基于物聯(lián)網(wǎng)的鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

葛云華 周 波 張彥龍

（中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司規(guī)劃與支持研究所）

“深、低、海、非”是油氣儲量與產(chǎn)量新的增長點，隨著新增油氣資源品質(zhì)不斷劣化，迫使油公司大量采用超深井、長水平井、叢式井、大位移井等更為復(fù)雜的井以提高開發(fā)效果。鉆井是認(rèn)識油氣層、建成油氣產(chǎn)能的核心環(huán)節(jié)，鉆井投資占油氣上游投資的50%以上。針對復(fù)雜井風(fēng)險高、施工難度大、周期長、能勝任設(shè)計施工的專家有限等難題，亟待通過技術(shù)革新助推鉆井工程提質(zhì)提效。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)正在深刻影響著世界油氣工業(yè)發(fā)展，成為油氣行業(yè)持續(xù)提質(zhì)降本增效的有效途徑和必由之路[1-3]。緊緊把握這一發(fā)展趨勢，順應(yīng)發(fā)展潮流，抓住發(fā)展機遇，實現(xiàn)傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，是建設(shè)新型服務(wù)型企業(yè)的必由之路。

1 RTOC核心要素

鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)（Real Time Operation Center，簡稱 RTOC）是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)阶鳂I(yè)中心，通過中心多學(xué)科專家團隊監(jiān)測診斷分析，前后方協(xié)同，實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)的實時監(jiān)測、預(yù)警與優(yōu)化，大幅減少作業(yè)風(fēng)險，提高作業(yè)效率。該系統(tǒng)為專家提供了一個從工程設(shè)計、實時施工優(yōu)化到效果評估一體化的協(xié)同作業(yè)平臺，可實現(xiàn)對來自多個數(shù)據(jù)源的鉆井和完井等數(shù)據(jù)的全面捕捉、查看和分析，通過對數(shù)據(jù)流實時統(tǒng)計計算，可警告存在的潛在問題、輔助指導(dǎo)運營決策、基于情景適時啟動工作流，減少非生產(chǎn)時間，降低作業(yè)風(fēng)險和綜合成本[4-9]。其核心要素主要包括數(shù)據(jù)、技術(shù)、人員3個部分。

數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)、科學(xué)決策的依據(jù)[10]。從鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)監(jiān)測、預(yù)警和分析優(yōu)化等應(yīng)用出發(fā)，在鉆井作業(yè)過程中提供鉆前優(yōu)化、鉆中監(jiān)測預(yù)警、鉆后分析評估，不同業(yè)務(wù)應(yīng)用階段配套共享相應(yīng)的數(shù)據(jù)。其中，鉆前，根據(jù)目標(biāo)井所屬區(qū)塊，從油田獲取地震體、地層剖面、地質(zhì)解釋成果、鄰井測井解釋成果，開展地學(xué)和壓力建模；從鉆探公司獲取鄰井井史、錄井、試油成果，開展工程建模。鉆進過程中，從儀器自動截取實時數(shù)據(jù)，從工程技術(shù)企業(yè)獲取靜態(tài)數(shù)據(jù)，從井場監(jiān)控視頻庫共享監(jiān)控視頻信息，開展關(guān)鍵節(jié)點操作分析、回顧和實鉆分析與方案優(yōu)化；鉆后，共享工程技術(shù)總結(jié)、鉆井液技術(shù)總結(jié)、固井施工總結(jié)、定向井施工總結(jié)和井史等資料，開展作業(yè)施工質(zhì)量、效率和投資回報率分析（圖1）。

技術(shù)是共享服務(wù)的手段，鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)技術(shù)主要集中在數(shù)據(jù)共享平臺、專業(yè)計算軟件和音視頻交互等。得益于計算機、高性能圖形工作站、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，該系統(tǒng)實現(xiàn)了由以工程監(jiān)測與生產(chǎn)管理為主向以風(fēng)險管控、作業(yè)優(yōu)化、實時決策支持為主的升級轉(zhuǎn)變，最大限度挖掘作業(yè)潛力和專家作用，實現(xiàn)對生產(chǎn)業(yè)務(wù)的支持[11]。

