鉆井液智能調(diào)度與可視化平臺建設(shè)

楊小平，徐輝，彭碧強，劉銳，林陽升，陳夢圓，魚陽陽，李嘉浩

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司（四川 成都 610056）

2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司（重慶 401120）

3.西安石大派普特科技工程有限公司（陜西 西安 710064）

4.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院（陜西 西安 710065）

0 引言

鉆井液作為油氣田生產(chǎn)建設(shè)過程中的“血液”，是保障石油天然氣安全高效勘探開發(fā)的堅實基礎(chǔ)。隨著石油鉆井工程技術(shù)的進步和發(fā)展，對鉆井液及其配套服務(wù)的要求不斷提高，鉆井液技術(shù)服務(wù)公司的調(diào)度工作量快速增長，導(dǎo)致公司現(xiàn)有的生產(chǎn)運行模式矛盾日益突出，具體體現(xiàn)在：①儲配站與井場間供求信息無法提前掌握，訂單信息同步效率低下；②鉆井液位置、泥漿類型與儲量綜合調(diào)度的人工依賴性太強，點對點的調(diào)度方案經(jīng)濟性差；③調(diào)度過程中第三方承運單位的行程不能實時追蹤，應(yīng)急搶險時效性得不到可靠保障。

國內(nèi)外學(xué)者針對類似運輸過程中存在的難題開展了一系列相關(guān)研究。張源凱等人[1]以派車成本與油耗成本之和的總成本最小為目標(biāo)，建立了多車型多車艙的車輛優(yōu)化調(diào)度模型，提出一種基于C-W 節(jié)約算法的“需求拆分→合并裝載”的車輛裝載策略，并綜合利用Relocate 和Exchange 算子進行并行鄰域搜索改進，獲得優(yōu)化的成品油配送方案。鄧先瑞等人[2]以最短路徑為目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群算法對多約束配送車輛調(diào)度的數(shù)學(xué)模型進行求解，通過對每次迭代產(chǎn)生的粒子群進行分類操作，加快算法搜索速度的同時避免陷入局部最優(yōu)。丁雪楓等人[3]針對屬性權(quán)重未知情形下的地震應(yīng)急物資運輸方案決策問題，提出了一種Pythagorean模糊不確定語言與前景理論相結(jié)合的改進VIKOR決策方法，為地震應(yīng)急物資是否合理運輸提供決策支持。Yadvendra Kacher 等人[4]對運輸問題的類型及其系統(tǒng)發(fā)展進行全面的總結(jié)概述，指導(dǎo)工作人員對需要解決的問題進行分類并選擇相應(yīng)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，不難發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的線性規(guī)劃求解方法與改進的元啟發(fā)式算法已經(jīng)在農(nóng)業(yè)運輸、集貨運輸、企業(yè)運輸與露天礦運輸?shù)榷鄠€行業(yè)成功應(yīng)用[5-8]，而石油與天然氣開采過程中鉆井液的運輸問題仍未得到有效解決。為此，為提升鉆井液調(diào)配過程中站與井之間鉆井液體量的協(xié)同性、調(diào)度決策的經(jīng)濟性、信息追蹤的時效性以及運營管理的科學(xué)性，同步運行系統(tǒng)完善鉆井液日報管理模塊，采用運籌學(xué)線性規(guī)劃運輸問題求解方法完成調(diào)度方案推薦，借助GIS 地圖模塊橫向集成第三方運輸平臺獲取車輛實時位置信息，通過先進的物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)進行智能化管理，最終搭建鉆井液智能調(diào)度及可視化平臺，以提升鉆井液公司的生產(chǎn)運行效率[9-10]。

1 平臺建設(shè)

1.1 運輸流程

鉆井液運輸分常規(guī)運輸與應(yīng)急運輸兩種情況，包含訂單申請、訂單審核、調(diào)度管理、運輸管理以及訂單簽收5 個環(huán)節(jié)。常規(guī)運輸過程中，由作業(yè)隊發(fā)起鉆井液體系-密度-量的轉(zhuǎn)出申請，經(jīng)項目部初步完成轉(zhuǎn)入點安排，運行辦調(diào)度人員通過運距矩陣核算方案的經(jīng)濟性并交由第三方運輸單位安排運輸，運輸車輛在到達轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入點后由作業(yè)隊進行簽認(rèn)工作。應(yīng)急運輸過程中作業(yè)隊鉆井液申請單直接提交至運行辦進行調(diào)度處理。運輸流程如圖1 所示。

