數(shù)智化錄井技術(shù)在長慶油田蘇南區(qū)塊的研發(fā)應用

張學忠 向 曉 張國兵 楊凱程 權(quán) 騁 黃萬國

(①中國石油長慶油田公司蘇里格南作業(yè)分公司；②中國石油渤海鉆探第一錄井公司)

0 引 言

在鉆井速度日益提升的大背景下，傳統(tǒng)的人工巖屑撈取及肉眼巖性識別方式，無論及時性還是準確性都無法滿足現(xiàn)場勘探開發(fā)的要求。為了進一步發(fā)揮地質(zhì)先導作用，提升巖屑錄井質(zhì)量，長慶油田公司蘇里格南作業(yè)分公司(以下簡稱蘇南公司)在蘇南區(qū)塊開展了巖屑自動采集、巖屑成像分析和遠程傳輸?shù)燃夹g(shù)聯(lián)合應用的研究。同時為了進一步加強井筒信息數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和高效管理，蘇南公司利用錄井信息傳輸集成了鉆井、錄井、定向井、測井、鉆井液等各專業(yè)數(shù)據(jù)的井筒數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢，將下套管、固井和壓裂數(shù)據(jù)與錄井信息遠程傳輸系統(tǒng)融合，搭建了井筒信息一體化的數(shù)智化系統(tǒng)。通過數(shù)智化錄井技術(shù)的創(chuàng)新應用和探索，確保了巖屑錄井的及時性、準確性，提升了錄井技術(shù)和井場管理水平，并為數(shù)智化油氣田的建設(shè)和發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)井筒工程及其管理中存在的問題

1.1 傳統(tǒng)巖屑錄井方法弊端凸顯

巖屑中包含大量地質(zhì)信息，是地層剖面建立、層位劃分、沉積構(gòu)造分析的重要依據(jù)，同時也是各項分析化驗技術(shù)、油氣顯示識別以及儲層評價的基礎(chǔ)。在蘇南區(qū)塊鉆井提速的背景下(單井鉆井周期平均在10 d左右，巖屑撈取周期平均3 d左右)，傳統(tǒng)巖屑錄井方法弊端日漸凸顯：一是人工取樣、清洗、烘烤、裝包工作流程復雜，工作強度大且集中，采樣的及時性、準確性難以得到保障；二是PDC鉆頭的應用，導致巖屑樣本非常細小[1]，傳統(tǒng)的人工肉眼識別方法主要依靠工作經(jīng)驗積累，主觀因素影響大，致使巖性識別結(jié)果容易出現(xiàn)偏差；三是巖屑樣品的存儲占用大量空間，巖屑樣品的運輸、銷毀浪費大量人力和物力，也不利于數(shù)據(jù)的長久保存；四是隨著蘇南公司錄井市場規(guī)模的逐步擴大，錄井技術(shù)人員缺口明顯，傳統(tǒng)的巖屑錄井方法自動化程度低、勞動強度大，造成現(xiàn)場用工數(shù)量及人工成本居高不下。

針對上述弊端，急需應用自動化、信息化、智能化技術(shù)改進傳統(tǒng)的巖屑錄井方式，提高巖屑錄井質(zhì)量，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求，并優(yōu)化隊伍人員配置，精減用工數(shù)量，降低人工成本，實現(xiàn)減員增效的目標。

1.2 各專業(yè)間數(shù)據(jù)共享利用率低

行業(yè)間相互溝通交流、各專業(yè)數(shù)據(jù)共享是產(chǎn)能挖潛、地質(zhì)研究和高效施工的前提，井筒工程建設(shè)要實現(xiàn)高效運作，需要各專業(yè)、各部門之間相互協(xié)調(diào)，緊密配合，由于數(shù)據(jù)之間的傳輸處理非常頻繁，但長期的專業(yè)分工使得各部門之間難以建立方便、高效、快捷的信息化通道，跨專業(yè)之間的信息數(shù)據(jù)和資源共享利用率低，內(nèi)部信息孤島嚴重[2]。在蘇南公司數(shù)智化轉(zhuǎn)型不斷深入的背景下，井筒數(shù)據(jù)集成管理迫在眉睫，需要構(gòu)建以井筒為中心的一體化數(shù)據(jù)共享平臺，為決策者、技術(shù)人員提供多專業(yè)數(shù)據(jù)，以期實現(xiàn)跨專業(yè)資源共享，促進各專業(yè)技術(shù)融合和業(yè)務協(xié)同，更好地提高蘇南區(qū)塊的開發(fā)效果。

