肖 莉， 楊傳書， 趙金海， 李昌盛， 徐術國， 趙 勇

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

鉆井工程決策支持系統(tǒng)關鍵技術

肖 莉， 楊傳書， 趙金海， 李昌盛， 徐術國， 趙 勇

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

國內(nèi)自主研發(fā)的鉆井軟件有的僅能進行輔助設計，不足以支撐專家團隊的討論決策;有的只專注于數(shù)據(jù)傳輸或部分風險的預警，功能覆蓋面窄，沒有形成全面的決策信息支持體系。針對鉆井設計論證和鉆井施工兩個階段的專家決策需求，開展了系統(tǒng)功能設計及關鍵技術研究，基于SOA軟件架構(gòu)和插件式開發(fā)方法，研制開發(fā)了易于擴展的鉆井工程全過程決策支持系統(tǒng)DrillAdviser，實現(xiàn)了工程地質(zhì)信息與鉆井工程信息的深度融合，功能覆蓋了鉆井工程設計論證、施工過程優(yōu)化、鉆后分析等關鍵技術環(huán)節(jié)，可為專家決策提供多源異構(gòu)信息實時融合、二維及三維圖形顯示、計算模擬、協(xié)同討論等決策支持手段，初步解決了鉆井決策支持軟件功能單一、多領域信息融合不足等問題。在國內(nèi)外多個區(qū)塊的實際應用表明，DrillAdviser設計合理，能解決實際問題，且效果良好。

鉆井 協(xié)同決策 信息融合 方案論證

國外石油企業(yè)已經(jīng)將信息技術作為提升技術和管理水平的核心手段之一，利用信息技術實現(xiàn)了石油工程施工方案優(yōu)化、施工過程實時決策和精細化管理[1]。Halliburton、Schlumberger、Baker Hughes等國際石油技術服務公司都研發(fā)了功能強大的決策支持系統(tǒng)[2-4]，并基于該類系統(tǒng)建立了多專業(yè)一體化協(xié)同決策模式，提高了核心競爭力。

截至目前，國內(nèi)開發(fā)了很多鉆井工程設計與計算、現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠程傳輸、隨鉆井下風險預警方面的單體軟件，也開發(fā)出一些鉆井決策支持系統(tǒng)[5-9]。如文獻[9]介紹的鉆井決策支持系統(tǒng)，包括井位導航、鉆井輔助計算、地質(zhì)導向、網(wǎng)絡會議、地層及井身結(jié)構(gòu)對比等功能，由多個獨立小系統(tǒng)組成。這些系統(tǒng)對鉆井設計和現(xiàn)場管理提供了輔助，但由于每個系統(tǒng)的功能都有局限性，覆蓋的信息范圍比較窄，在關鍵技術決策點的多領域信息融合方面尤顯不足，因此難以對重點井方案的專家論證、重點井施工的多領域?qū)＜抑С值戎卮蠹夹g決策活動提供有效支撐。同時，國內(nèi)現(xiàn)有系統(tǒng)大多比較封閉，在各種不同標準信息源的接入、對外來特色軟件模塊的集成方面存在明顯不足。針對上述問題，筆者借鑒國外先進系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)應用需求，對鉆井關鍵技術決策環(huán)節(jié)的精準信息支持，跨專業(yè)域、時間域、深度域的信息融合，跨地域?qū)＜覅f(xié)同決策支持等進行了研究，研發(fā)了鉆井工程決策支持系統(tǒng)DrillAdviser。

1 需求分析

1) 鉆井方案專家論證支持問題。針對每口井的鉆井工程設計方案，尤其是重點井、疑難井的設計方案，往往需要經(jīng)過不同級別專家組的多次討論，并對關鍵技術細節(jié)或整體方案進行決策。目前，國內(nèi)尚無相關軟件能對這一重要決策過程提供支持。參與決策的專家主要是通過觀看幻燈片演示得到的有限信息，在各自的大腦中進行分析并提出意見。由于專家此時獲取的信息量較小、信息分析手段單一，難以快速、直觀地將當前方案與該區(qū)塊的地質(zhì)信息、歷史案例信息相結(jié)合，難以共享歷史經(jīng)驗和他人知識，因此專家們對方案的理解難以達到高度一致，導致方案論證不徹底，決策效率不高，決策的科學性也受到限制。

