jìn)行處理的理論方法，建立一系列的處理各鉆井參數(shù)的理論分析模型。③開發(fā)一體化、自動(dòng)化的鉆井軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆井信息采集實(shí)時(shí)化、鉆井信息傳輸集成化和鉆井過程可視化；利用現(xiàn)代信息技術(shù)、專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和人工智能方法實(shí)現(xiàn)鉆井決策智能化。

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井，在發(fā)展日益加快的鉆井信息采集工具的基礎(chǔ)上，需要加快研究工具的應(yīng)用和研發(fā)鉆井一體化軟件系統(tǒng)，加深對信息采集、處理和分析的基礎(chǔ)理論和工程模型的研究，而這一切都需要專門的交叉性人才來完成，因此可以預(yù)見，鉆井信息工程學(xué)將對鉆井自動(dòng)化的發(fā)展提供重要的理論基礎(chǔ)支持和專業(yè)的人才，對新時(shí)期石油的勘探開發(fā)生產(chǎn)有著重要的意義。

1.3 鉆井工程中涉及到現(xiàn)代信息技術(shù)的問題

鉆井信息工程學(xué)將涉及鉆井信息采集工具的研發(fā)、鉆井信息的管理、鉆井工程的設(shè)計(jì)和鉆井過程的控制等問題 （圖1）。

圖1 鉆井信息工程學(xué)涉及的問題

如圖1所示，鉆井信息工程學(xué)涉及到現(xiàn)代信息技術(shù)的問題主要包括：①鉆井?dāng)?shù)據(jù)信息采集與處理技術(shù)，即對鉆井?dāng)?shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和應(yīng)用的技術(shù)；②開發(fā)軟件完成鉆井設(shè)計(jì)與施工過程中復(fù)雜的分析計(jì)算工作，比如力學(xué)分析、方案設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)監(jiān)測等；③鉆井信息管理所需硬件設(shè)備的配置，如測量工具、傳輸設(shè)備和接收設(shè)備等。

2 鉆井信息工程技術(shù)國內(nèi)研究進(jìn)展

2.1 鉆井工程理論基礎(chǔ)研究

鉆井工程的計(jì)算主要涉及到管柱力學(xué)、流體力學(xué)和巖石力學(xué)等內(nèi)容。近些年，各石油公司研究院和石油高校在這一領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)方面做了大量的研究。對于井下管柱［16～18］在壓扭作用下的力學(xué)行為、鉆頭的造斜力計(jì)算進(jìn)行了深入的研究，用有限元、加權(quán)余量等數(shù)值分析方法進(jìn)行定量求解，為井眼軌跡的預(yù)測創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)。在鉆井流體的單相流、液氣兩相流、油氣水三相流等方面都有了一定的進(jìn)展［19，20］。而對于巖石力學(xué)方面［21～23］，已經(jīng)由力學(xué)分析向著力學(xué)與化學(xué)耦合研究的方向發(fā)展。

這些理論方面的研究進(jìn)展為發(fā)展鉆井信息工程技術(shù)提供了前提條件，將最新的理論模型應(yīng)用于相關(guān)的軟件系統(tǒng)中，提高了軟件的實(shí)用性與準(zhǔn)確性。

2.2 鉆井信息化的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

鉆井?dāng)?shù)據(jù)包括鉆井歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，主要來源于地面測量數(shù)據(jù)，井下測量數(shù)據(jù) （地質(zhì)數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)、鉆進(jìn)數(shù)據(jù)等）和外部數(shù)據(jù) （鄰井?dāng)?shù)據(jù)、區(qū)塊數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)、工具特性數(shù)據(jù)、人員情況數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)）等。目前，國外的石油公司都建立了自己的信息數(shù)據(jù)庫，充分利用鉆井?dāng)?shù)據(jù)提高鉆井水平。而對國內(nèi)來講，雖然對鉆井?dāng)?shù)據(jù)的分析利用技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析向著深層次的建立數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的方向發(fā)展，在數(shù)據(jù)挖掘理論體系，數(shù)據(jù)挖掘算法的效率和處理能力，分布式挖掘和實(shí)時(shí)挖掘，半結(jié)構(gòu)和無結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)類型的挖掘等幾個(gè)方面都進(jìn)行了大量的研究工作［24～29］。但是，由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，使得不同油田之間、科研單位和油田之間的數(shù)據(jù)共享困難，不利于科研工作的進(jìn)行，在一定程度上掣肘了研究工作進(jìn)展。