圖1 鉆井液運輸流程

由于開發(fā)井?dāng)?shù)量眾多，現(xiàn)場工況多變，在開發(fā)過程中多數(shù)井場對鉆井液的需求大于供應(yīng)，僅在固井與完井等少數(shù)情況下作業(yè)隊會申請對鉆井液的轉(zhuǎn)出。運行辦調(diào)度人員通過人工方式無法對轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入需求進行提前統(tǒng)計分析，當(dāng)多數(shù)作業(yè)隊發(fā)起申請時，僅依靠各項目部迅速協(xié)調(diào)附近井場作業(yè)隊確認(rèn)調(diào)度信息以達到供需平衡，整個申請、審核與調(diào)度均為點對點單向過程。同時，交由第三方運輸單位的運單不能及時返回派車信息，后續(xù)運輸、轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入過程中存在時間差與信息差，各單位之間需頻繁溝通確認(rèn)，方能確保運輸?shù)捻樌M行。

1.2 系統(tǒng)需求

鉆井液公司現(xiàn)有的運輸模式雖然保障了當(dāng)前調(diào)度的及時性，卻無法從全局出發(fā)，構(gòu)造供大于求的訂單申請狀況，完成科學(xué)經(jīng)濟的調(diào)度管理以及運輸、簽收信息的一體化建設(shè)。針對運輸過程中存在的一系列問題，鉆井液公司需要建立一套能夠集成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、方案推薦與路線追蹤的智能調(diào)度與可視化平臺，以提高鉆井液在供需方面的信息傳遞效率，減少人工成本，改變應(yīng)急保障的傳統(tǒng)運行模式。其系統(tǒng)需求主要包括以下3個方面。

1）數(shù)據(jù)統(tǒng)計。儲配站與井場間供求信息難以提前掌握，信息同步效率低下，主要表現(xiàn)為：①新試油井場與其他站/井之間的位置不詳，需借助地圖完成各歷史站、井相對位置關(guān)系的統(tǒng)一管理；②儲配站日報與井場日報等均通過傳統(tǒng)報表形式上報，需建立一套完整的鉆井液日報系統(tǒng)完成其數(shù)據(jù)管理；③鉆井液調(diào)度過程中，申請-審核-調(diào)度-運輸-簽收與臺賬管理等環(huán)節(jié)涉及到的表單類型眾多，受人為干預(yù)影響較大，需建立表單管理系統(tǒng)，完成調(diào)度各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的記錄與分析，以保障調(diào)度過程中信息的協(xié)同性。

2）方案推薦。鉆井液位置、泥漿類型與儲量綜合調(diào)度的人工依賴性太強，調(diào)度方案經(jīng)濟性差，主要體現(xiàn)在：①申請后立即處理的運行模式使得同一時間段內(nèi)鉆井液轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入關(guān)系不能完全統(tǒng)一，全局調(diào)度數(shù)據(jù)不能完整體現(xiàn)，故需建立鉆井液申請-審核列表模塊，完成對運輸車輛到達時間的約束；②傳統(tǒng)的調(diào)度方案只對轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入進行一對一考慮，各個方案之間的相互影響較大，需通過優(yōu)化算法對整體方案的最終結(jié)果進行合理預(yù)算；③在調(diào)度方案推薦時，需對各個站/井轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出關(guān)系、鉆井液體系密度量信息、路徑方案推薦等進行可視化預(yù)覽，保證調(diào)度的時效性與經(jīng)濟性。

3）路線追蹤。由于鉆井液交由第三方單位承運，故其車輛的行程不能實時追蹤，應(yīng)急搶險時效性得不到可靠保障，其可視化需求表現(xiàn)為：①運輸單位安排運輸之前，調(diào)度人員有權(quán)對運輸單進行修改與撤回；②運輸單位安排運輸后，需對其運輸車輛進行實時追蹤；③運輸車輛到達轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入點時，需對車輛信息與轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入信息完成核查，通過一系列的信息傳遞保證整個運輸過程的連貫性與科學(xué)性。