人員是鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)運行的核心，各業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員通過對數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用，實現(xiàn)不同專業(yè)、不同區(qū)域的協(xié)同作業(yè)，達到資源優(yōu)化配置。為保障系統(tǒng)正常運行，并有效執(zhí)行生產(chǎn)活動監(jiān)測、異常情況預(yù)警、復(fù)雜事故應(yīng)急支持等職能任務(wù)，需要配備生產(chǎn)值班人員、重點井監(jiān)測人員、分專業(yè)技術(shù)支持人員、重大事故應(yīng)急支持資深專家和IT支持人員。鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)充分共享專家資源，專家由現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠓竭h(yuǎn)程技術(shù)支持，遠(yuǎn)程支持模式由單人單井、多人單井轉(zhuǎn)變?yōu)閱稳硕嗑?、多人多井?/p>

圖1 鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、輸出示意圖

2 RTOC國外最佳實踐

國外遠(yuǎn)程作業(yè)支持中心建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，殼牌、哈里伯頓、斯倫貝謝等國際油公司、服務(wù)公司紛紛開始建設(shè)集工程數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)管理、工程設(shè)計、施工監(jiān)測和生產(chǎn)指揮于一體的工程技術(shù)信息遠(yuǎn)程傳輸與專家診斷系統(tǒng)，支撐了復(fù)雜井筒條件和復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的工程作業(yè)。到21世紀(jì)初，隨著隨鉆測量、信息采集、網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用軟件技術(shù)的不斷進步，先后建成集鉆前設(shè)計、鉆中監(jiān)測、鉆中優(yōu)化、鉆后評估、遠(yuǎn)程決策指揮、模擬培訓(xùn)于一體的共享、實時、優(yōu)化、協(xié)同工作平臺。目前，正在向智能遠(yuǎn)程實時決策指揮和跨學(xué)科跨平臺決策發(fā)展，成為提供咨詢服務(wù)的有效手段。

殼牌公司自2002年起先后在北美、亞洲、歐洲等地區(qū)建成6個鉆井自動化和遠(yuǎn)程技術(shù)中心（Drilling Automation and Remote Technology，簡稱DART）。采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、流程、規(guī)則及協(xié)議，所有的技術(shù)專家可以在一個中心支持殼牌全球鉆探工作，可同時遠(yuǎn)程協(xié)同管理多個鉆井平臺，實現(xiàn)鉆前設(shè)計、分析預(yù)測、全天候監(jiān)控優(yōu)化等，在深水和頁巖氣領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果。

斯倫貝謝公司在全球建立了38個作業(yè)支持中心（Operation Support Center，簡稱OSC），部署于各地區(qū)的中心位置，為該地區(qū)提供技術(shù)支持。OSC實現(xiàn)了鉆井?dāng)?shù)據(jù)實時監(jiān)測、跨專業(yè)協(xié)同工作和遠(yuǎn)程作業(yè)管理，優(yōu)化了鉆井作業(yè)流程，降低了安全風(fēng)險。

哈里伯頓公司在全球建立了約50個鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)，集成實時數(shù)據(jù)、計算機技術(shù)和運行工作流程，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)測、支持與控制（圖2），在降低非生產(chǎn)時間、延長鉆頭壽命及縮減現(xiàn)場人力資源投入等方面取得了很大成績[12-15]。

BP、道達爾、威德福、國民油井華高等國際油公司和服務(wù)公司均在研究開發(fā)更加智能的新一代鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)，以更好地支持自動化鉆井，進一步推動鉆井智能化。