2.3 在鉆井風(fēng)險(xiǎn)控制方面的研究

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始研究利用計(jì)算機(jī)分析鉆井事故，進(jìn)行鉆井復(fù)雜診斷與處理的應(yīng)用。眾多學(xué)者在這一領(lǐng)域要解決的許多難題方面進(jìn)行了大量的研究工作，取得了一系列的階段性成果［30～36］，其中包括對逆向推理、不確定反向推理、案例推理、規(guī)則推理、模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等鉆井復(fù)雜與事故類型的診斷理論，還研究了遠(yuǎn)程鉆井事故診斷的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，特別是對鉆井參數(shù)特征和鉆井風(fēng)險(xiǎn)因素的提取方法做了理論研究。為利用鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對鉆井井下風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測分析創(chuàng)造了非常有利的條件。

雖然國內(nèi)也取得了一定的成就，但在利用鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)形成完整的鉆井軟件進(jìn)行鉆井現(xiàn)場施工指導(dǎo)方面，距國外的技術(shù)水平還有相當(dāng)大的差距。因此還需投入大量人力物力去開發(fā)一體化的鉆井軟件系統(tǒng)。

2.4 在產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用方面的一些成果

近些年，國內(nèi)的一些軟件公司和高校在鉆井工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、鉆井信息采集與傳輸系統(tǒng)、鉆井信息管理系統(tǒng)、鉆井信息可視化處理系統(tǒng)和鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)等方面都做了一定的工作，取得了一些成果。比如，鉆井工程設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)、Navigator定向井水平井軌跡設(shè)計(jì)及計(jì)算分析系統(tǒng)、井場信息集成平臺(tái)系統(tǒng)、井場信息遠(yuǎn)程傳輸及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)、鉆井信息管理系統(tǒng)軟件、鉆井信息管理與工程服務(wù)系統(tǒng)、石油工程技術(shù)服務(wù)信息管理平臺(tái)、三維地質(zhì)模型軟件系統(tǒng)、鉆井事故復(fù)雜遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)、鉆井工程監(jiān)測與輔助決策系統(tǒng)、欠平衡鉆井壓力控制監(jiān)測系統(tǒng)、欠平衡鉆井動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件等。

通過這些成果調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國鉆井軟件存在體系分散、重復(fù)開發(fā)的特點(diǎn)，缺乏統(tǒng)一的管理與推廣應(yīng)用，影響鉆井信息化水平的發(fā)展，且造成了資金和人員等的浪費(fèi)。

鑒于這種現(xiàn)象，中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院聯(lián)合眾多鉆探公司及石油院校，共同開展攻關(guān)，發(fā)展我國鉆井信息技術(shù)，并取得了階段性研究成果。開發(fā)了鉆井工程設(shè)計(jì)軟件；鉆井工程設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)；鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；鉆井工程設(shè)計(jì)和工藝專用軟件系統(tǒng)；鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控與技術(shù)決策系統(tǒng)。經(jīng)過大量實(shí)鉆井的實(shí)例驗(yàn)證，這些軟件系統(tǒng)符合率和實(shí)用性較高，取得了初步成果。

3 鉆井信息工程學(xué)的學(xué)科框架與基本問題

3.1 若干基本問題

3.1.1 定義

鉆井信息工程學(xué)是以鉆井工程技術(shù)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代信息技術(shù)為核心，研究鉆井工程中信息的采集、傳輸、儲(chǔ)存、處理與應(yīng)用以及信息數(shù)據(jù)挖掘的所有技術(shù)和方法的一個(gè)學(xué)科分支。這一定義包含著兩方面的內(nèi)容，一是為鉆井工程數(shù)據(jù)的采集、傳輸、儲(chǔ)存、管理提供技術(shù)，主要是將數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)庫中以備應(yīng)用；二是對鉆井?dāng)?shù)據(jù)的分析處理技術(shù)，在對數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鉆井工程設(shè)計(jì)、鉆井過程控制、鉆后總結(jié)評價(jià)等鉆井各階段的工作。

它是現(xiàn)代信息技術(shù)和油氣井工程相結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。它可以作為油氣井工程下屬的一個(gè)新的學(xué)科分支。它涉及到整個(gè)鉆井過程中鉆井信息采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和應(yīng)用的基礎(chǔ)理論及相關(guān)軟件產(chǎn)品的開發(fā)。

3.1.2 研究對象、目的和性質(zhì)

鉆井信息工程學(xué)的研究對象是涉及鉆井工程各個(gè)階段的現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用問題。它主要基于先進(jìn)的測量工具，研究鉆井信息的處理技術(shù)和應(yīng)用方法。

研究鉆井信息工程學(xué)的主要目的是為了認(rèn)清現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于鉆井工程的方法，從理論上研究鉆井信息的處理、分析和應(yīng)用，從實(shí)踐上開發(fā)可靠穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)，從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上高快好省地解決工程問題。

