中海油鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)建設(shè)

岳家平 劉書杰 耿亞楠 謝仁軍

(中海油研究總院，北京 100028)

由于作業(yè)環(huán)境的特殊性，海洋鉆完井作業(yè)遠(yuǎn)離陸地，風(fēng)險(xiǎn)較高。傳統(tǒng)的鉆完井?dāng)?shù)據(jù)傳輸模式及專家現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持方式存在時(shí)效性差、技術(shù)方案無法預(yù)演等缺點(diǎn)，無法完全滿足日益增長的鉆完井作業(yè)需求。因此，海上鉆完井作業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 隨著鉆完井作業(yè)量的迅速增加，鉆完井技術(shù)隊(duì)伍和人才資源緊缺，無法在每個(gè)作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。鉆完井作業(yè)中存在復(fù)雜事故發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)情況了解不全面、處理措施不當(dāng)?shù)葐栴}。

(2) 海上鉆完井面臨深水、深井、高溫和高壓等復(fù)雜井鉆井的挑戰(zhàn)。目前還難以實(shí)現(xiàn)鉆前模擬、作業(yè)過程監(jiān)測(cè)診斷、事故處理措施預(yù)演等全過程的技術(shù)保障支持，難以保證重點(diǎn)難點(diǎn)井的作業(yè)安全。

(3) 若要實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)效率的提高，不僅需要多種理論指導(dǎo)，更需要對(duì)鉆井過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)資料進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、保存及分析處理，形成規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，不斷完善和優(yōu)化鉆井工藝技術(shù)。目前的鉆完井?dāng)?shù)據(jù)傳輸及管理技術(shù)還無法完全滿足這一需求。

近年來，現(xiàn)代信息技術(shù)在鉆井工程中的應(yīng)用越來越廣泛，比如隨鉆測(cè)量工具、鉆井工程及風(fēng)險(xiǎn)控制軟件等設(shè)計(jì)都是以現(xiàn)代信息技術(shù)為核心技術(shù)[1]。面對(duì)海上鉆完井的諸多挑戰(zhàn)，中海油(中國海洋石油有限公司)在信息技術(shù)和鉆井技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，建立了一套完善可靠的鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)，以加強(qiáng)鉆完井作業(yè)技術(shù)支持和專業(yè)化管理，提高作業(yè)效率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和成本，最終提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 海上鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)建設(shè)概況

國外石油公司早已將信息技術(shù)大量地應(yīng)用到鉆井指揮與決策中，一些著名石油公司已實(shí)現(xiàn)了一體化的數(shù)據(jù)管理和決策支持信息系統(tǒng)。自1995年開始，國內(nèi)中國石油大學(xué)、勝利油田鉆井院等單位也開展了鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集、處理及遠(yuǎn)程在線控制等研究工作[2-7]。2005年中海油完成了鉆完井?dāng)?shù)據(jù)庫，并從2012年開始一直著手鉆井在線輔助決策系統(tǒng)的研究與建設(shè)。2015年該系統(tǒng)正式上線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)外作業(yè)點(diǎn)的鉆完井作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷、鉆井過程模擬，從而有效減少了作業(yè)事故，縮短了非生產(chǎn)時(shí)間。

針對(duì)目前海上鉆完井作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸難、無法設(shè)計(jì)預(yù)演、難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)支持等問題，系統(tǒng)利用衛(wèi)星、微波、光纜實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外海上平臺(tái)間及平臺(tái)與陸地海量鉆完井作業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、共享、保存，并利用中心服務(wù)器中的鉆完井作業(yè)動(dòng)態(tài)模擬器、診斷預(yù)測(cè)及情景假設(shè)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效處理，最后反饋給任意作業(yè)點(diǎn)、技術(shù)支持中心、分公司及總部，從而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和決策。

1.2 鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

鉆井在線監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)是以適應(yīng)鉆井業(yè)務(wù)需求、提高作業(yè)效率、保障作業(yè)安全、降低作業(yè)成本為目的。該系統(tǒng)利用可視化技術(shù)、仿真模擬等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化和多維表達(dá)，并且通過建立智能化分析模型，為鉆井施工提供實(shí)時(shí)輔助決策信息，提高鉆井生產(chǎn)時(shí)效，減少復(fù)雜井況與事故，降低鉆井成本，同時(shí)積累重要的經(jīng)驗(yàn)。該系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)預(yù)演與決策系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷系統(tǒng)構(gòu)成。

1.2.1 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換，并設(shè)置不同鉆井參數(shù)的預(yù)警值，以便在出現(xiàn)異常情況時(shí)發(fā)出有效的警告。專家可以在遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)你@井?dāng)?shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，制定解決方案。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的鉆井、錄井、固井、設(shè)備、地層信息、測(cè)井、天氣等參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行姆?wù)器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后再傳輸?shù)絎eb服務(wù)器。鉆井工程師和專家可以方便地利用IE瀏覽器訪問Web服務(wù)器上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不受地域和時(shí)間的限制。

鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1) 可實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行圖形化顯示；通過IE瀏覽器進(jìn)行快捷訪問，從海上傳到陸地中心數(shù)據(jù)庫僅需3 s。

