史 旻，袁洪水，徐 輝，和鵬飛，朱程程，許小舟

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津300452)

0 引 言

隨著鉆井工程作業(yè)量的逐年增加及其技術(shù)的日益更新和信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海洋石油已進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，針對(duì)海洋鉆井技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)專題研究、測(cè)試分析、評(píng)估優(yōu)化、工程實(shí)踐，形成了一套完善的海洋石油鉆井智能輔助決策監(jiān)控系統(tǒng)，保證了作業(yè)安全，提高了作業(yè)時(shí)效，節(jié)約了鉆井費(fèi)用，為實(shí)現(xiàn)海洋油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海洋石油鉆井智能輔助決策監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為4部分，如圖1所示，分別為預(yù)演層、監(jiān)測(cè)層、決策層、優(yōu)化層。預(yù)演層即鉆井設(shè)計(jì)的模擬評(píng)估層，將鉆井設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆前模擬，分析關(guān)鍵參數(shù)變化，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況等；監(jiān)測(cè)層即陸地中心的跟蹤評(píng)價(jià)層，同步分析現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)你@井?dāng)?shù)據(jù)，智能評(píng)價(jià)鉆井狀況，為現(xiàn)場(chǎng)提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)；決策層即總公司的方案制定層，綜合鉆井和地質(zhì)等條件，以三維動(dòng)態(tài)可視化方式為技術(shù)專家的決策提供輔助作用；優(yōu)化層即鉆后的效率分析層，對(duì)已鉆的單井或區(qū)域多井進(jìn)行整體時(shí)效分析，為后續(xù)的施工或鄰井的設(shè)計(jì)提供參考資料。

圖1 鉆井智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 General structure drawing of intelligent drilling monitoring system

2 智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

2.1 鉆井設(shè)計(jì)預(yù)演與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

針對(duì)海洋石油鉆井施工多變，鉆前設(shè)計(jì)預(yù)演難，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平低的情況，將鉆井設(shè)計(jì)、地質(zhì)設(shè)計(jì)融合到模擬系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行鉆井全過(guò)程模擬，觀察各參數(shù)變化規(guī)律，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況和位置等信息，針對(duì)不同的情況模擬分析處理流程，從而提高鉆井風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估預(yù)測(cè)水平，切實(shí)降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.1 預(yù)演評(píng)估方案設(shè)計(jì)

考慮海上鉆井地質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境惡劣、安全要求高等作業(yè)特點(diǎn)，從方案設(shè)計(jì)、施工作業(yè)、安全預(yù)案、復(fù)雜情況處理等多方面建立了鉆井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制模型，綜合評(píng)價(jià)井身結(jié)構(gòu)、鉆井管柱、鉆井液體系、鉆井設(shè)備、鉆井工藝、井控能力等，形成了一套完善的海上鉆井設(shè)計(jì)預(yù)演與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系，如圖2所示。

圖2 鉆井設(shè)計(jì)預(yù)演與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系Fig.2 Drilling design rehearsal and risk assessment technical system

2.1.2 鉆井設(shè)計(jì)模擬

根據(jù)鉆井施工作業(yè)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)三維可視化預(yù)演模擬，依據(jù)鉆井設(shè)計(jì)和地質(zhì)設(shè)計(jì)方案，以三維可視化形式預(yù)演模擬鉆一口井的整個(gè)過(guò)程，最大程度模擬評(píng)價(jià)實(shí)際鉆井過(guò)程，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和精確性。

2.1.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及處理模擬

根據(jù)鉆井模擬過(guò)程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況，設(shè)置相應(yīng)的處理措施參數(shù)，模擬復(fù)雜事故處理過(guò)程，加強(qiáng)工程風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防和控制能力，減少?gòu)?fù)雜事故的發(fā)生，提高鉆井作業(yè)效率，并驗(yàn)證鉆井設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能評(píng)價(jià)

為了實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和同步評(píng)價(jià)，采用先進(jìn)的采集裝置及修正方法提高信息精度，將數(shù)據(jù)傳輸至評(píng)價(jià)系統(tǒng)后，對(duì)比實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與理論模型計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)鉆井參數(shù)異常提示和報(bào)警、鉆井事故綜合評(píng)判等，減少了技術(shù)人員實(shí)時(shí)跟蹤分析的工作量，提高了鉆井評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)報(bào)井眼異常情況，減少?gòu)?fù)雜事故的發(fā)生。

