石油鉆井作業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究

引言

石油是能源需求的主力軍，其開采過程離不開鉆井作業(yè)，但傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)方式存在效率低下、安全隱患大、環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多弊端。如何實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的精細(xì)化管理、智能化控制，提高鉆井效率、確保作業(yè)安全、減少環(huán)境影響，成為擺在石油開采企業(yè)面前的重大挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的又一重大技術(shù)革命，憑借其感知識(shí)別編碼、智能處理、無線傳輸數(shù)據(jù)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為解決傳統(tǒng)鉆井痛點(diǎn)帶來了全新契機(jī)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過部署傳感器、采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，優(yōu)化鉆井液體系統(tǒng)，提高泵送效率，極大地增強(qiáng)了鉆井作業(yè)的安全性[1]。

1.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)（internetofthings，IoT）技術(shù)是一種新興的信息技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是利用各種傳感設(shè)備對(duì)物理世界進(jìn)行全方位感知，并將獲取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化編碼。這些感知設(shè)備包括射頻相關(guān)設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、生物傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等，可以廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、人員活動(dòng)等多方面信息的實(shí)時(shí)采集。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)和微型計(jì)算機(jī)，這些海量異構(gòu)數(shù)據(jù)可以被高效地編碼和集成，為后續(xù)處理和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)中的感知層是實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無論是工業(yè)生產(chǎn)線上的機(jī)器設(shè)備，還是家庭生活中的各種電器，抑或戶外環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，都可以通過先進(jìn)的傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)時(shí)采集狀態(tài)數(shù)據(jù)，為智能化控制和優(yōu)化決策提供數(shù)據(jù)支撐。在石油鉆井作業(yè)中，傳感器可以部署在鉆井設(shè)備、鉆桿、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)等關(guān)鍵部位，獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、液體參數(shù)、井壁信息等數(shù)據(jù)，為高效精細(xì)化管理奠定基礎(chǔ)2]。

2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油鉆井作業(yè)中的應(yīng)用

在石油鉆井作業(yè)中，鉆機(jī)、鉆桿、泥漿泵等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)直接影響鉆井效率和作業(yè)安全，而傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)方式主要依賴人工巡檢，存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)和滯后性，導(dǎo)致設(shè)備故障有時(shí)無法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而影響生產(chǎn)進(jìn)度，甚至引發(fā)安全事故。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入，使得鉆井設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能，大幅提升了設(shè)備管理的智能化水平。

勝利石油工程信息化專家于麗麗帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采集各類設(shè)備數(shù)據(jù)，深挖數(shù)據(jù)背后的設(shè)備狀態(tài)信息，成功研發(fā)出鉆井裝備MRO物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵等關(guān)鍵設(shè)備的1184項(xiàng)參數(shù)，提供1472項(xiàng)保養(yǎng)項(xiàng)點(diǎn)提醒，以及836項(xiàng)報(bào)警參數(shù)提醒，確保設(shè)備運(yùn)維無憂，鉆井效率大幅提升[3]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過在鉆井設(shè)備的關(guān)鍵部位安裝各類傳感器，如壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等，實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心?；谶@些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，智能分析系統(tǒng)能夠快速識(shí)別設(shè)備異常，如鉆桿過載、泥漿泵壓力異常、鉆機(jī)振動(dòng)異常等，提前預(yù)警潛在故障，避免突發(fā)性設(shè)備損壞對(duì)鉆井作業(yè)造成影響。例如，基于物聯(lián)網(wǎng)的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)分析鉆機(jī)的振動(dòng)頻率，若檢測(cè)到異常振動(dòng)模式，系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整鉆井參數(shù)，減少鉆具損壞的風(fēng)險(xiǎn)。智能維護(hù)系統(tǒng)還可基于歷史數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)設(shè)備的使用壽命，優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備利用率。此外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)支持。