2) 地質(zhì)與工程信息的深度融合問題。鉆井施工必須充分考慮全井段與鉆井工程相關的各種地質(zhì)細節(jié)。目前，鉆井地質(zhì)設計、工程設計、工程施工環(huán)節(jié)各自獨立，地質(zhì)專家重點關注目的層，對全井段所提供的地質(zhì)信息量小，而施工過程中獲得的地質(zhì)信息又未能及時融合到鉆井分析軟件中，導致地質(zhì)與工程近乎脫節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)地質(zhì)專家與鉆井專家給出的結(jié)論不一致或相矛盾的尷尬局面，很難做出最科學的決策。

3) 鉆前、鉆中、鉆后信息一體化應用問題。目前鉆井設計、施工和評價環(huán)節(jié)的信息系統(tǒng)都獨立開發(fā)應用，數(shù)據(jù)庫獨立設計，沒有一體化的數(shù)據(jù)共享和信息流轉(zhuǎn)體系，難以對這個本來連續(xù)的技術流程進行高效一致的數(shù)據(jù)支撐，尤其是歷史數(shù)據(jù)的價值沒有得到發(fā)揮。

4) 多專家異地協(xié)同決策問題。鉆井現(xiàn)場視頻監(jiān)控及網(wǎng)絡會議系統(tǒng)的應用，建立了遠程協(xié)同決策的基本網(wǎng)絡通道，但這種遠程溝通主要通過語音和影像，與會各方都需要將對方的分析過程和觀點記錄下來，然后花一定的時間進行思考再反饋自己的結(jié)論，難以當場快速得出結(jié)論并在線共享，決策效率有待提升。

5) 決策支持系統(tǒng)的開放性問題。隨著信息技術和鉆井工程技術的發(fā)展，鉆井工程決策支持系統(tǒng)也需要隨之不斷地擴展或改進，而目前國內(nèi)鉆井軟件普遍是自成一體，在各種不同標準信息源的接入、對外來特色軟件模塊的集成方面存在明顯不足，導致軟件各具特色但又無法實現(xiàn)“強強聯(lián)合”，因而難以提升系統(tǒng)的整體水平。

2 關鍵技術

2.1 鉆井工程方案論證支持技術

鉆井工程方案論證支持主要是給參與論證的專家提供一個快速分析信息和優(yōu)化方案的輔助手段，針對主要論證環(huán)節(jié)從以下5方面提供信息技術支撐，如圖1所示。

1) 一體化數(shù)據(jù)流支持。對于所有論證環(huán)節(jié)，底層由統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫支持，數(shù)據(jù)可在任何一個模塊加載或更新，其他相關模塊都可以調(diào)用，確保任何一項業(yè)務的數(shù)據(jù)都具有唯一性。

2) 圖形可視化。無論是待論證的設計方案還是鄰井井史數(shù)據(jù)，均利用地理域(以坐標為基準)和深度域(以井深為基準)串接起來，以二維剖面或三維場景進行集成展現(xiàn)，各種圖形之間可以聯(lián)動，便于專家們直觀、快速、靈活地進行信息綜合分析和判斷。

3) 多方案對比。對于井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合等方案，設計人員可以從不同側(cè)重點出發(fā)設計出多套可選方案，利用該系統(tǒng)在同一個界面上顯示出來，方案之間的異同點一目了然，專家可以對各方案展開進一步討論并進行優(yōu)選。

4) 鄰井案例對比。鄰井施工情況是新井設計最重要的參考依據(jù)，通過在底圖上選取一口或多口鄰井，自動提取其各種歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析其技術指標，分析其井下故障，可迅速得到適合該區(qū)塊的經(jīng)驗和教訓，以此綜合評價新井設計的合理性。