(2) 可設(shè)定參數(shù)報(bào)警值，通過參數(shù)報(bào)警進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提示，以減少復(fù)雜情況的發(fā)生，從而有效處理復(fù)雜井況，縮短非生產(chǎn)時(shí)間。

(3) 可利用系統(tǒng)自帶和自定義的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)ECD(電子俘獲檢測(cè)器)、機(jī)械比能、巖屑滑移速度等實(shí)時(shí)計(jì)算，并根據(jù)模型顯示的數(shù)據(jù)趨勢(shì)為現(xiàn)場(chǎng)提供作業(yè)指導(dǎo)，提高作業(yè)效率。

(4) 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史作業(yè)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出，便于對(duì)已鉆井作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及指導(dǎo)后期鉆井作業(yè)。

(5) 多井分析，對(duì)比多口井的作業(yè)效率和鉆井參數(shù)，指導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化。

利用該系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和參數(shù)預(yù)警，還可對(duì)鉆井作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、對(duì)比，從而有助于快速掌握現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)動(dòng)態(tài)、優(yōu)化鉆井參數(shù)、減少鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，從而提高鉆井時(shí)效、降低鉆井作業(yè)成本。

1.2.2 設(shè)計(jì)預(yù)演與決策系統(tǒng)

設(shè)計(jì)預(yù)演與決策系統(tǒng)的核心模塊是集成鉆井模擬器。其核心模型為溫度、壓力耦合的鉆井水動(dòng)力學(xué)模型，擴(kuò)展模型包括地層壓力預(yù)測(cè)模型、機(jī)械鉆速優(yōu)化模型、井壁穩(wěn)定模型、鉆柱震動(dòng)模型、摩阻扭矩模型、地質(zhì)模型、地應(yīng)力模型等。模擬器可在鉆前設(shè)計(jì)階段、隨鉆過程中和特定作業(yè)情景下進(jìn)行鉆井動(dòng)態(tài)模擬，以便預(yù)知鉆井方案和鉆井作業(yè)過程中的不足。模擬器的模擬內(nèi)容包括以下2個(gè)方面：

(1) 鉆前設(shè)計(jì)和事故處理預(yù)演模擬。對(duì)鉆井方案或復(fù)雜事故處理方案進(jìn)行預(yù)演模擬，包括不同性能泥漿、井身結(jié)構(gòu)、固井方案、井眼軌跡、扭矩極限、井控等的模擬和優(yōu)化，有助于提高鉆井設(shè)計(jì)質(zhì)量和事故處理效率。

(2) 隨鉆模擬。在鉆井過程中，利用實(shí)時(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行鉆井過程中泵壓、大鉤載荷、井底ECD、摩阻扭矩等關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)時(shí)評(píng)估鉆井質(zhì)量，用于鉆井過程預(yù)測(cè)和診斷。

1.2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷系統(tǒng)主要是對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與鉆井動(dòng)態(tài)模擬實(shí)時(shí)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并將信息展現(xiàn)出來。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)鉆井過程進(jìn)行監(jiān)控和診斷，并提示鉆井風(fēng)險(xiǎn)。圖1所示為鉆井實(shí)時(shí)診斷與輔助決策系統(tǒng)構(gòu)架。

圖1 鉆井實(shí)時(shí)診斷與輔助決策系統(tǒng)構(gòu)架

此外，通過實(shí)時(shí)模擬對(duì)鉆井過程進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化，并直接將實(shí)時(shí)和模擬數(shù)據(jù)通過三維虛擬井筒顯示出來。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)將呼叫、提醒鉆井現(xiàn)場(chǎng)。虛擬井筒為鉆井和管理者共同參與決策提供信息支持。圖2所示為某井3D虛擬井筒模擬結(jié)果。

圖2 某井3D虛擬井筒模擬結(jié)果

利用鉆井實(shí)時(shí)診斷與輔助決策系統(tǒng)，可動(dòng)態(tài)模擬鉆井過程，實(shí)時(shí)監(jiān)控和診斷鉆井過程中可能發(fā)生的復(fù)雜事故，并為鉆井優(yōu)化和事故處理提供決策支持。該系統(tǒng)有助于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和鉆井復(fù)雜事故識(shí)別、處理能力，從而降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井效率，節(jié)約鉆井成本。

2 鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用概況

自2015年鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)上線以來，該系統(tǒng)已在國內(nèi)外油田300多口井得到了應(yīng)用。利用該系統(tǒng)，為大位移、深水和高溫高壓等重點(diǎn)難點(diǎn)井的設(shè)計(jì)、作業(yè)及事故處理提供全過程技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)了鉆前模擬，鉆井作業(yè)在線監(jiān)控、診斷與輔助決策全過程在線技術(shù)支持。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)的應(yīng)用使鉆完井復(fù)雜事故降低了20%左右，提高了發(fā)現(xiàn)和處理復(fù)雜事故的能力，節(jié)約了鉆完井費(fèi)用。

