基于數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)的設計

張媛

摘要：近年來，能源行業(yè)國際競爭激烈程度不斷提升，如何實現(xiàn)能源安全、高水平開采已成為整個產(chǎn)業(yè)深度關注的問題，各國能源開采行業(yè)紛紛探索如何將先進技術應用于鉆井工程之中，以在安全性、開采效率、開采成本等維度提升產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。從基于數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)設計研究，以數(shù)字孿生技術為核心，面向作業(yè)數(shù)據(jù)分析、工程參數(shù)對比與預測等多維度入手進行系統(tǒng)設計，并對系統(tǒng)在實際企業(yè)中的運用效果加以分析。

關鍵詞：數(shù)字孿生技術；鉆井工程；智能作業(yè)支持；系統(tǒng)設計

一、前言

將數(shù)字孿生技術應用于鉆井工程智能作業(yè)支持，其不僅能夠通過建立虛擬井筒和實體井筒的聯(lián)系，實現(xiàn)對鉆井作業(yè)全生命周期的數(shù)字化管理與監(jiān)控，同時可通過大數(shù)據(jù)分析和機器學習等技術，對數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析，提高作業(yè)效率和決策質量，并實現(xiàn)鉆井工程作業(yè)階段故障診斷與預測，最大限度發(fā)揮井下設備的效用，提升鉆井工程作業(yè)質量與效率。

二、數(shù)字孿生技術介紹及應用現(xiàn)狀

（一）數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生的概念最早在2002年，由美國密歇根大學Michael Grieves教授在產(chǎn)品全生命周期管理課程中提出。2011年，美國空軍研究實驗室提出了“機身數(shù)字孿生”的概念，數(shù)字孿生開始在制造領域引起廣泛關注。隨后，2012年數(shù)字孿生技術成為美國通用電氣公司提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念的重要組成部分，2017年中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺白皮書》將數(shù)字孿生作為重要技術之一。特別是近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術等數(shù)字技術的發(fā)展，數(shù)字孿生技術在智能制造、智能建筑、水利工程、智慧城市等領域有了更廣泛的應用。

（二）數(shù)字孿生技術在石油工程領域的應用現(xiàn)狀

目前，數(shù)字孿生技術在石油工程領域的應用已成為研究熱點，川慶鉆探工程有限公司作為中國石油集團工程技術服務板塊數(shù)字化轉型智能化發(fā)展試點示范單位，率先提出數(shù)字孿生概念，并研發(fā)數(shù)字3D智能作業(yè)現(xiàn)場，其主要應用方向集中于數(shù)值模擬、油藏開發(fā)、工具優(yōu)化、預測維護等。例如，數(shù)值模擬視角下，通過數(shù)字孿生技術能夠快速創(chuàng)建三維油藏模型，并進行數(shù)字模擬。通過模擬，可以快速了解流體的運動和物質輸送等流動特性，為油的開發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎。

三、傳統(tǒng)機理模型在鉆井工程中的弊端分析

盡管傳統(tǒng)機理模型在鉆井工程中應用廣泛，但在實際應用階段長期存在如下弊端：

（一）難以精準預測與模擬

鉆井工程具有多目標、多環(huán)節(jié)和復雜性高特征，作業(yè)階段涉及從地面到井下一系列的操作和控制，如鉆頭的旋轉、鉆頭的壓力、泥漿的循環(huán)等，這些操作均受到多個因素的影響，而傳統(tǒng)機理模型難以完全模擬和精準預測鉆井過程的各個環(huán)節(jié)和變化。

（二）井下數(shù)據(jù)難以獲取

鉆井作業(yè)過程中井下環(huán)境復雜，且難以獲取數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)機理模型的建立需要井下大量的數(shù)據(jù)支持，但生產(chǎn)單位往往難以獲取足夠的數(shù)據(jù)進行建模計算。

（三）傳統(tǒng)模型難以耦合

鉆井過程中，各種工具和設備之間的相互作用會影響鉆井效率和效果，傳統(tǒng)機理模型難以耦合各個部分的模型來建立綜合模型，導致了中空井鉆掌子面壓力、泥漿壓降和徑向切向應力等參數(shù)預測誤差較大[1]。