復(fù)雜的勘探開發(fā)地質(zhì)條件和現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展決定了鉆井信息工程學(xué)的難度、復(fù)雜性和特點(diǎn)，也決定了鉆井信息工程學(xué)這一分支學(xué)科的研究性質(zhì)，即是一門理論性、應(yīng)用性都很突出的站在時(shí)代前沿的多學(xué)科交叉的工程應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

3.1.3 學(xué)科特點(diǎn)

綜上所述，鉆井信息工程學(xué)是集理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、軟件開發(fā)和現(xiàn)場應(yīng)用于一體的工程技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)代信息技術(shù)和鉆井技術(shù)的結(jié)合與交叉是其主要的特點(diǎn)。主要特征為：以鉆井自動(dòng)化為目標(biāo)，以現(xiàn)代信息技術(shù)為核心，以鉆井基礎(chǔ)理論為基礎(chǔ)，以鉆井測量技術(shù)為基準(zhǔn)，以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)為手段。

3.2 鉆井信息工程學(xué)的學(xué)科框架

鉆井信息工程學(xué)由以下4個(gè)基本部分組成。

1）理論基礎(chǔ) 這一學(xué)科分支的理論基礎(chǔ)是鉆井信息采集和處理的技術(shù)、鉆井工程的理論模型和算法實(shí)現(xiàn)、鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析處理方法。

由于井下作業(yè)的復(fù)雜性，必須研究對采集到的鉆井信息的質(zhì)量管理技術(shù)，以確定各鉆井參數(shù)的正確性和適用性。進(jìn)行鉆井工程設(shè)計(jì)必須進(jìn)行一系列的鉆井工程設(shè)計(jì)計(jì)算模型 （包括巖石力學(xué)分析、摩阻扭矩分析、機(jī)械鉆速分析、井壁穩(wěn)定分析、鉆柱振動(dòng)分析等）的研究。還要研究對鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的技術(shù)和方法，結(jié)合實(shí)時(shí)鉆井信息、專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆井過程的風(fēng)險(xiǎn)診斷與自動(dòng)決策控制，最終實(shí)現(xiàn)鉆井全自動(dòng)化。

2）技術(shù)基礎(chǔ) 這一學(xué)科分支的技術(shù)基礎(chǔ)是現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)的鉆井信息采集與傳輸工具。鉆井測量工具的發(fā)展日新月異，要緊跟時(shí)代前沿技術(shù)，研究各種測量工具的可測參數(shù)的處理方法，以及這些參數(shù)在進(jìn)行鉆井工程設(shè)計(jì)、施工和鉆后總結(jié)階段的用途。

3）產(chǎn)品開發(fā) 這一學(xué)科分支的目的是為了研究開發(fā)鉆井各階段應(yīng)用的各種新的鉆井裝備嵌套所需要的各種設(shè)計(jì)、監(jiān)測、分析和控制的軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)鉆井的全過程自動(dòng)化。軟件系統(tǒng)的廣闊應(yīng)用范圍和鉆井工程的實(shí)際需求，決定了鉆井信息工程學(xué)這一分支必將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并可望以此為基礎(chǔ)形成一條完整的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。

4）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)方法 配套的實(shí)驗(yàn)室是鉆井信息工程學(xué)的重要手段和基礎(chǔ)。對先進(jìn)的測量工具的研究和試驗(yàn)性應(yīng)用需要以實(shí)驗(yàn)室為環(huán)境，鉆井模型算法的準(zhǔn)確性需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終開發(fā)的軟件系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。

綜上所述，產(chǎn)品開發(fā)是鉆井信息工程學(xué)的主要目的，理論基礎(chǔ)研究是開發(fā)穩(wěn)定、可靠、實(shí)用且受客戶歡迎的產(chǎn)品的前提條件，而實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)研究又是理論研究和技術(shù)研究的基礎(chǔ)和依托。

3.3 鉆井信息工程學(xué)的主要研究內(nèi)容

3.3.1 鉆井實(shí)時(shí)信息采集處理技術(shù)研究

1）井下和地面測量工具的跟蹤研究 鉆井信息化的發(fā)展離不開現(xiàn)代先進(jìn)的測量工具，充分利用所有可測數(shù)據(jù)，并挖掘其深層含義，對鉆井信息工程技術(shù)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的意義。目前，對于國際最先進(jìn)的井下測量工具，其測量參數(shù)究竟有何意義？如何應(yīng)用？國內(nèi)并沒有研究透徹，因此需要專門的科研人員去跟蹤研究。