5)方案模擬。水力、固井、井控等的設計方案涉及到強度校核、壓力控制等關鍵細節(jié)，利用內(nèi)嵌的計算模型可對設計數(shù)據(jù)進行計算模擬，尤其在論證時如果調(diào)整了某些參數(shù)，可當場進行模擬驗證，以便使方案達到最優(yōu)，避免線下反復修改并重新論證。

2.2 地質(zhì)與工程信息融合技術

1) 宏觀地質(zhì)環(huán)境分析。針對目前鉆井類軟件和地質(zhì)類軟件很難無縫集成的現(xiàn)狀，通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口提取了地質(zhì)成果圖件、地震解釋數(shù)據(jù)體、測井數(shù)據(jù)及解釋結(jié)果等地質(zhì)研究成果，以底圖投放、剖面投射和360°三維場景展現(xiàn)方式同井筒信息一起展示，專家可直觀地分析井筒所處的地理環(huán)境、井下地質(zhì)狀況和鄰井的復雜情況，有針對性地制定適合該區(qū)塊的最佳方案。

2) 地質(zhì)與工程的深度融合。針對每一口井，以井深為縱坐標，將地質(zhì)分層、地層壓力、巖石物性等地質(zhì)信息同井身結(jié)構(gòu)、鉆井液、鉆具組合等工程信息融合，以曲線對比方式，使專家更直觀、更便捷地了解井筒周緣的詳細地質(zhì)參數(shù)，從而對設計方案進行優(yōu)化。

2.3 遠程多井實時監(jiān)測預警技術

1) 單參數(shù)超限預警方法。根據(jù)每口井所屬地區(qū)、層位和所用鉆機的不同，預先設置其大鉤負荷、扭矩等關鍵工程參數(shù)的門限值，鉆井過程中通過遠程實時傳輸?shù)匿浘畢?shù)，實時判別其超限情況并報警提示給后方專家。

2) 多參數(shù)關聯(lián)預警方法。根據(jù)專家的知識和經(jīng)驗[10]，建立了基于多參數(shù)的灰色關聯(lián)預警方法：a.建立判定每種風險的特征量(工程參數(shù)或其標準差)；b.根據(jù)該區(qū)塊的已鉆井，回歸確定每個特征量的經(jīng)驗權重，得到加權型標準特征向量；c.利用當前井正鉆層位上部井段正常鉆進的實時數(shù)據(jù)，建立各工程參數(shù)的正常波動區(qū)間，參數(shù)超出該區(qū)間即為參數(shù)異常波動；d.監(jiān)測下部井段鉆進過程，利用灰色關聯(lián)算法求取實際參數(shù)異常波動量與標準特征向量之間的關聯(lián)度；e.實時計算關聯(lián)度大小，某種風險的關聯(lián)度過高即表示正在發(fā)生該風險，系統(tǒng)報警提示。

3) 遠程多井監(jiān)測預警?；谏鲜鰞煞N方法，利用并行計算方式，同時對所有監(jiān)測井進行監(jiān)測，將每口井的監(jiān)測結(jié)果實時推送到井位分布圖上報警，并可導入該井的具體監(jiān)測模塊開展具體分析，便于一名專家同時監(jiān)測多口井。

2.4 遠程協(xié)同技術

1) 遠程傳輸。實現(xiàn)了井場信息(綜合錄井信息和MWD、LWD等信息)、視頻的遠程實時傳輸[11]，集成了適用于低帶寬的TCP/IP視頻會議系統(tǒng)，使專家隨時隨地了解鉆井現(xiàn)場的詳細情況并進行對話討論。

2) 在線意見共享。任何一名專家都可啟動客戶端軟件打開某個設計方案進行審閱，并將自己的意見“批注”到方案的相應位置，這些意見可立即通過網(wǎng)絡推送到所有客戶端。即便專家們不在同一時間、不在同一個會場，也可針對某個具體問題互通有無、協(xié)同決策。