四、基于數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)設計

（一）功能需求分析

1.數(shù)據(jù)獲取與分析需求

本次基于數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)，對于數(shù)據(jù)獲取與分析的需求包括系統(tǒng)需要具備實時獲取井口、靶體、井身結構參數(shù)，設備運轉數(shù)據(jù)、現(xiàn)場作業(yè)視頻、井眼軌跡、鉆井參數(shù)、鉆井液性能參數(shù)等數(shù)據(jù)，同時基于對數(shù)據(jù)的計算、分析，實現(xiàn)各項功能的決策支持。

2.功能需求分析

（1）工程參數(shù)比對、分析與預測

鉆工程需要收集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并將其反饋至虛擬井筒模型，通過對模型數(shù)據(jù)的比對、分析和預測為鉆井工程師提供準確的作業(yè)決策支持，包括安全措施、操作參數(shù)調整、設備調配等方面。

（2）研發(fā)生產(chǎn)計劃、井眼軌跡設計

系統(tǒng)需要幫助鉆井工程師設計生產(chǎn)計劃和井眼軌跡，并在鉆井作業(yè)中實時更新計劃和軌跡，以確保鉆井作業(yè)按計劃執(zhí)行，同時減少不必要的計劃變更和停工時間。

（3）防碰掃描、摩阻扭矩分析

系統(tǒng)需要提供防碰掃描和摩阻扭矩分析功能，并為鉆井工師提供及時的預警和解決方案，以減少鉆井中出現(xiàn)損壞和延期等情況的可能性。

（4）井眼凈化與當量循環(huán)密度分析

井眼化分析和當量循環(huán)密度分析是兩個關鍵鉆井工程參數(shù)，可以幫助鉆井工程師快速做出鉆井液性能參數(shù)和清理效率等方面的判斷、監(jiān)測和改進操作方案。該系統(tǒng)需能夠實時監(jiān)測、分析和展示井眼凈化與當量循環(huán)密度數(shù)據(jù)，助力鉆井操作的高效、安全和精確性，同時能夠讓生產(chǎn)單位及時采取相應的措施。

（5）漏失溢流跟蹤、地層壓力計算

系統(tǒng)需要能夠對漏失溢流進行跟蹤和監(jiān)測，并提供相應的預警和控制措施，避免發(fā)生安全事故，并且根據(jù)實時數(shù)據(jù)計算出地層壓力，為鉆井工程師提供準確的作業(yè)參數(shù)調整和對策支持。

（6）綜合性功能

所謂綜合性功能，即為了進一步增強系統(tǒng)的綜合應用能力，系統(tǒng)需要實現(xiàn)的視頻監(jiān)控、融合通信、鄰井查詢、施工方案優(yōu)化統(tǒng)計分析等附加功能。這些功能可以在實際鉆井應用中發(fā)揮巨大的作用，從而提高鉆井作業(yè)的質量和效益。

（二）系統(tǒng)整體結構設計

本次基于數(shù)字孿生的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)運行原理是基于DD孿生數(shù)據(jù)關聯(lián)SS井筒服務、VE虛擬井筒、PE實體井筒。圖1為系統(tǒng)五維模型圖。

本次基于數(shù)字孿生的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)整體結構，采取五層結構設計形式，包括感知層、支持層、數(shù)據(jù)層、應用層、服務層，具體見圖2。

如圖2所示，感知層主要負責原始數(shù)據(jù)的收集，其由各種傳感器、監(jiān)控攝像機、儀器儀表組成。其中，鉆井參數(shù)儀器用于收集鉆井過程的關鍵參數(shù)如鉆速、鉆壓等。鉆井液采集儀用于采集鉆井液性能和井下狀況等數(shù)據(jù)。MWD/LWD提供實時方向、傾角、鉆井力學、地層評價等數(shù)據(jù)。氣體檢測儀負責實時監(jiān)測井內氣體含量，以預警安全風險。業(yè)務管理系統(tǒng)會基于RFID技術實現(xiàn)物資跟蹤與管理，工業(yè)攝像機負責面向重要作業(yè)現(xiàn)場進行實時監(jiān)督。

支持層主要包括井場通訊網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠猩窠?jīng)。此外，本次系統(tǒng)支持層融合了邊緣計算和云計算等計算資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加工和處理，降低延遲，提高響應速度和計算能力。