1.3 平臺設(shè)計

鉆井液智能調(diào)度及可視化平臺基于分布式計算技術(shù)進行開發(fā)，整體采用WEB B/S 結(jié)構(gòu)，前端采用JQUERY EASYUI 框架，后端采用主流技術(shù)框架SPRINGBOOT 框架，平臺與MYSQL 之間以JDBC 連接進行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理。客戶端通過AJAX 請求訪問服務(wù)端數(shù)據(jù)庫，根據(jù)相應(yīng)規(guī)則將封裝數(shù)據(jù)返回至客戶端進行結(jié)果展示。平臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

平臺包含數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和展示層，分基礎(chǔ)信息管理、可視化、訂單管理、臺賬管理、報警管理、角色管理與操作說明7個部分。

1）基礎(chǔ)信息管理：主要用于同步更新鉆井液公司站/井基礎(chǔ)信息以及運輸公司車輛基礎(chǔ)信息，站/井基礎(chǔ)信息為鉆井液公司各作業(yè)隊與儲配站/生產(chǎn)井之間的關(guān)聯(lián)信息，以及各生產(chǎn)井儲存鉆井液基礎(chǔ)統(tǒng)計信息。運輸公司車輛基礎(chǔ)信息主要包括車牌號、車輛類型以及車輛位置接口數(shù)據(jù)更新時間等。

2）可視化：可視化部分主要對鉆井液公司各井場以及運輸公司各車輛進行可視化展示，根據(jù)不同訂單狀態(tài)以及車輛類型對其分類展示，運行辦工作人員可以在地圖精確查詢訂單井的位置以及附近的運輸車輛，也可以通過范圍查詢功能，滿足第三方應(yīng)急搶險需求。

3）訂單管理：訂單管理部分根據(jù)用戶職能設(shè)計為申請/審核、調(diào)度管理與運輸/簽認(rèn)3個模塊。訂單申請/審核模塊通過靈活約束各作業(yè)隊發(fā)起轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的要求到達時間，以構(gòu)造供大于求的調(diào)度狀態(tài)；調(diào)度管理模塊根據(jù)申請轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出狀態(tài)，通過距離排序，體系、密度、量的篩選計算推薦最佳轉(zhuǎn)出位置與轉(zhuǎn)出量，同時運行辦人員可自定義轉(zhuǎn)出方案，進行經(jīng)濟性對比分析；運輸/簽認(rèn)模塊同時同步訂單申請/審核模塊申請信息與調(diào)度管理模塊調(diào)度信息，作業(yè)隊在轉(zhuǎn)出時確認(rèn)轉(zhuǎn)出訂單信息，同時完善車牌、司機與聯(lián)系方式，以完成運輸軌跡的追蹤，申請轉(zhuǎn)入的作業(yè)隊在轉(zhuǎn)入時確認(rèn)轉(zhuǎn)入信息與運輸信息，完成對里程與費用的統(tǒng)計上報。

4）臺賬管理：臺賬管理模塊主要用于對申請至簽收過程中訂單的關(guān)鍵信息進行自動同步，同時可對一些特殊信息進行補充編輯，方便后續(xù)的統(tǒng)計分析。

5）報警管理：報警管理模塊主要對鉆井液公司運輸流程中各個環(huán)節(jié)各個角色的完成情況進行提醒，如在訂單轉(zhuǎn)出12 h 后轉(zhuǎn)入井作業(yè)隊未簽認(rèn)里程與費用，則推送運輸詳細信息至作業(yè)隊與相關(guān)部門進行提醒。

6）角色管理：角色管理模塊主要根據(jù)鉆井液公司作業(yè)隊、項目部與運行辦角色的不同職能，設(shè)定各模塊信息查看權(quán)限，如作業(yè)隊僅能查看訂單申請與簽收模塊與自己井場相關(guān)的申請訂單與運輸單等。