2.2 典型應(yīng)用案例

(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷。X1井為大位移井，作業(yè)中在121/4＂井段(3 750 — 3 600 m)附近倒劃眼。圖3所示為鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：在15:43，實(shí)測(cè)鉆井泵壓由9 MPa突然增大至9.82 MPa；在15:44，扭矩由18 kN·m突然增大至28.04 kN·m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)泵壓和鉆頭扭矩先后突然偏離了系統(tǒng)實(shí)時(shí)模擬計(jì)算值，系統(tǒng)提示井下可能存在異常情況。

引起該現(xiàn)象的原因是：井壁浸泡時(shí)間過長，導(dǎo)致井壁微變形而起鉆困難；避臺(tái)風(fēng)前3 320 — 3 725 m段沒有進(jìn)行短起下鉆，井眼未處理好。

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，專家提出以下建議：劃眼時(shí)避免定點(diǎn)循環(huán)，防止劃出新井眼；起鉆少提多放，避免卡鉆；提高鉆井液比重，保持井壁穩(wěn)定。

圖3 鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果

采取以上處理措施后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：在整個(gè)短起下過程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)模擬的鉆頭扭矩及泵壓基本吻合，沒有出現(xiàn)異常波動(dòng)。這證明采取技術(shù)措施后，有效改善了井眼狀況。通過系統(tǒng)的應(yīng)用，提前發(fā)現(xiàn)了可能存在的復(fù)雜情況，避免了因?yàn)閺?fù)雜情況處理不及時(shí)可能造成的卡鉆事故。

(2) 實(shí)時(shí)監(jiān)控與設(shè)計(jì)預(yù)演。X2井為大位移水平井，位垂比和穩(wěn)斜段井斜較大，同時(shí)受地層因素影響，在812＂井段鉆井作業(yè)過程中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的摩阻扭矩較高。圖4所示為鉆井過程監(jiān)控結(jié)果。根據(jù)監(jiān)控結(jié)果預(yù)測(cè)，在完井管柱下入過程中可能存在作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際刮管作業(yè)中，下鉆至4 600 m左右時(shí)因套管內(nèi)摩阻較大而無法直接下入。采用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)預(yù)演模塊對(duì)起鉆過程中的鉤載進(jìn)行反演。圖5所示為套管內(nèi)摩阻反演結(jié)果。通過模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)鉤載值對(duì)比，套管內(nèi)摩擦系數(shù)約為0.36。

為了減小下完井管柱過程中的摩阻，將完井管柱優(yōu)化為“658＂篩管+盲管400 m+封隔器+578＂鉆桿3 870 m+578＂加重700 m+578＂鉆桿150 m”。利用系統(tǒng)反演的摩擦系數(shù)對(duì)下完井管柱過程中的鉤載進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，經(jīng)過完井管柱優(yōu)化，管柱下至4 200 m左右時(shí)，鉤載為54.9 kN，完井管柱能夠滿足順利下入要求。完井管柱實(shí)際下入作業(yè)過程順利，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。應(yīng)用該系統(tǒng)，提前預(yù)測(cè)了未來作業(yè)可能發(fā)生的復(fù)雜情況，并對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)預(yù)演，從而保證了后續(xù)作業(yè)的順利實(shí)施。

(3) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策支持。某海上深水大位移井X3井,1338＂套管下深為1 228 m,在1214＂井段鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)卡鉆事故?，F(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃采用爆炸松口方式解卡，但該事故處理措施成功的關(guān)鍵是如何快速、準(zhǔn)確地確定卡點(diǎn)位置?，F(xiàn)場(chǎng)沒有準(zhǔn)確有效的卡點(diǎn)模擬預(yù)測(cè)軟件，遠(yuǎn)程支持中心通過鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)管柱提拉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用現(xiàn)場(chǎng)傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用設(shè)計(jì)預(yù)演系統(tǒng)反演套管和裸眼中的摩擦系數(shù)為0.20、0.23，并通過卡點(diǎn)分析確定卡點(diǎn)位置在1 490 — 1 545 m段。圖6所示為卡點(diǎn)位置預(yù)測(cè)結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)利用預(yù)測(cè)的卡點(diǎn)位置成功解卡，從而有效地節(jié)約了事故處理的時(shí)間和成本。

圖4 鉆井過程監(jiān)控結(jié)果

圖5 套管內(nèi)摩阻反演結(jié)果

圖6 卡點(diǎn)位置預(yù)測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 語

鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線診斷與輔助決策和設(shè)計(jì)預(yù)演，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和先進(jìn)性。鉆井在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與決策系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于中海油海內(nèi)外作業(yè)點(diǎn)的鉆井作業(yè)。該套系統(tǒng)能夠在一定程度上減少復(fù)雜事故發(fā)生概率，提高事故處理能力和鉆井作業(yè)效率，降低鉆井作業(yè)成本。應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展鉆井在線輔助決策系統(tǒng)，強(qiáng)化其與現(xiàn)有鉆完井模擬設(shè)計(jì)軟件的集成，加快系統(tǒng)二次開發(fā)，以增強(qiáng)系統(tǒng)功能和應(yīng)用效果。