數(shù)據(jù)層作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺，承擔著鉆井、鉆井液、錄井、固井、測井、地質、物資、設備等相關業(yè)務數(shù)據(jù)的接入、處理和存儲功能。這些數(shù)據(jù)既包括從感知層收集的實時數(shù)據(jù)，亦包括歷史數(shù)據(jù)和其他外部數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)層能夠對數(shù)據(jù)進行清洗、整合、增值處理，保證數(shù)據(jù)可靠、有效。

應用層是系統(tǒng)對外提供服務的接口層，包括生產(chǎn)調度應用、安全監(jiān)管平臺、遠程支持系統(tǒng)、技術服務軟件、設備運行監(jiān)控程序、工程設計工具、工程計算軟件和融合通信應用等。這些應用程序負責利用下層提供的數(shù)據(jù)、計算和網(wǎng)絡資源，為用戶提供實現(xiàn)鉆井作業(yè)優(yōu)化的各種服務。

服務層為系統(tǒng)最高層次，負責提供用戶交互服務，增強用戶體驗，包括可視化服務、遠程支持、自助服務、工程決策支持、績效考核、管理駕駛艙和知識管理等。其中，管理駕駛艙負責提供業(yè)務運營視圖和實時監(jiān)控，知識管理則是為工程存儲和管理大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，供學習和參考。

（三）孿生技術架構

本次系統(tǒng)孿生技術架構下包含數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、技術引擎模塊、孿生應用模塊、決策服務模塊，其中孿生應用層包括虛擬井筒子模塊、實體井筒子模塊，具體思維導圖如圖3。

如圖3所示，數(shù)據(jù)感知層是孿生技術架構的基礎，其包括多種數(shù)據(jù)采集設備和技術，如傳感器、射頻識別（RFID）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、視頻監(jiān)控、人工填報和接口數(shù)據(jù)等。采集的數(shù)據(jù)通過多種網(wǎng)絡連接方式傳輸，包括物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、Wi-Fi、IP網(wǎng)絡、5G及衛(wèi)星通信。此層次確保實時收集鉆井作業(yè)的各項關鍵數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)的分析、模擬和決策提供準確輸入。

數(shù)據(jù)管理層聚焦于數(shù)據(jù)治理，包括主數(shù)據(jù)管理、元數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)質量控制。此層次負責維護數(shù)據(jù)的完整性、一致性和準確性，確保數(shù)據(jù)資源的高效利用。通過嚴格的數(shù)據(jù)管理和質量控制流程，此層次可為技術引擎提供高質量數(shù)據(jù)，支撐準確決策。

技術引擎層包括工作流、大數(shù)據(jù)分析和孿生應用連接引擎，為系統(tǒng)的技術核心。其中，工作流引擎負責自動化處理數(shù)據(jù)流動和任務分配，大數(shù)據(jù)負責分析引擎梳理、計算和解讀大量數(shù)據(jù)資源，孿生應用連接引擎負責確保不同應用間的無縫銜接和數(shù)據(jù)一致性。

孿生應用層負責建立虛擬井筒和實體井筒之間的聯(lián)系。虛擬井筒綜合了地質約束、工程約束、鄰井約束、環(huán)境約束等多方面的信息模型，支撐地理交通信息、井身質量、取心和固井質量要求的模擬分析。實體井筒則聚焦于生產(chǎn)動態(tài)、設備運行狀況、井控管理、QHSE（質量、健康、安全、環(huán)境）管理、遠程支持與地質分析等現(xiàn)實情況。

決策服務層負責為生產(chǎn)單位高層決策人員提供一系列智能支持服務，包括可視化工具、遠程支持、自助分析報告生成、自主設計方案制定、工程決策、績效考核、管理駕駛艙及知識管理工具。利用決策服務層，用戶能夠基于系統(tǒng)提供的信息進行深度分析、生成綜合報告，進而制定科學、合理的鉆井方案和運營決策，保證鉆井作業(yè)的安全性、高效性[2]。

五、基于數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)應用實例

（一）企業(yè)概況

某鉆井工程單位是一家專業(yè)從事鉆井工程和油氣勘探開發(fā)服務的企業(yè)。公司擁有一支高素質的技術團隊，精通井下作業(yè)技術、生產(chǎn)管理技術、信息化管理技術等多項專業(yè)領域。同時，公司秉承“穩(wěn)定、安全、高效、環(huán)?！钡钠髽I(yè)文化，實行高標準的品質管理，為客戶提供全方位、多層次的產(chǎn)品和服務。該企業(yè)主要業(yè)務包括：鉆井（包括定向井、半徑向井、水平井、多井井組等各種鉆井井型）、測井、探氣油氣田勘探、采油、油氣工程管理與技術服務等。生產(chǎn)與發(fā)展階段，案例企業(yè)始終使用國際公認的管理方法和先進的管理和運營理念，在井下作業(yè)和資金、設備、物料、人力等方面實施精益化管理，并嚴格按照ISO9000、ISO14000和OHSAS 18000標準實施質量、環(huán)境、職業(yè)健康安全管理。