國外公司鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)建設(shè)呈現(xiàn)幾大特點[16-17]：一是構(gòu)建統(tǒng)一的資源平臺，全球范圍內(nèi)實現(xiàn)共享，如哈里伯頓公司在美國休斯敦建設(shè)了總部級鉆井遠(yuǎn)程支持中心，作為公司統(tǒng)一共享資源平臺，負(fù)責(zé)支持美國本土和墨西哥灣作業(yè)項目，其他地區(qū)級遠(yuǎn)程支持中心分布在全球作業(yè)區(qū)域，支持所在區(qū)域的現(xiàn)場作業(yè)，各司其職，當(dāng)?shù)貐^(qū)級遠(yuǎn)程支持中心遇到解決不了的問題時，可申請總部級遠(yuǎn)程支持中心給予技術(shù)咨詢和支持，充分發(fā)揮公司統(tǒng)一共享資源平臺的作用；二是組建穩(wěn)定的多學(xué)科專家團隊，集中利用專家智慧，為每一個作業(yè)項目提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持；三是建設(shè)強大的專家知識庫，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時決策指揮、跨學(xué)科跨平臺決策；四是建立了多學(xué)科專家團隊高效、協(xié)同工作流程，規(guī)范每個專家的工作任務(wù)目標(biāo)，保障一體化解決方案的快速制訂；五是注重技術(shù)支持和決策支持軟件功能開發(fā)，滿足油公司和油服公司不同的服務(wù)需求。

圖2 哈里伯頓公司完全互聯(lián)的建井作業(yè)示意圖（據(jù)哈里伯頓網(wǎng)站）

3 中國石油RTOC建設(shè)進展與應(yīng)用實踐

3.1 系統(tǒng)部署進展

中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中國石油）自2014年起開始建設(shè)基于工程技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的多級遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心，以實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同的統(tǒng)一工作平臺，打通前后方協(xié)同的統(tǒng)一工作流程，共同保障生產(chǎn)安全，提高施工質(zhì)量和作業(yè)效率（圖3）。

圖3 RTOC總體架構(gòu)圖

目前中國石油共建有鉆井遠(yuǎn)程支持中心39個，其中集團總部1個、局級7個、處級28個、項目部級3個，覆蓋16家油氣田2482支物探、鉆井、錄井、測井、井下作業(yè)隊伍。其中，集團總部主要開展遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃研究、功能搭建完善、重點井監(jiān)測、典型井分析、應(yīng)急技術(shù)支持、三級RTOC巡檢、數(shù)據(jù)質(zhì)量考核，配備全套工作流程；局級中心、中國石油集團長城鉆探工程有限公司（簡稱長城鉆探）和中國石油集團川慶鉆探工程有限公司（簡稱川慶鉆探）RTOC以生產(chǎn)調(diào)度為主、應(yīng)急遠(yuǎn)程指揮為輔；中國石油集團西部鉆探工程有限公司（簡稱西部鉆探）和中國石油集團渤海鉆探工程有限公司（簡稱渤海鉆探）以生產(chǎn)指揮為主、復(fù)雜井支持為輔，配備全套工作流程；中國石油集團測井有限公司（簡稱中油測井）和中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司（簡稱東方物探）以生產(chǎn)指揮為主，配套日常監(jiān)督管理。

3.2 典型應(yīng)用實踐

集團總部：充分利用遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮中心增強生產(chǎn)技術(shù)安全支持和管理能力。集團總部鉆井遠(yuǎn)程支持中心對中國石油集團油田技術(shù)服務(wù)有限公司（簡稱中油油服）下達的約70口重點井實行監(jiān)測，利用大數(shù)據(jù)預(yù)警軟件和閾值報警模塊實現(xiàn)25種工況監(jiān)測與預(yù)警，對現(xiàn)場工程異常情況進行處置和及時提醒。

長城鉆探：監(jiān)控覆蓋遼河油區(qū)、長慶油區(qū)、四川頁巖氣項目，截至2019年3月，累計監(jiān)測到異常情況575次，平均1.5次/d。管理者通過鉆井遠(yuǎn)程支持中心監(jiān)控室和手機APP客戶端可監(jiān)測掌握各施工井隊的實時曲線和靜態(tài)數(shù)據(jù)，有效地提高了生產(chǎn)時效、降低了事故復(fù)雜率。