1.3 生產(chǎn)運行管理效率低

蘇南公司管理人員少，承包商多，生產(chǎn)運行管理幅度廣、難度大。傳統(tǒng)的管理模式各部門獨立運行，協(xié)調(diào)管理難度大，生產(chǎn)運行管理效率較低，現(xiàn)場生產(chǎn)運行信息上報相對滯后，需要通過數(shù)智化技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸、實時監(jiān)控、智能預警和快速決策等功能，從而極大地提高運行管理的執(zhí)行力[3]。同時通過數(shù)據(jù)智能分析，達到自動識別和發(fā)布管理指令目的，實現(xiàn)人力、財力、物力和技術(shù)資源的優(yōu)化，提高生產(chǎn)運行效率，降低管理成本，促進蘇南區(qū)塊向精益化管理發(fā)展。

2 數(shù)智化錄井技術(shù)研發(fā)

2.1 巖屑錄井新方法研究

巖屑錄井的關(guān)鍵在于獲得具有代表性的巖屑并對其進行準確識別描述，同時要保障后方技術(shù)人員和決策人員能夠及時獲得完整的巖屑信息，協(xié)同作業(yè)現(xiàn)場準確做出巖性識別、層位判斷和下步施工決策。為此蘇南公司開展了巖屑自動采集+巖屑成像分析+遠程傳輸?shù)燃夹g(shù)聯(lián)合應用的新巖屑錄井作業(yè)模式，以此解決人工巖屑取樣跟不上鉆速、肉眼巖性識別偏差大、信息傳遞滯后，以及巖屑存儲不便等問題。

2.1.1 巖屑自動取樣、分析與遠程數(shù)據(jù)傳輸

巖屑自動化采集是應對人工巖屑取樣跟不上鉆速這一問題的首選方案，目前國內(nèi)已有多家錄井技術(shù)服務企業(yè)設(shè)計研發(fā)了巖屑自動化采集儀器。為了優(yōu)選巖屑取樣代表性最佳的、復雜井場環(huán)境適應性更強的巖屑自動化采集儀器，蘇南公司試驗應用了多家?guī)r屑自動采集儀，最終采用了由中國石油渤海鉆探第一錄井公司與中國電子科技集團公司第二十二研究所聯(lián)合研發(fā)的CASS-1巖屑自動取樣系統(tǒng)。該設(shè)備打破傳統(tǒng)振動篩后端取樣方式，從出口鉆井液分流槽或緩沖罐內(nèi)直接獲取巖樣，有針對性地設(shè)計了抽吸式取樣和機械臂式取樣兩種取樣模式(圖1)，選用氣源和24 V電壓的安全驅(qū)動方式，兼顧了井場安全和環(huán)境適應性要求。

圖1 CASS-1巖屑自動取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

抽吸式取樣系統(tǒng)由取樣泵、小型固相和液相分離裝置、巖屑存儲傳送機箱、電氣控制機箱、氣路控制機箱和無線通信節(jié)點組成，通過氣驅(qū)取樣泵直接獲取高架槽內(nèi)從井底返出的鉆井液,再通過小型固液分離裝置，實現(xiàn)巖屑和鉆井液分離，分離出的巖屑自動稱重、傳送與存儲。

機械臂式取樣系統(tǒng)由機械臂取樣裝置、巖屑存儲傳送機箱、電氣控制機箱、氣路控制機箱和無線通信節(jié)點組成，直接安裝在鉆井出口高架槽或?qū)Я鞑凵?，以機械臂實現(xiàn)出口鉆井液內(nèi)巖屑自動取樣，適合抽吸式取樣系統(tǒng)安裝受限的井場。兩種巖屑取樣方式都通過無線傳輸同上位機軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，可以對撈取流程、取樣速度進行實時控制，并通過射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification)記錄撈取的巖屑重量和井深，便于作業(yè)人員對巖屑歸位。

2.1.2 巖屑成像分析+遠程傳輸

為有效提高巖屑錄井的分析、應用水平，蘇南公司采用了巖屑成像分析+遠程傳輸?shù)男问?，其工作流程如圖2所示。解決了錄井現(xiàn)場人工肉眼識別巖性不準、描述不標準的問題，同時也解決了管理人員上井觀察巖屑、遠途井觀察不及時等難題，確保了地質(zhì)資料信息得到永久性保存，并為二次開發(fā)、老井挖潛提供更高的科研價值。