2.5 松耦合軟件開發(fā)技術

1) SOA技術應用。鉆井工程決策支持系統(tǒng)DrillAdviser采用面向服務的架構(gòu)技術(SOA，service-oriented architecture)[12]，如圖2所示。該架構(gòu)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與應用模塊之間的松耦合，當?shù)讓訑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)平臺或數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡位置發(fā)生改變時，只需要對服務層進行調(diào)整，無需對分散在各用戶機器上的客戶端進行更新，實現(xiàn)了以不變應萬變。

2) 插件式技術。開發(fā)了統(tǒng)一插件式軟件框架，各模塊按一定規(guī)范獨立開發(fā)后，可通過接口快速“插接”到框架上，各模塊之間可以交互通信實現(xiàn)有機集成。該技術使各模塊很容易自由組合，從而提高了系統(tǒng)的可擴展性和開放性。

3) 面向服務的專業(yè)計算。傳統(tǒng)鉆井專業(yè)軟件中的計算模塊多為客戶機本地運行，數(shù)據(jù)量大且計算頻度高時，運算對計算機性能的要求很高。該系統(tǒng)將算法模塊封裝為webservice服務，部署在服務器上運行并向客戶端返回計算結(jié)果，大大提升了軟件的性能，同時也有利于算法程序的統(tǒng)一更新和保護。

3 現(xiàn)場應用

基于以上關鍵技術開發(fā)的鉆井工程決策支持系統(tǒng)DrillAdviser，包括15個一級模塊(35個二級模塊)，各模塊均開發(fā)成插件，用戶可以任意選取其中的部分模塊“組裝”成不同功能的子系統(tǒng)，以適應方案論證、施工決策和鉆后分析等不同的決策場景。

中國石化石油工程技術研究院利用該系統(tǒng)構(gòu)建了鉆井決策支持中心，中石化石油工程技術服務有限公司等單位部署了若干客戶端軟件。自2012年8月起，DrillAdviser在元壩、順北、焦石壩等地區(qū)和加蓬、伊朗等國家的50余口重點井的鉆井過程中進行了應用。應用過程中，向數(shù)據(jù)庫加載了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)2 000余萬條，包括各種復雜情況處理措施、常用鉆具及鉆井液體系、區(qū)域鉆井經(jīng)驗、地質(zhì)解釋結(jié)果等的數(shù)據(jù)，40多口鄰井井史和風險案例數(shù)據(jù)，還加載了非結(jié)構(gòu)化圖檔12 GB(如地震數(shù)據(jù)體、勘探程度圖、連井剖面圖、構(gòu)造圖等)，為這些井的專家決策提供了保障。

3.1 在鉆井設計論證中的應用

DrillAdviser已用于6口井的設計方案論證和優(yōu)化。以元壩氣田某水平井(記為A井)的鉆井設計論證為例，該井為元壩九龍山南鼻狀構(gòu)造帶一口評價水平井，從劍門關組鉆至目的層須家河組二段，預測千佛崖組、自流井組、須家河組地層為異常高壓地層，且須家河組地層的可鉆性較差。首先由兩名設計人員按照傳統(tǒng)的流程完成初步設計方案后，再將設計結(jié)果及該地區(qū)的相關地質(zhì)數(shù)據(jù)、歷史井數(shù)據(jù)導入該系統(tǒng)，然后組織專家在大屏幕會議室對全套方案進行論證：

1) 首先調(diào)用地質(zhì)分析模塊對該井的地質(zhì)信息、鄰井信息進行整體分析，如圖3所示；

2) 運行井身結(jié)構(gòu)模塊，調(diào)取區(qū)域地層壓力預測曲線、20多口鄰井地層壓力曲線、測井解釋結(jié)果、井身結(jié)構(gòu)及風險案例，以多屏對比方式供專家們討論，經(jīng)綜合討論分析，決定將原方案的“二開鉆至上沙溪廟組地層底部(深約3 202.00 m)”調(diào)整為“二開鉆至下沙溪廟組地層底部(深約3 392.00 m)”，以更好地應對下部異常高壓地層可能出現(xiàn)的問題，隨后又對套管強度進行了重新校核并微調(diào)了套管選型；