（二）應用場景與效果

該企業(yè)對基于數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)的應用場景包括鉆前業(yè)務、鉆中業(yè)務、鉆后業(yè)務。

1.鉆前業(yè)務應用

數(shù)字孿生技術在案例企業(yè)鉆前業(yè)務中的應用場景包括井位選擇、井眼設計和鉆井方案優(yōu)化。

運用系統(tǒng)數(shù)字模擬技術，生產(chǎn)單位可以對不同井位進行模擬評估，包括地質地球物理參數(shù)、巖性、裸眼電阻率等。基于這些數(shù)據(jù)，生產(chǎn)單位能夠優(yōu)化井眼軌跡設計，降低施工風險。此外，數(shù)字孿生技術結合數(shù)據(jù)挖掘和人工智能算法，為企業(yè)提供了鉆井方案的優(yōu)化建議，包括選井、套管設計、鉆頭選擇等方面，成功提高鉆井工程的成功率和效益。

2.鉆中業(yè)務應用

數(shù)字孿生技術在案例企業(yè)鉆中業(yè)務中的應用場景主要包括鉆井過程監(jiān)控與優(yōu)化、實施自動化控制和風險預測。

企業(yè)通過數(shù)字孿生平臺能夠實時監(jiān)測鉆井參數(shù)，包括鉆井液循環(huán)、鉆頭狀態(tài)、井斜、方位等。同時，基于數(shù)字化模擬對時數(shù)據(jù)的對比，讓生產(chǎn)單位能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并進行預測和預警，提高鉆井過程的安全性和效率。此外，數(shù)字孿生技術結合機器學習算法實現(xiàn)自動化控制，實現(xiàn)智能調整鉆井參數(shù)，進一步提高了生產(chǎn)單位鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性和一致性。

3.鉆后業(yè)務應用

數(shù)字孿生技術在案例企業(yè)鉆后業(yè)務中的應用場景主要包括數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化、故障診斷和維護管理等方面，利用數(shù)字孿生平臺，生產(chǎn)單位技術人員能夠對井數(shù)據(jù)進行深度分析，識別井下問題和潛在風險，并提出優(yōu)化建議。通過實時監(jiān)控和故障診斷，技術人員可快速判斷設備故障原因，減少停工和維修時間。此外，數(shù)字孿生技術成功協(xié)助生產(chǎn)單位實現(xiàn)了維護管理，通過分析土地勘察數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)和維修記錄等信息，優(yōu)化了維護計劃和資源配置，成功提升維護效率和設備利用率[3]。

六、結語

綜上分析，基于數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)鉆井作業(yè)全生命周期的支持，即實現(xiàn)鉆前、鉆中、鉆后業(yè)務的智能化管理。我國鉆井單位應積極參考本文設計成果以及案例企業(yè)對其的應用場景，充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術優(yōu)勢，提升鉆井作業(yè)安全性與效率性。同時，在開發(fā)、應用數(shù)字孿生技術的鉆井工程智能作業(yè)支持系統(tǒng)階段，企業(yè)亦應結合實際情況，靈活調整各項技術的應用以及相關參數(shù)，確保系統(tǒng)高度匹配企業(yè)鉆井工程作業(yè)需求，從而為我國鉆井工程可持續(xù)發(fā)展奠定良好技術基礎。

參考文獻

[1]索寒生，賈夢達，宋光，等.數(shù)字孿生技術助力石化智能工廠[J].化工進展，2023，42（07）：3365-3373.

[2]姜杰，霍宇翔，張顥曦，等.基于數(shù)字孿生的智能鉆探服務平臺架構[J].煤田地質與勘探，2023，51（09）：129-137.

[3]張好林，楊傳書，李昌盛，等.鉆井數(shù)字孿生系統(tǒng)設計與研發(fā)實踐[J].石油鉆探技術，2023，51（03）：58-65.

責任編輯：張津平