鉆井液循環(huán)系統(tǒng)是石油鉆井作業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要作用是冷卻鉆頭、攜帶巖屑、平衡井底壓力，確保鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性，傳統(tǒng)的鉆井液控制方式依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆并液性能的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致鉆井液使用效率低，甚至引發(fā)井涌、井噴等嚴(yán)重事故。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使鉆井液循環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)與優(yōu)化，提高鉆井液的使用效率，減少環(huán)境污染，同時(shí)降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，鉆井液循環(huán)系統(tǒng)可通過高精度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液的流速、密度、溫度、壓力、黏度等關(guān)鍵參數(shù)，確保鉆井液性能始終處于最佳狀態(tài)，如基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鉆井液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在鉆井液密度出現(xiàn)異常時(shí)，自動(dòng)調(diào)整泥漿泵的工作參數(shù)，確保井底壓力穩(wěn)定，防止井涌或井噴的發(fā)生。

3.石油鉆井作業(yè)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化管控的策略

石油鉆井作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及眾多設(shè)備、工序和環(huán)節(jié)的精密協(xié)作。單純依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，雖然可以提高鉆井作業(yè)的可視化和透明度，但要充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)在提高鉆井效率、確保作業(yè)安全、減少環(huán)境影響等方面的巨大潛能，還需要在此基礎(chǔ)之上引入智能化的管控優(yōu)化策略。

3.1基于數(shù)字孿生的虛擬仿真優(yōu)化

數(shù)字孿生（digitaltwin）技術(shù)作為一種融合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析和仿真建模的智能化管控手段，為鉆井作業(yè)的優(yōu)化提供了全新思路?；跀?shù)字孿生的虛擬仿真優(yōu)化，主要通過構(gòu)建鉆井系統(tǒng)的高精度數(shù)字孿生模型和基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)的精準(zhǔn)監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)整和智能預(yù)測(cè)，提高作業(yè)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，具體如表1所示。

數(shù)字孿生技術(shù)的核心在于構(gòu)建與物理鉆井現(xiàn)場(chǎng)高度一致的虛擬鉆井系統(tǒng)模型，該模型能夠?qū)崟r(shí)映射鉆井設(shè)備、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、井下環(huán)境等關(guān)鍵要素，并通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，使虛擬模型與實(shí)際鉆井過程保持一致。

在鉆井設(shè)備監(jiān)控方面，基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)、鉆桿、泥漿泵等設(shè)備狀態(tài)，使操作人員能夠在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，預(yù)測(cè)鉆桿受力情況，避免斷裂事故。例如，在四川樂山金山105H井在4200米左右鉆遇斷層，面臨井漏的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)時(shí)，智能坐崗系統(tǒng)迅速發(fā)出漏失預(yù)警，井隊(duì)及時(shí)調(diào)整鉆井液泵送流量，有效減少了油基鉆井液的損失[4]。

在井下環(huán)境建模方面，研究人員通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的井底壓力、鉆井液密度、溫度梯度等數(shù)據(jù)，構(gòu)建虛擬井下環(huán)境，預(yù)測(cè)異常工況，從而提前調(diào)整鉆井參數(shù)，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

在鉆井參數(shù)優(yōu)化方面，傳統(tǒng)的鉆井參數(shù)調(diào)整主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，而數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和人工智能算法，可以基于仿真分析優(yōu)化鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，生成最優(yōu)鉆井參數(shù)組合。當(dāng)鉆井過程中出現(xiàn)鉆速下降、井底壓差增大等異常情況時(shí)，數(shù)字孿生模型可快速仿真不同鉆壓、轉(zhuǎn)速的調(diào)整方案，并推薦最優(yōu)參數(shù)，確保鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性和高效性[5-7]。

在設(shè)備智能維護(hù)方面，數(shù)字孿生模型可結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)設(shè)備磨損和故障趨勢(shì)，優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，提前預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)。例如，在泥漿泵維護(hù)管理中，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以模擬不同流量、壓力條件下的泥漿泵運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合振動(dòng)、溫度、流量等傳感器數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)泥漿泵的剩余使用壽命，合理安排維護(hù)計(jì)劃，避免突發(fā)性故障影響鉆井進(jìn)度。

在鉆井液優(yōu)化方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以仿真不同鉆井液配方對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響，從而調(diào)整鉆井液成分，優(yōu)化流速，最終實(shí)現(xiàn)提高鉆井效率、減少環(huán)境污染的目標(biāo)。