2）鉆井測量數(shù)據(jù)質(zhì)量管理方法 由于井下復(fù)雜狀況下的各種干擾，導(dǎo)致實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)往往存在偏差甚至錯(cuò)誤，應(yīng)研究適用的數(shù)據(jù)修正、篩選、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)過濾等的技術(shù)。比如現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的小波分析法，應(yīng)用其對鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，是否可以有效消除噪聲？是否會(huì)影響甚至消除特征信號(hào)？

3）信息采集和傳輸技術(shù) 信息采集和傳輸要涉及到數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芙饷芗夹g(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸格式、數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的完整性等問題。如何應(yīng)用這些技術(shù)來保證鉆井實(shí)時(shí)信息的秘密性和完整性是鉆井信息工程學(xué)亟待解決的問題。

3.3.2 鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用技術(shù)研究

1）鉆井信息的可視化技術(shù)研究 目前對于鉆井參數(shù)的二維曲線顯示技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，只是需要設(shè)計(jì)更符合客戶需求的界面就可以了。對于鉆井信息的三維可視化技術(shù)，國內(nèi)并沒有成熟的技術(shù)產(chǎn)品，而國外的產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟，如挪威的eDrilling系統(tǒng)。對于國內(nèi)來講，如何實(shí)現(xiàn)三維顯示，如何緊跟計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)未來幾十年不落伍的三維顯示系統(tǒng)都是當(dāng)下必須要做的工作。需要研究的具體內(nèi)容包括：與鉆井相關(guān)的測井、地質(zhì)、地震數(shù)據(jù)模型的通用接口技術(shù)；鉆井交互式三維可視化技術(shù)研究；鉆井信息與三維虛擬對象的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)技術(shù)研究。

2）鉆井風(fēng)險(xiǎn)評估和預(yù)測數(shù)學(xué)方法研究 通過監(jiān)測鉆井工程各項(xiàng)參數(shù)變化，選擇合適的數(shù)學(xué)方法或模型，實(shí)時(shí)正確地判斷井下狀況，主要是對鉆井風(fēng)險(xiǎn)評估方法的選擇與應(yīng)用效果分析。比如對模糊方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、貝葉斯分類法、專家系統(tǒng)、故障樹診斷、模擬退火以及演化算法等數(shù)學(xué)方法的對比應(yīng)用分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并從中選出最適合在鉆井風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)測中應(yīng)用的方法。

3）鉆井智能化軟件系統(tǒng)研發(fā) 主要包括數(shù)據(jù)采集和解釋軟件開發(fā)、鉆井風(fēng)險(xiǎn)診斷軟件開發(fā)、鉆井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測軟件開發(fā)、鉆井實(shí)時(shí)仿真分析技術(shù)等一系列軟件系統(tǒng)的開發(fā)，最終集成為一體化、自動(dòng)化的鉆井軟件系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井信息采集實(shí)時(shí)化、鉆井信息傳輸集成化、鉆井過程可視化、鉆井決策智能化、以及鉆后經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等功能。

4 鉆井信息工程學(xué)學(xué)科發(fā)展展望

1）鉆井信息工程學(xué)除涉及鉆井工程外，還涉及測量工具、測井錄井?dāng)?shù)據(jù)、軟件開發(fā)等方面的知識(shí)，更與現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。而現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展非常迅速，基于現(xiàn)代信息技術(shù)測量工具的發(fā)展也是日新月異，如何緊跟時(shí)代的步伐，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)促進(jìn)石油鉆井水平的提高，是鉆井信息工程學(xué)必須要解決的問題。

2）隨著鉆井向著深井、超深井及深海等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境鉆進(jìn)發(fā)展，對鉆井信息工程技術(shù)的需求必然越來越多。建立鉆井信息工程學(xué)，培養(yǎng)具備信息技術(shù)和鉆井工程交叉知識(shí)的人才，研究鉆井信息工程學(xué)所涵蓋的信息采集、數(shù)據(jù)管理、工程設(shè)計(jì)和過程控制等技術(shù)和軟件系統(tǒng)，對促進(jìn)我國的鉆井信息工程技術(shù)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

3）當(dāng)前，世界各大石油公司都把信息化作為核心戰(zhàn)略之一，而鉆井技術(shù)的信息化也給各大石油公司帶來了巨額的經(jīng)濟(jì)利益?？梢灶A(yù)言，隨著世界各國對油氣需求量的不斷增長和勘探開發(fā)難度的日益增大，鉆井信息工程學(xué)也必將具有更大的發(fā)展?jié)摿?，這一領(lǐng)域?qū)ξ磥淼氖凸I(yè)產(chǎn)生重大影響。

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［編輯］ 黃鸝