圖2 巖屑自動成像分析上傳流程

巖屑成像分析系統(tǒng)硬件由高清4K相機、白光光源、熒光光源、自動采集裝置、自動控制系統(tǒng)等部分組成(圖3)，軟件系統(tǒng)包括圖像采集、圖像分析兩部分。該系統(tǒng)采用高清自動調(diào)焦相機以及高倍鏡頭對巖屑進行拍照成像，具有白光、熒光兩種圖像采集模式，采用轉(zhuǎn)盤方式實現(xiàn)自動進樣，一次連續(xù)分析10個樣品，并配備雙轉(zhuǎn)盤。系統(tǒng)成像無需人為操作，全部由計算機控制，避免了人工調(diào)焦不準確而造成圖像模糊的問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)電控成像操作。在圖像拍攝完成后，通過圖像處理算法對拍攝的圖片進行顏色識別、巖屑顆粒分割、巖性識別、百分含量統(tǒng)計，并對其中的砂巖顆粒粒度和磨圓度進行分析統(tǒng)計，可獲得各粒徑范圍內(nèi)砂巖巖屑的百分含量、磨圓度、分選程度，再統(tǒng)計輸出巖性特征描述結(jié)果。

圖3 巖屑自動成像分析儀結(jié)構(gòu)示意

圖像采集分析完成后，通過錄井遠傳系統(tǒng)及時將巖屑分析處理數(shù)據(jù)和數(shù)字圖像傳輸至井筒信息一體化系統(tǒng)，結(jié)合隨鉆采集的工程、地質(zhì)、鉆井液以及測井等數(shù)據(jù)，構(gòu)建巖屑錄井綜合圖，為遠程質(zhì)量管控和決策提供直觀可視化的數(shù)字化信息展示。

2.2 構(gòu)建井筒信息一體化系統(tǒng)

井筒工程數(shù)據(jù)包括了鉆井、錄井、測井、井下等多專業(yè)形成的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)都是分專業(yè)收集、存儲，難以滿足數(shù)據(jù)實時共享、實時預警、在線生產(chǎn)統(tǒng)一管理和指揮的需求。蘇南公司利用錄井井場信息化和地質(zhì)靠前優(yōu)勢，在地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆井液數(shù)據(jù)、工程參數(shù)數(shù)據(jù)、定向井數(shù)據(jù)等遠傳的基礎(chǔ)上，增加了隨鉆電測、下套管、固井、壓裂等數(shù)據(jù)的實時采集、上傳和存儲，建立了井筒信息一體化系統(tǒng)。

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

井筒信息一體化系統(tǒng)架構(gòu)分為三層(圖4)：采集層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層。采集層由各傳感器和相對應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，主要采集獲取的信息包括：錄井數(shù)據(jù)、鉆井液數(shù)據(jù)、工程參數(shù)、定向數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)、下套管數(shù)據(jù)、固井數(shù)據(jù)和壓裂數(shù)據(jù)等，其中錄井數(shù)據(jù)除了常規(guī)動態(tài)數(shù)據(jù)外，還包括井筒其他專業(yè)靜態(tài)數(shù)據(jù)的錄入；網(wǎng)絡(luò)層是作業(yè)現(xiàn)場和用戶之間數(shù)據(jù)傳輸通道[4]，由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和信息傳輸系統(tǒng)等組成；應用層是數(shù)據(jù)中心向各建設(shè)項目組、建設(shè)單位和相關(guān)單位信息輸出對象，提供遠程實時監(jiān)控、技術(shù)支持、協(xié)同研究和遠程決策。

圖4 井筒信息一體化系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.2.2 系統(tǒng)功能

井筒信息一體化系統(tǒng)負責對井筒建設(shè)過程中各專業(yè)間數(shù)據(jù)實時采集、發(fā)布、存儲，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、實時預警、實時管理決策，主要包括以下功能：實時監(jiān)測、視頻監(jiān)控、預警報警、運行監(jiān)測、隨鉆地質(zhì)導向、隨鉆解釋評價、智能推送、數(shù)據(jù)應用、資料處理等(圖5)。實時監(jiān)測中包含實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、井眼軌跡監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、自定義實時監(jiān)測和異常預報通知單生成，其中實時數(shù)據(jù)監(jiān)測以數(shù)據(jù)展示、曲線圖、柱狀圖和仿真儀表等方式監(jiān)測井筒動態(tài)參數(shù)，配合井身結(jié)構(gòu)圖監(jiān)測目前井眼鉆進情況，用戶可以根據(jù)自身使用情況自定義監(jiān)控模板。為了實現(xiàn)工程技術(shù)管理移動辦公，同時開發(fā)了一體化平臺應用APP，技術(shù)管理人員可查詢相關(guān)技術(shù)資料，實時跟蹤、指導現(xiàn)場作業(yè)。