7）操作說明：針對不同角色制定不同用戶手冊，幫助用戶明確操作流程，對操作中出現(xiàn)的特殊情況進行相應(yīng)說明。

2 智能調(diào)度

2.1 運輸問題

當(dāng)前運行模式下，鉆井液公司的調(diào)度問題就是解決把某種特定性能的鉆井液從若干個可轉(zhuǎn)出點調(diào)運到若干個轉(zhuǎn)入點，使得全局運輸費用最小的方案。各轉(zhuǎn)出點與轉(zhuǎn)入點的鉆井液量與單位運價見表1。

表1 鉆井液調(diào)度過程參數(shù)表

鉆井液調(diào)度是一種特殊的最小費用網(wǎng)絡(luò)流問題，理論上從供給節(jié)點流入需求節(jié)點即為一個完整的運輸過程。但是受現(xiàn)場工況影響，其在特定時間范圍內(nèi)每個節(jié)點均是一個純供給節(jié)點或純需求節(jié)點，多數(shù)情況下井場與井場之間處于供需不平衡的狀態(tài)，且需求具有一定的彈性。在鉆井液調(diào)度過程中，儲配站通常同時作為轉(zhuǎn)出點與轉(zhuǎn)入點，即可在一定程度上滿足轉(zhuǎn)運需求，但過于依賴儲配站進行轉(zhuǎn)運將會造成管理與運輸成本的增加。

2.2 模型建立

分析鉆井液調(diào)度過程中的運輸問題，已知有m個轉(zhuǎn)出地點Ai,i= 1,2,...,m,可轉(zhuǎn)出某種體系密度下的鉆井液，其相應(yīng)的供應(yīng)量分別為ai；有n個轉(zhuǎn)入點Bj,j =1,2,...,n，鉆井液需求量分別為bj。

鉆井液調(diào)度運輸過程中的數(shù)學(xué)模型為：

從Ai到Bj的鉆井液運輸量xij = ρ·Vρ，第三方運輸單位鉆井液的運輸單價為cij = dij·α

其中，ρ為鉆井液的體系-密度，g/cm3；Vρ表示該體系-密度下的體積，m3；dij表示Ai與Bj之間的運距，dij≥50 km；α為單位運價，如1.05元/(t·km)。將鉆井液運輸問題轉(zhuǎn)化為平衡運輸問題，則其相應(yīng)的約束為：

鉆井液需完成體系匹配且供應(yīng)密度ρa與需求密度ρb范圍在0.2g/cm3之內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，通過添加訂單申請時間約束以期在滿足調(diào)度時效性的同時降低對儲配站的依賴度：

ti,j表示Ai與Bj實際調(diào)度鉆井液所用的時間，T代表其作業(yè)隊要求車輛到達的時間[11]。

2.3 算法求解

分析建立的鉆井液運輸問題的數(shù)學(xué)模型，其包含m × n個變量，由（m+n）個約束方程組成，系數(shù)矩陣結(jié)構(gòu)松散且特殊，對于供需平衡的鉆井液運輸問題，其所有變量均有界，模型最多只有m + n -1個獨立約束方程，即系數(shù)矩陣的秩≤m + n -1，通過表上作業(yè)法即可尋得最優(yōu)解。

傳統(tǒng)的運輸問題線性規(guī)劃求解方法具有典型的彈性約束、多目標(biāo)與動態(tài)規(guī)劃[12-15]等特點，而在鉆井液的調(diào)度問題中，其規(guī)劃方案的約束與目標(biāo)相對固定，故如粒子群、遺傳、模擬退火與蟻群等多種啟發(fā)式優(yōu)化算法同樣能發(fā)揮作用，在模型的精度和可處理性之間作好平衡【9-10】。在敏感性分析階段，通過最小元素法對鉆井液歷史運輸流程進行復(fù)現(xiàn)，根據(jù)鉆井液調(diào)度過程中的特殊情況設(shè)計調(diào)度算法流程如圖3所示。