西部鉆探：實現(xiàn)了對新疆瑪湖、青海獅子溝、新疆塔里木、四川長寧頁巖氣等重點區(qū)塊130口井現(xiàn)場作業(yè)的實時監(jiān)控，利用鉆井遠(yuǎn)程支持中心監(jiān)控現(xiàn)場鉆井風(fēng)險，優(yōu)化參數(shù)措施，及時向現(xiàn)場提供遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)。

川慶鉆探：實現(xiàn)井控預(yù)警及處置功能，截至2019年3月，監(jiān)控中心累計啟動井控突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案Ⅱ級響應(yīng)4次，指導(dǎo)處級單位Ⅲ級井控突發(fā)事件處置12次，進行井控突發(fā)事件應(yīng)急演練4次。

中國石油鉆井遠(yuǎn)程支持中心建設(shè)應(yīng)用總體起步較晚，雖已實現(xiàn)區(qū)域部署，在實時監(jiān)測、生產(chǎn)運行管理方面發(fā)揮了一定作用，但與國外公司相比，在構(gòu)建統(tǒng)一的共享資源平臺、建設(shè)穩(wěn)定的多學(xué)科專家團隊等方面還有較大差距，技術(shù)層面上還存在數(shù)據(jù)質(zhì)控、數(shù)據(jù)融合、工程建模等諸多難題亟待解決。未來集團公司鉆井遠(yuǎn)程支持中心應(yīng)是一個擁有功能強大的知識庫（數(shù)據(jù)庫）和專業(yè)應(yīng)用軟件，集地質(zhì)、工程、經(jīng)濟評價等多專業(yè)多學(xué)科且實踐經(jīng)驗豐富的專家于一體，各鉆井遠(yuǎn)程支持中心之間既有分工、又相互協(xié)作互動的一體化遠(yuǎn)程作業(yè)支持與決策平臺。

平臺統(tǒng)一設(shè)計、分級建設(shè)、分工協(xié)作，其中總部鉆井遠(yuǎn)程支持中心側(cè)重知識庫和專業(yè)應(yīng)用軟件建設(shè)，側(cè)重集團公司級鉆井遠(yuǎn)程支持中心多學(xué)科專家團隊建設(shè)，形成集團公司集中統(tǒng)一共享的資源平臺，并對集團公司重點勘探區(qū)、重點建產(chǎn)區(qū)和老油田重點試驗區(qū)的重點井實施監(jiān)測與決策優(yōu)化支持；地區(qū)公司鉆井遠(yuǎn)程支持中心按照局處兩級建設(shè)，其中局級鉆井遠(yuǎn)程支持中心側(cè)重本公司生產(chǎn)運行管理和重點項目、重點井的監(jiān)測，處級鉆井遠(yuǎn)程支持中心主要負(fù)責(zé)本作業(yè)區(qū)現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測。集團公司鉆井遠(yuǎn)程支持中心實現(xiàn)三級聯(lián)動，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定暢通、數(shù)據(jù)實時共享、前后方實時互動，集中利用專家智慧和強大的知識庫，跨學(xué)科跨平臺決策指揮，最大限度共享集團公司資源。通過鉆井遠(yuǎn)程支持中心的建設(shè)和實施，促進現(xiàn)場施工由傳統(tǒng)作業(yè)方式向?qū)崟r作業(yè)方式轉(zhuǎn)變，顯著提升施工動態(tài)的實時掌控能力、作業(yè)風(fēng)險的分析預(yù)判能力、多專業(yè)專家協(xié)同作業(yè)遠(yuǎn)程支持能力、現(xiàn)場安全的管理控制能力、突發(fā)事件的應(yīng)急處置能力、經(jīng)驗智慧的積累傳承能力。

4 RTOC發(fā)展方向

伴隨大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，鉆井遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)將向著“全面感知、自動操控、預(yù)測趨勢、優(yōu)化決策”持續(xù)發(fā)展，具體體現(xiàn)在如下方面[18-21]：