圖5 井筒信息一體化系統(tǒng)功能界面

3 數(shù)智化錄井技術(shù)應用效果

3.1 巖屑錄井質(zhì)量有效提升

巖屑自動采集儀能夠嚴格按照設(shè)計間隔取樣，避免了漏取巖樣，及時性達到了100%，通過在SNx 1井等6口井的現(xiàn)場應用，得到的巖屑易清洗、代表性強(圖6)，實踐驗證了鉆井巖屑自動取樣系統(tǒng)的可靠性。通過巖屑成像分析+遠程傳輸技術(shù)的聯(lián)合應用，實現(xiàn)了巖屑智能識別、分析、上傳和數(shù)字化存儲，現(xiàn)場無需再保留巖屑，解決了巖屑實物存儲消耗資源的問題，同時進一步提高了巖屑識別的準確性，部分替代了傳統(tǒng)的人工巖屑描述方法，統(tǒng)一了標準，避免了人為判斷誤差，降低了人為因素的影響和對地質(zhì)人員的依賴，并為后方技術(shù)專家提供了遠程決策依據(jù)，加強了前后方協(xié)同，提升了現(xiàn)場錄井質(zhì)量管控和輔助力度。

圖6 人工撈取巖屑與自動采集巖屑對比

3.2 形成井筒信息大數(shù)據(jù)庫

通過構(gòu)建井筒信息一體化平臺，井筒工程數(shù)據(jù)由多專業(yè)間數(shù)據(jù)分開錄入變?yōu)榱私y(tǒng)一采集，實現(xiàn)了專業(yè)軟件互通，打通了各專業(yè)線上協(xié)同流程，整合了歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，規(guī)范了各專業(yè)間數(shù)據(jù)錄入和應用標準。在井筒數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字化信息存儲形成了井筒信息大數(shù)據(jù)庫，通過井筒信息大數(shù)據(jù)庫各應用層可以隨時查詢單井或多井跨專業(yè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了專業(yè)數(shù)據(jù)共享通道，促進了各專業(yè)技術(shù)融合和業(yè)務協(xié)同，提升了井筒建設(shè)效率。

3.3 井筒工程管理效率提高

井筒信息一體化系統(tǒng)的應用改變了傳統(tǒng)的管理模式，監(jiān)測層可以應用一體化平臺實時掌握現(xiàn)場生產(chǎn)動態(tài)，利用門限值報警、指令性預警、模型法報警、大數(shù)據(jù)分析報警等功能及時發(fā)現(xiàn)異常，通過遠程指揮減少了上井頻次，節(jié)約了成本；利用井筒工程大數(shù)據(jù)庫，技術(shù)應用層可以對各專業(yè)數(shù)據(jù)集中分析處理，如通過大數(shù)據(jù)對區(qū)域地質(zhì)、鉆井液、定向井、電測、工程等數(shù)據(jù)分析研究，進而優(yōu)化鉆井參數(shù)，指導鉆井生產(chǎn)，有效提升鉆井平臺現(xiàn)場作業(yè)效率和質(zhì)量；管理層可以根據(jù)井筒實時生產(chǎn)信息，落實決策部署，合理調(diào)配資源，有效提高了管理效率。另外，通過信息平臺終端或手機APP，用戶可以隨時調(diào)用平臺數(shù)據(jù)，方便快速地查看井筒工程信息，不受時間和地點制約，從而建立一種全新的“移動辦公”模式，使管理與生產(chǎn)結(jié)合更加緊密。

3.4 目前存在的問題

3.4.1 巖屑錄井作業(yè)方面

通過多口井的現(xiàn)場試驗以及實際應用，發(fā)現(xiàn)在巖屑錄井方面仍存在以下問題：(1)巖屑采集系統(tǒng)人工安裝、維護需要專業(yè)知識和經(jīng)過培訓，對作業(yè)人員的綜合能力要求較高；(2)巖屑采集系統(tǒng)尚無巖屑自動清洗功能；(3)巖屑成像分析系統(tǒng)通過將巖屑顏色與標準色板對比確定顏色，并通過圖像分割提取巖屑特征，當巖屑重疊時難以準確識別巖性，且在算法上相對簡單，需要進一步完善算法或加入機器學習來完善巖屑識別；(4)各項作業(yè)流程操作還是存在過多的人工參與，需要集成發(fā)展，變繁為簡，才能進一步節(jié)約人工。