圖3 鉆井液智能調(diào)度算法求解流程

3 平臺測試分析

根據(jù)鉆井液公司2022 年1—6 月泥漿運輸臺賬進行分析，2022 年上半年運輸泥漿2 166 單，平均每單運費1.37 萬元。其中，井至井的運輸單占比約60%，儲配站轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入占比約40%。單月最高運輸泥漿448 單，單日最高運輸泥漿20 單。選取轉(zhuǎn)運頻次較高的GM 儲配站相關(guān)訂單進行流程與算法復(fù)驗，將計算所得運費與實際進行對比，所得平均誤差如圖4所示。

圖4 2022年1—6月GM站關(guān)聯(lián)訂單經(jīng)濟測試結(jié)果

系統(tǒng)測試階段，訂單申請數(shù)為上半年申請數(shù)的1.9 倍，單次運輸價格降低至1.28 萬元/單（圖5），鉆井液公司生產(chǎn)運行管理模式發(fā)生如下變化：

圖5 2022年7—12月申請單數(shù)與運輸單價

1）作業(yè)隊申請訂單數(shù)成倍增加。相較于傳統(tǒng)的訂單單向申請，雙向申請與時間約束管理可在一定程度上為調(diào)度管理提供更多的最優(yōu)解決方案。

2）各部門信息覆蓋范圍增加。相較于傳統(tǒng)的片區(qū)點對點調(diào)度模式，項目部和運行辦在原有的職能基礎(chǔ)上可以同時把控前后流程的運輸狀態(tài)，提升了調(diào)度的全局性。

3）調(diào)度時效性增強。相較于傳統(tǒng)的電話追蹤運輸狀態(tài)，通過時間約束與運輸追蹤，作業(yè)隊從申請發(fā)起到訂單簽收過程中，運輸管理模式更加完善，整體調(diào)度時間縮短，效率提升。

4）整體運輸經(jīng)濟下降。相較于傳統(tǒng)的調(diào)度盲區(qū)與運輸盲區(qū)，新建一體化訂單管理模塊在規(guī)范申請與調(diào)度過程的同時也對第三方運輸起到一定的約束作用，使得井-井之間的運輸頻次升高，儲配站中間轉(zhuǎn)運頻次降低，極大節(jié)約了運輸成本。

5）信息傳輸效率提升。新建平臺在各個環(huán)節(jié)建立統(tǒng)計報表功能，對各階段操作信息進行記錄，信息傳遞的速率提升。

2022 年10 月26 日L203H9 井場作業(yè)隊固井值班，其申請轉(zhuǎn)出油基鉆井液80 m3，調(diào)度人員立即安排將其運輸至WY站。10月28日，W202H24井漏申請油基鉆井液30 m3，調(diào)度人員將已運至WY 站的鉆井液部分轉(zhuǎn)運至W202H24 井場。通過智能調(diào)度與可視化平臺方案推薦，將原計劃轉(zhuǎn)至WY 儲配站的鉆井液部分運輸至W202H24井場，解決調(diào)度過程中約束不足導(dǎo)致儲配站參與轉(zhuǎn)運、整體運輸經(jīng)濟性下降的問題，節(jié)省運費約3 696 元。鉆井液值班臺賬見表2。

表2 鉆井液值班臺賬

4 結(jié)論及認(rèn)識

為解決鉆井液運輸過程中存在的信息同步率低、調(diào)度方案經(jīng)濟性差、運輸行程無法實時追蹤等問題，通過搭建鉆井液智能調(diào)度與可視化平臺，取得如下成果與認(rèn)識：

1）通過可視化平臺建設(shè)加強鉆井液公司信息同步速率，對鉆井液儲備信息、申請信息與運輸信息的實時追蹤，有效地提升了調(diào)度的協(xié)同性與一體性。

2）通過對訂單管理流程的重新設(shè)計，采用線性規(guī)劃方法對申請單進行約束，有效地降低了儲配站中轉(zhuǎn)次數(shù)，使得整體運行效率提高，運輸經(jīng)濟支出降低。

3）通過設(shè)計整合鉆井液基礎(chǔ)信息管理與可視化模塊，智能調(diào)度模塊以及運輸模塊，使得平臺極具擴展性與兼容性，有望向整個石油與天然氣行業(yè)中的類似物資調(diào)用過程進行推廣。