（1）沉浸式數(shù)字化仿真。為進一步提高區(qū)塊優(yōu)化和生產(chǎn)運行效率，油氣領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動應(yīng)用、自動化和智能分析5項關(guān)鍵技術(shù)方面逐步推進應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，借助數(shù)字孿生、3D可視化建模、AR/VR技術(shù)的快速發(fā)展，創(chuàng)造身臨其境的數(shù)字業(yè)務(wù)環(huán)境，實現(xiàn)全面感知，建立企業(yè)生產(chǎn)運行操作流程的新模式。

（2）自動化鉆井?；诰W(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和全方位視頻監(jiān)控的遠(yuǎn)程司鉆技術(shù)，可隨著不確定環(huán)境、地面和井下數(shù)據(jù)的變化實時調(diào)整司鉆參數(shù)，并進行自動送鉆。

（3）在線預(yù)警及診斷。基于振動測試、計算機信息等技術(shù)和故障模式識別理論來實現(xiàn)對井場機械系統(tǒng)的檢測與診斷，規(guī)避設(shè)備故障停鉆帶來的重大經(jīng)濟損失甚至是重大事故。

（4）地質(zhì)工程一體化。從地質(zhì)、力學(xué)和工具的相互關(guān)系出發(fā)，通過大數(shù)據(jù)手段分析、評估、預(yù)測井下工程變化情況，結(jié)合地質(zhì)和工具的實時監(jiān)測結(jié)果反向預(yù)測工程變化趨勢，最終實現(xiàn)鉆完井工程技術(shù)核心要素動態(tài)互補監(jiān)視與預(yù)測。

5 認(rèn)識與建議

（1）正如現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對病人的診斷由傳統(tǒng)的“一對一”模式向遠(yuǎn)程專家“多對一”“多對多”會診轉(zhuǎn)變一樣，通過建立物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程作業(yè)支持中心，實現(xiàn)業(yè)務(wù)專家對現(xiàn)場問題的會診決策，是油氣工程技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然產(chǎn)物，將有力地助推鉆井工程技術(shù)服務(wù)業(yè)務(wù)和支持模式轉(zhuǎn)型升級。

（2）國內(nèi)遠(yuǎn)程作業(yè)支持中心建設(shè)起步晚，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)鏈路建設(shè)、專家到位情況、專業(yè)軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)等方面與國外相比還有較大差距。通過“業(yè)務(wù)主導(dǎo)、信息支撐、以用促建”的工作理念，目前中國石油鉆井遠(yuǎn)程支持中心建設(shè)應(yīng)用在現(xiàn)場監(jiān)測、早期預(yù)警及異常處理等方面，對生產(chǎn)安全和提速提效業(yè)務(wù)上取得了明顯成效，建議有關(guān)部門堅持這種行之有效的工作方式，加大鉆井遠(yuǎn)程支持中心實體化運作力度，使其建設(shè)與應(yīng)用常態(tài)化。

（3）隨著深井、水平井增多，工程復(fù)雜程度和不確定因素增多，單純從工程角度解決諸如探區(qū)地層壓力預(yù)測、關(guān)鍵層位跟蹤卡層、水平井井軌跡導(dǎo)向和分層分段精準(zhǔn)壓裂等關(guān)鍵工程問題面臨著較大困難，需要工程及地質(zhì)專家共同研究提出優(yōu)化解決方案，規(guī)避作業(yè)風(fēng)險。打造集地質(zhì)工程數(shù)據(jù)成果于一體的地質(zhì)工程專家協(xié)同工作的鉆井遠(yuǎn)程支持中心，實現(xiàn)由以工程監(jiān)測與生產(chǎn)管理為主向以風(fēng)險管控、作業(yè)優(yōu)化、實時決策支持為主的升級轉(zhuǎn)變，最大限度挖掘作業(yè)潛力和專家作用，將是中國石油鉆井遠(yuǎn)程支持中心下步建設(shè)的重要方向。

（4）工程技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)條件保障，建議油田公司加快油田網(wǎng)絡(luò)條件建設(shè)，為工程技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的推進創(chuàng)造有利條件。