3.2基于多智能體的自主協(xié)同優(yōu)化

根據(jù)上述分析可知，在石油鉆井作業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)顯著提高了操作的智能化水平。進(jìn)一步，研究人員通過實(shí)施基于多智能體系統(tǒng)（multi-agentsystem，MAS）的自主協(xié)同優(yōu)化策略，可以有效提升鉆井作業(yè)的協(xié)同效率和響應(yīng)能力。例如，勝利石油工程公司開發(fā)的智匯盒通過產(chǎn)品鑒定，在勝利東部工區(qū)和西北工區(qū)鉆井、試油氣現(xiàn)場(chǎng)部署11套。該產(chǎn)品在石油工程行業(yè)首次實(shí)現(xiàn)鉆完井及井下作業(yè)全鏈條現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、匯聚、存儲(chǔ)、傳輸及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，同時(shí)支撐甲乙方石油工程應(yīng)用需求，開創(chuàng)了石油工程邊端數(shù)據(jù)統(tǒng)采共享新模式這種策略利用多個(gè)智能代理（智能體）來管理和優(yōu)化鉆井作業(yè)中的各種復(fù)雜任務(wù)和資源，每個(gè)智能體負(fù)責(zé)特定的功能，并通過自主協(xié)調(diào)和決策來實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)[9-10]。

多智能體系統(tǒng)（MAS）的核心在于分布式智能體的協(xié)同工作。在石油鉆井作業(yè)中，研究人員可以設(shè)計(jì)不同的智能體監(jiān)控和控制鉆井設(shè)備狀態(tài)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。智能體間的通信和協(xié)作通過定義以下協(xié)同機(jī)制來實(shí)現(xiàn)：

其中， C（i，j） 表示智能體i和j之間的協(xié)作效能，info;和infoj分別代表各自的信息處理能力，interact （i，j） 表示兩者之間的交互作用， α 、 β 和 γ 是調(diào)整參數(shù)。通過這種方式，每個(gè)智能體除執(zhí)行其專有任務(wù)外，還能夠根據(jù)任務(wù)需求和環(huán)境變化，與其他智能體共享信息和資源，共同優(yōu)化整個(gè)鉆井作業(yè)過程。

例如，一個(gè)智能體可能專門負(fù)責(zé)監(jiān)控鉆井設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如鉆速和扭矩，而另一個(gè)智能體則可能聚焦于鉆井液的壓力和流量調(diào)整。這些智能體將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理系統(tǒng)，中央處理系統(tǒng)基于接收到的信息和預(yù)設(shè)的算法，調(diào)整相關(guān)參數(shù)或者直接控制設(shè)備，以優(yōu)化鉆井效率和安全性。

每個(gè)智能體在MAS中都配備有自主決策能力，這依賴于各智能體內(nèi)嵌的人工智能算法，這些算法可以是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的，使得每個(gè)智能體能夠從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并優(yōu)化其決策模式。智能體通過以下優(yōu)化函數(shù)來決定其行動(dòng)：

其中， f（x） 是需要最小化的目標(biāo)函數(shù)，如成本或時(shí)間； g（x） 是不等式約束；h（x） 是等式約束； x 代表決策變量，如設(shè)備參數(shù)或作業(yè)策略。智能體通過實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)化過程，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自主調(diào)整操作參數(shù)，如調(diào)整鉆速或改變鉆井液的流量，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地層變化或設(shè)備性能波動(dòng)。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油鉆井作業(yè)中的廣泛應(yīng)用，標(biāo)志著鉆井工藝向著智能化、自動(dòng)化和綠色化的方向加速演進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過全面感知、實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能優(yōu)化分析，不僅能夠顯著提高鉆井作業(yè)的效率和精度，還能從根本上提升作業(yè)安全性，減少環(huán)境污染，為石油開采行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展注人新的動(dòng)力。未來，隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，以及數(shù)字孿生、多智能體等智能化管控策略的實(shí)施，鉆井作業(yè)將邁向真正意義上的“智慧鉆井”時(shí)代，助力石油工業(yè)向著更高水平、更大范圍的智能化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)鉆采工藝的創(chuàng)新發(fā)展，為保障能源安全、應(yīng)對(duì)氣候變化、促進(jìn)綠色低碳發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。 A

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作者簡(jiǎn)介：惠昕，本科，助理工程師，huix.hbsj@sinopec.com，研究方向：天然氣，物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)安全。