新形勢(shì)下智能化鉆井軟件發(fā)展模式

李 博，陳志學(xué)，陳雪峰，李明印，饒家富，康 健

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

智能化鉆井技術(shù)能夠大規(guī)模提高鉆井工程效率，減少鉆井事故復(fù)雜，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。目前，國外多種新型智能化鉆井技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在鉆井工程中，為鉆井工程工作帶來了新的發(fā)展方向。但是我國智能化鉆井技術(shù)受制于技術(shù)要求，還未在鉆井工作中得到廣泛應(yīng)用，與其他發(fā)達(dá)國家差距依舊較大，但是我國已經(jīng)加快智能化鉆井技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，不斷提升我國石油鉆井技術(shù)水平。

1 鉆井化智能軟件存在的問題和挑戰(zhàn)

（1）智能鉆井技術(shù)建設(shè)需要軟件、硬件結(jié)合，但目前部分硬件技術(shù)還存在一定問題，難以在高溫、高壓、高含硫條件下長(zhǎng)時(shí)間正常工作；例如塔里木盆地庫車山前井底溫度超過200°C、壓力超過100MPa，螺桿、MWD 等井下鉆井工具難以在高溫高壓條件下長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)；

（2）鉆井工程生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)多，專業(yè)跨度大，協(xié)同管理難，相關(guān)學(xué)科節(jié)點(diǎn)過多，數(shù)據(jù)量龐大，分類困難。安全生產(chǎn)、高效的生產(chǎn)運(yùn)行將涉及鉆井、固井、鉆井液等多部門多專業(yè)協(xié)調(diào)，相對(duì)統(tǒng)一管理困難；

（3）管理模式發(fā)生沖擊信息化建設(shè)對(duì)目前管理方式帶來了極大沖擊，智能管理平臺(tái)的信息化建設(shè)將會(huì)最大化節(jié)約成本，釋放大量人力資源和社會(huì)物質(zhì)資源，勞動(dòng)組織架構(gòu)合計(jì)勞動(dòng)組織方式的深刻變革，生產(chǎn)資源將會(huì)重新分配。

2 數(shù)據(jù)庫管理

智能化鉆井軟件可總結(jié)為：依托數(shù)字油田智能建設(shè)總體框架，在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)篩選，利用計(jì)算機(jī)給定運(yùn)算模式，將計(jì)算結(jié)果反饋到現(xiàn)場(chǎng)，指導(dǎo)生產(chǎn)的一種安全、高效的辦公平臺(tái)，所以硬件是基礎(chǔ)，軟件是關(guān)鍵[1]。

成熟、高效的智能化鉆井軟件主要包括兩部分：一是完整的數(shù)據(jù)庫，規(guī)模化的軟件離不開基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持，任何一個(gè)理論結(jié)果都是在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到的；二是運(yùn)行規(guī)則，目前為止更多的運(yùn)行規(guī)則仍然依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行獲取，由此導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果存在一定誤差，但是隨著大數(shù)據(jù)的逐漸完善，更多的運(yùn)行規(guī)則必將逐步完善，逐步消除誤差，獲取精確結(jié)果。

數(shù)據(jù)的地位應(yīng)該高于業(yè)務(wù)與技術(shù)，技術(shù)的創(chuàng)新都是源于數(shù)據(jù)的支持，任何技術(shù)的進(jìn)步離不開以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為核心的技術(shù)支持，即油田信息化建設(shè)應(yīng)該以數(shù)據(jù)為核心進(jìn)行開展，數(shù)據(jù)是支撐鉆井技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，如何將有用數(shù)據(jù)甄別出來，用以支持技術(shù)的進(jìn)步、科技的創(chuàng)新，是大數(shù)據(jù)池的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)庫的建立主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用三個(gè)階段[2]。