3.4.2 井筒信息建設(shè)方面

在井筒信息建設(shè)方面存在以下問題：(1)完成了井筒生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)的采集，但靜態(tài)數(shù)據(jù)主要依賴人工收集填報，需要根據(jù)各專業(yè)需求，分專業(yè)進一步完善靜態(tài)數(shù)據(jù)的錄入；(2)數(shù)據(jù)采集后，在智能分析方面需要與各專業(yè)路的需求和研究成果進一步結(jié)合，才能更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)分析、預警、預測功能；(3)部分區(qū)塊網(wǎng)絡(luò)信號弱，傳輸信號存在中斷現(xiàn)象；(4)系統(tǒng)功能在應用層還需要進一步培訓使用技巧，系統(tǒng)界面需要根據(jù)用戶需求和生產(chǎn)標準進一步統(tǒng)一完善。

4 未來發(fā)展方向

4.1 巖屑錄井一體化

針對巖屑錄井流程分工復雜，中間環(huán)節(jié)影響因素多，在現(xiàn)有的技術(shù)實踐基礎(chǔ)上，提出了巖屑錄井一體化的發(fā)展方向，即通過多技術(shù)集成實現(xiàn)巖屑采集、清洗、成像、分析、識別、發(fā)布、存儲等一體化融合，達到對巖屑的“一趟錄”[5]，實現(xiàn)無人化巖屑錄井，從而最大程度地提高巖屑采集精度，從根本上減少錄井現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量，消除人為因素的影響，統(tǒng)一巖屑描述標準，并為后方專家決策提供及時、準確的判斷依據(jù)，通過前后方協(xié)同以及技術(shù)提質(zhì)提效實現(xiàn)隊伍人員配置優(yōu)化，降低人工成本。

4.2 井筒信息數(shù)智化

井筒信息數(shù)智化是在井筒信息一體化的基礎(chǔ)上，采集更多更廣的數(shù)據(jù)信息，為油氣田生產(chǎn)與管理積累大數(shù)據(jù)[6]，在滿足各專業(yè)數(shù)據(jù)共享需求的同時，與各專業(yè)間研究成果相結(jié)合，開發(fā)數(shù)據(jù)分析挖掘系統(tǒng)，并與生產(chǎn)系統(tǒng)融合，實現(xiàn)井筒建設(shè)期與生產(chǎn)期全開發(fā)周期的數(shù)據(jù)一體化高效管理。井筒信息的數(shù)智化發(fā)展能夠在生產(chǎn)、研究工作中實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，科研人員通過數(shù)智化信息平臺能夠直接參與開發(fā)現(xiàn)場的技術(shù)管理，實現(xiàn)真正意義上的“科研+生產(chǎn)”全面融合[7]，為挖掘數(shù)據(jù)價值、支持科學決策、提升井筒建設(shè)管理水平提供技術(shù)支撐，提高氣田高效開發(fā)成效。

4.3 管理智能化

在井筒信息實現(xiàn)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)挖掘、人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進行智能分析、識別、判斷，實現(xiàn)井筒作業(yè)智能管理和指令發(fā)布，提高井筒工程HSE管理水平，并降低管理成本，如在壓裂過程中，通過對泵壓、排量、加砂量等參數(shù)的采集、監(jiān)控和智能分析，及時判斷砂堵，準確進行超壓預警，并在第一時間將信息反饋至現(xiàn)場，實現(xiàn)智能管理和預警。

5 結(jié)束語

長慶油田蘇南公司立足于數(shù)智化氣田建設(shè)目標，堅持問題和需求導向，通過數(shù)智化錄井技術(shù)探索應用，在有效提升巖屑錄井質(zhì)量的同時，采用井筒信息一體化管理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，提高了井筒工程建設(shè)管理水平。未來，蘇南公司將在巖屑錄井一體化、井筒信息數(shù)智化、管理智能化等方面，加強統(tǒng)籌謀劃，做好頂層設(shè)計，進一步推動數(shù)智化氣田建設(shè)，為實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、牢牢端穩(wěn)能源飯碗提供強有力的技術(shù)支撐。