3) 運行鉆頭優(yōu)選模塊，現(xiàn)場在線提取20多口鄰井的鉆頭型號、鉆井方式、機械鉆速、鉆頭用量、復雜情況等的數(shù)據(jù)，快速統(tǒng)計出每口井各種鉆頭的用量及平均機械鉆速，以及該區(qū)塊最高指標的鉆頭情況，經(jīng)專家們反復分析對比，最終決定調(diào)整一開至三開的鉆壓，鉆頭數(shù)量也由27只調(diào)整為32只，四開的鉆頭型號由HJT537G改為HJT617GL，并重新計算了鉆頭數(shù)量，調(diào)整后的方案兼顧了鉆速和安全等多方面；

4) 其他方面的設計基本合理，不需要調(diào)整。

該次論證過程中，一位身處異地的專家通過網(wǎng)絡會議模塊參與討論并發(fā)表了意見。專家們認為，這種方式能直觀、豐富地展現(xiàn)決策信息，能快速進行對比、統(tǒng)計和計算，大大提高了決策的效率和科學性。

3.2 在鉆井施工遠程決策中的應用

截至目前，DrillAdviser已用于40余口井的施工遠程決策及鉆后分析。

新疆順北區(qū)塊B井是一口外圍高風險超深預探井，設計井深7 570.00 m，目的層為奧陶系中下統(tǒng)一間房組和鷹山組。該井地處塔克拉瑪干沙漠腹地，地面被第四紀流動沙丘覆蓋，屬于溫帶大陸性荒漠極端干旱氣候，施工難度大，環(huán)境惡劣，交通不便。該井在鉆井施工中采用了創(chuàng)新管理模式，由中國石化石油工程技術研究院的專家負責一體化技術支持及工程監(jiān)督。通過KU衛(wèi)星通信鏈路，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時傳回北京，專家組與現(xiàn)場人員可隨時召開遠程會議。2013年8月中旬，專家組與現(xiàn)場人員同時監(jiān)測到鉆時變化劇烈、波動幅度大，甚至出現(xiàn)難以鉆進的情況，DrillAdviser也發(fā)出卡鉆預警，專家組隨即啟動遠程會議模塊(見圖4)，針對實時數(shù)據(jù)特征及現(xiàn)場人員反饋的情況，經(jīng)過討論提出用稠漿循環(huán)清潔井底的方案，成功帶出了落入井底的多塊套管附件，恢復了正常鉆進；該井鉆至井深約6 910.00 m時，系統(tǒng)發(fā)出井漏預警，后方專家注意到扭矩波動大、立壓減小、鉆井液地面循環(huán)量有減小趨勢，經(jīng)與現(xiàn)場溝通確認發(fā)生漏失，隨即采取應對措施避免了情況的進一步惡化。此外，專家組還通過該系統(tǒng)為現(xiàn)場解決了火成巖侵入體造成的鉆進難題。

元壩氣田C井是一口超深水平井，設計井深7 830.00 m，設計造斜點深度6 500.00 m，在鉆達造斜點之前，定向工程師在位于北京的辦公室利用DrillAdviser每日監(jiān)測施工進展及井眼軌跡情況，為定向服務做準備。當該井鉆至井深6 470.00 m時，監(jiān)測到井眼軌跡與設計軌道已偏離超過100.00 m，且方位角與原設計相差很大，經(jīng)專家與施工隊充分論證后決定提前定向造斜，并設定了合理的初始造斜方位以修正前期偏差，最終該井順利鉆達目的層。在C井近兩年的施工中，該系統(tǒng)成功進行井漏、鉆具刺漏、氣侵預警20余次，召開專家遠程決策會議10余次，克服了專家資源有限、施工條件極其復雜、技術難度大、交通不便等困難，探索出了一種新的鉆井決策模式。

此外，在涪陵頁巖氣開發(fā)過程中，由于同時鉆進的井數(shù)多，導致技術支持人員嚴重不足。DrillAdviser將實時傳輸?shù)腗WD/LWD數(shù)據(jù)與地質(zhì)建模功能相結(jié)合，幫助建立了遠程地質(zhì)導向技術支持新模式，將有限的技術專家集中起來，大大提高了決策支持的效率。