2.1 數(shù)據(jù)采集

隨著油田井下高溫、高壓、無線傳感器的成熟應(yīng)用，油田生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集逐步趨于完善，已經(jīng)基本達(dá)到數(shù)據(jù)穩(wěn)定、及時(shí)、準(zhǔn)確采集的基礎(chǔ)條件。數(shù)據(jù)采集是將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器一并采集到數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行存儲(chǔ)。以鉆井生產(chǎn)為例：按照生產(chǎn)過程可分類為純鉆時(shí)間、井深、進(jìn)尺、鉆井液密度、起下鉆等。時(shí)間可分類為秒度數(shù)據(jù)、分度數(shù)據(jù)、時(shí)度數(shù)據(jù)、日度數(shù)據(jù)、月度數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，是信息化構(gòu)建的基礎(chǔ)框架，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確越高、及時(shí)性越強(qiáng)，數(shù)據(jù)庫建立也就越充分完整，后續(xù)軟件調(diào)取越方便、快捷[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理和分析

單一數(shù)據(jù)往往無法最大化發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值，原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步處理，將數(shù)據(jù)組合起來進(jìn)行多維化處理，才能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)最根本價(jià)值，例如將井深數(shù)據(jù)、套管數(shù)據(jù)、完鉆原則、鉆井液密度等多種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行串聯(lián)組合，才能將井身結(jié)構(gòu)展示出來（圖1）；將純鉆時(shí)間和進(jìn)尺數(shù)據(jù)相結(jié)合，就可以得到機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)。

圖1 井身結(jié)構(gòu)

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，利用大數(shù)據(jù)尋找規(guī)律圖版，找出結(jié)果支撐數(shù)據(jù)，將多維數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的精準(zhǔn)定位，才能進(jìn)一步促進(jìn)鉆井生產(chǎn)。具體來說：我們多數(shù)需要的不是原始采集數(shù)據(jù)，而是原始數(shù)據(jù)經(jīng)過進(jìn)一步分析得到的衍生數(shù)據(jù)，鉆井生產(chǎn)過程中多數(shù)數(shù)據(jù)并不能直接進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)候就需要利用公式、人工經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)軟件進(jìn)行計(jì)算校核，才能得到我們想要的數(shù)據(jù)[4]。

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)庫是按一定規(guī)則將原數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、分析、計(jì)算的一個(gè)集合體。它實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫訪問的用戶管理，權(quán)限分配，數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出，應(yīng)用系統(tǒng)的集成開發(fā)管理功能。

數(shù)據(jù)庫可以看作存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)的大型倉庫，其中的數(shù)據(jù)可供任意存取、處理、分析及傳輸，數(shù)據(jù)庫建立的最終目的就是應(yīng)用，如圖2數(shù)據(jù)類型分類。數(shù)據(jù)庫是從多個(gè)渠道獲取原數(shù)據(jù)進(jìn)行集中數(shù)據(jù)處理分析，為后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用、調(diào)取構(gòu)建基礎(chǔ)框架，為不同部門、不同用戶提供可信度高的數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)庫建立可以省去后續(xù)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間，是用戶讀取數(shù)據(jù)最為方便的平臺(tái)[5]。

圖2 數(shù)據(jù)類型分類

3 智能鉆井軟件應(yīng)用前景

智能化鉆井軟件是油田信息化建設(shè)發(fā)展過程中的主要組成部分，是在數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的基礎(chǔ)上，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等計(jì)算方式，加入人工經(jīng)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生的可以斷崖式節(jié)能降耗、提質(zhì)增效最安全高效的辦公平臺(tái)。成熟的智能化鉆井軟件可以最大化體現(xiàn)出數(shù)字化優(yōu)勢(shì)，挖掘出數(shù)據(jù)最大應(yīng)用價(jià)值，能夠最大化減少事務(wù)中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)領(lǐng)域、不同學(xué)科之間信息資源的高度共享，達(dá)到協(xié)同研發(fā)、協(xié)同管理的目的。智能化鉆井軟件可總結(jié)有兩大功能，第一指導(dǎo)生產(chǎn)、提質(zhì)增效；第二安全監(jiān)測(cè)。