4 結(jié)論與建議

1) 利用軟件為專家論證鉆井設計方案提供支持，能幫助具有不同專業(yè)特長、不同實踐經(jīng)驗的專家在很短時間內(nèi)深入了解方案、達成一致意見，并可當場調(diào)整不合理內(nèi)容，提高論證效率。

2) 將地質(zhì)信息深度融合到鉆井決策過程中，實現(xiàn)地質(zhì)信息與工程信息的聯(lián)動，改變了鉆井專業(yè)軟件僅局限于工程本身而難以結(jié)合地質(zhì)環(huán)境的局面，使決策更加高效科學。

3) 鉆井專家決策所需信息量大、覆蓋面廣，而目前國內(nèi)各單位數(shù)據(jù)庫設計和實時數(shù)據(jù)傳輸“百花齊放”又參差不齊，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時融合技術大大提高了數(shù)據(jù)的獲取效率。

4) 利用SOA架構(gòu)技術、插件式框架技術、面向服務的計算技術，實現(xiàn)了軟件的松耦合，使其易于擴展、移植或插接外來模塊，有利于鉆井工程決策支持系統(tǒng)的持續(xù)擴展優(yōu)化。

5) 鉆井工程決策支持系統(tǒng)DrillAdviser為建立鉆井遠程協(xié)同決策新模式奠定了技術基礎，但由于受限于國內(nèi)的管理模式、現(xiàn)場網(wǎng)絡條件、數(shù)據(jù)共享能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素，系統(tǒng)的大規(guī)模推廣尚需時日。建議從管理上加強數(shù)據(jù)質(zhì)量管理及各類數(shù)據(jù)的互通，并試點建立專家組遠程坐診決策新模式。

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這篇文章構(gòu)思很巧妙，小作者從“我”現(xiàn)在玩的游戲?qū)懙綃寢屝r候玩的游戲，非常自然，既體現(xiàn)出時代的進步，又引人思考。

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[編輯 令文學]

Key Technologies of Drilling Engineering Decision Support Systems

Xiao Li, Yang Chuanshu, Zhao Jinhai, Li Changsheng, Xu Shuguo, Zhao Yong

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China)

Some drilling software with Chinese owned intellectual property can only be used in aided design,not sufficient for decision-making by teams of experts.Some the software programs only focus on data transmission or early warning of certain risks.So those software applications are limited and fail to form a comprehensive decision-making information support system.Based on the expert decisionmaking needs in the design of drilling programs,the demonstration and drilling construction,the decision support system was developed based on function design and key technology research which were carried out.The drilling engineering decision support system,DrillAdviser,was developed based on SOA software architecture and plug-in development method.This system is easy to expand and it combines engineering geology information and drilling engineering information.It covers key technical elements of drilling engineering design,construction process optimization and post-drilling analysis.In addition,it can provide decision support such as real-time fusion of multi-source heterogeneous information,2D and 3D graphic display,computational simulation and collaborative discussion for expert decision making.It preliminarily solves problems of reduced function and insufficient fusion of multi-disciplinary information in present drilling decision support software. According to the actual application in multiple regions within and outside the country, DrillAdviser proved itself to be of reasonable design with good results.

drilling；collaborative decision；information fusion；program demonstration

2014-05-05；改回日期：2015-02-09。

肖莉(1968—)，女，四川江安人，1990年畢業(yè)于石油大學(華東)應用電子技術專業(yè)，高級工程師，主要從事石油工程信息化研究與管理工作。

中國石化“十二五”重大信息化項目“中國石化石油工程決策支持系統(tǒng)”(編號：G11-MM-2011-080)及中國石化科技攻關項目“鉆井風險控制系統(tǒng)研發(fā)”(編號：P13093)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201502007

TE19

A

1001-0890(2015)02-0038-06

聯(lián)系方式：(010)84988299，xiaoli.sripe@sinopec.com。