3.1 指導(dǎo)生產(chǎn)、提質(zhì)增效

目前為止，鉆井過程中參數(shù)的確定，仍需要人工臨時(shí)決定，受外界因素、個(gè)人素質(zhì)影響大，不確定性強(qiáng)。智能化鉆井軟件涉及的鉆進(jìn)參數(shù)、鉆井液技術(shù)、固井、測(cè)井等任何參數(shù)的確定都無法及時(shí)得到最優(yōu)解。但成熟的智能化鉆井軟件可全面感知實(shí)時(shí)井況，在鉆井過程中根據(jù)井場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，將最真實(shí)、穩(wěn)定、可靠數(shù)據(jù)，快速傳至數(shù)據(jù)庫中，以數(shù)據(jù)庫為依托，利用人工智能技術(shù)，將專家人工經(jīng)驗(yàn)融入系統(tǒng)平臺(tái)中，由智能鉆井平臺(tái)計(jì)算出最合理鉆井方案，實(shí)時(shí)給出最合理鉆井參數(shù)、工具、決策等建議，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo)。隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫規(guī)模的逐漸變大參數(shù)的準(zhǔn)確性也會(huì)逐步提高。

例如：在鉆井過程中，泵壓數(shù)據(jù)、扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)通過傳感器實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫經(jīng)過利用大數(shù)據(jù)篩選計(jì)算出類似工況，進(jìn)行參數(shù)匹配數(shù)據(jù)，經(jīng)過云計(jì)算可以給出合理的鉆井參數(shù)建議。直接反饋至鉆井平臺(tái)，直接指導(dǎo)生產(chǎn)。中石油工程技術(shù)研究院研發(fā)的《井下工況感知與實(shí)時(shí)優(yōu)化》通過應(yīng)用井底巖屑返出量監(jiān)測(cè)裝置，同步調(diào)用工程錄井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)井底巖屑返出率實(shí)時(shí)計(jì)算，定量化評(píng)價(jià)井眼清潔度，確定鉆進(jìn)最優(yōu)鉆井參數(shù)隨鉆調(diào)整鉆井參數(shù)，降低井底有害振動(dòng)，使鉆頭始終保持在高效破巖狀態(tài)，從而提高鉆頭破巖效率與機(jī)械鉆速、延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。

3.2 安全監(jiān)測(cè)

鉆井作業(yè)所處環(huán)境惡劣、施工難度大、技術(shù)要求高，給鉆井設(shè)備要求帶來諸多挑戰(zhàn)。但是截止目前，多數(shù)鉆井設(shè)備安全等級(jí)可以完全滿足生產(chǎn)開發(fā)的需求，而多數(shù)事故復(fù)雜原因是由于人工操作不規(guī)范、處置不及時(shí)、參數(shù)設(shè)置不合理等原因造成的。一旦發(fā)生鉆井事故復(fù)雜，直接影響到整個(gè)鉆井周期，人力物力產(chǎn)生極大浪費(fèi)，甚至造成人員傷亡。

智能化鉆井軟件可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)相關(guān)參數(shù)監(jiān)控，準(zhǔn)確模擬井下工況條件，并通過鉆井?dāng)?shù)據(jù)組合判斷，建立事故預(yù)警模型，將動(dòng)態(tài)鉆井物理模型與人工智能、數(shù)據(jù)挖掘算法相結(jié)合，對(duì)事故復(fù)雜發(fā)生概率進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前預(yù)判溢流、漏失、鉆具疲勞等工況，通過智能診斷故障、提前預(yù)警、科學(xué)分析、優(yōu)化處理4種智能化手段，最大限度降低事故復(fù)雜發(fā)生的概率[6]。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

智能化鉆井新技術(shù)可以提高石油鉆井過程的效率，降低石油鉆井過程中的事故和復(fù)雜，降低鉆井工作的成本，有效推動(dòng)石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，今后將成為鉆井作業(yè)的主要技術(shù)。但是我國智能化鉆井新技術(shù)起步較晚，較之世界上其他一些國家仍然存在一定的差距，部分鉆井設(shè)備和工具還需進(jìn)口，鉆井技術(shù)智能化程度相對(duì)較低，我們必須加大對(duì)智能化鉆井新技術(shù)研發(fā)力度，開發(fā)出更多高效、穩(wěn)定、安全的智能化鉆井利器，有效地提升鉆井作業(yè)的工作效率以及安全，保證石油企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)了鉆井作業(yè)精準(zhǔn)管理與開發(fā)。