2.2.1 提高數(shù)據(jù)采集精度

為了保證現(xiàn)場(chǎng)采集的鉆井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，智能監(jiān)控技術(shù)采用了先進(jìn)的傳感器、高效的數(shù)據(jù)總線連接、提高數(shù)據(jù)傳輸頻率和數(shù)據(jù)修正校核的方式，提升數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量和效率。實(shí)現(xiàn)了鉆井信息數(shù)據(jù)的智能采集、智能判斷和傳輸，為監(jiān)控提供了準(zhǔn)確有效的信息，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集方法Fig.3 Data collection method

2.2.2 數(shù)據(jù)修正計(jì)算

正確處理和解釋鉆井過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被認(rèn)為是鉆井動(dòng)態(tài)模擬、鉆井過(guò)程可靠解釋和分析的關(guān)鍵。如圖4所示，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模塊將提供模擬器如下的修正與過(guò)濾數(shù)據(jù)。

①深度與機(jī)械鉆速。由于溫度與壓力的影響，鉆具會(huì)發(fā)生一定的伸長(zhǎng)?？偞怪鄙疃葘⑹褂脺y(cè)量深度和測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)采用校準(zhǔn)后的計(jì)算機(jī)械鉆速。

②鉆壓與扭矩。通過(guò)修正鉤載、鉆井液浮力、摩阻力等系統(tǒng)誤差，精確計(jì)算鉆頭上獲得的實(shí)際鉆壓，扭矩計(jì)算也一樣考慮頂驅(qū)電流測(cè)量誤差、系統(tǒng)誤差、摩擦力的影響，進(jìn)行修正。

③傳感器失效。當(dāng)溫度、壓力、流量等傳感器失效時(shí)，使用模擬數(shù)據(jù)代替測(cè)量數(shù)據(jù)正常工作。

圖4 數(shù)據(jù)修正Fig.4 Data correction

2.2.3 智能評(píng)價(jià)分析

智能評(píng)價(jià)分析過(guò)程是利用采集的工程參數(shù)，通過(guò)理論分析模型計(jì)算，評(píng)價(jià)井下工具的工作狀態(tài)，達(dá)到對(duì)鉆頭、鉆具運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆井參數(shù)，提高井下工具的使用壽命，避免復(fù)雜事故的發(fā)生。評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖5。

圖5 智能評(píng)價(jià)流程Fig.5 Intelligent evaluation process

2.3 三維可視化與遠(yuǎn)程同步?jīng)Q策

為了提高遠(yuǎn)程決策效率，保障鉆井安全，將地質(zhì)信息、鉆井狀態(tài)融合在一個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行三維可視化顯示，直觀地展示地層情況和鉆井情況動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)建立遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(圖6)，將平臺(tái)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、基地控制中心、專家人員等融入在同一個(gè)決策平臺(tái)上，從而提高了數(shù)據(jù)的共享性和時(shí)效性，加快了鉆井工程決策進(jìn)程。

圖6 構(gòu)建遠(yuǎn)程同步?jīng)Q策系統(tǒng)Fig.6 Building of remote synchronous decision system

2.3.1 地層三維可視化

地層是某段時(shí)間內(nèi)不斷積累所構(gòu)成的層狀堆積物，在三維空間中處于連續(xù)分布狀態(tài)，相同地層的形成年代、形成原因、巖層巖性都是相同的，排列方式上大體都是一層一層疊加而起。地層三維可視化軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)劃分為：數(shù)據(jù)處理模塊、三維圖形渲染模塊和用戶交互模塊(圖7)。

圖7 地層三維可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of 3D stratum visualization system

2.3.2 井眼軌跡三維可視化

井眼軌跡通過(guò)三維可視化的方式表現(xiàn)出來(lái)可以更加形象、準(zhǔn)確地表達(dá)鉆井的實(shí)鉆狀態(tài)，從而輔助工程技術(shù)人員快速了解鉆井狀態(tài)。井眼軌跡可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)劃分為：數(shù)據(jù)處理模塊、三維圖形渲染模塊和用戶交互模塊(圖8)。

圖8 井眼軌跡可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of well track visualization system

2.3.3 鉆井?dāng)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化

錄井?dāng)?shù)據(jù)隨著油氣勘探的進(jìn)程不斷變化，而工程技術(shù)人員在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析時(shí)需要對(duì)最新的信息進(jìn)行判斷，因此需要及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化(圖9)。

圖9 鉆井動(dòng)態(tài)可視化Fig.9 Drilling performance visualization

2.3.4 鉆井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享實(shí)時(shí)交流

通過(guò)動(dòng)態(tài)可視化的畫面，技術(shù)專家能夠高效地掌握鉆井信息，基于系統(tǒng)智能的鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析功能，綜合地質(zhì)、鉆井、測(cè)井等綜合信息快速判斷問(wèn)題原因，并提出合理的工程措施，實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)和遠(yuǎn)程決策。如果技術(shù)專家處于不同的地區(qū)，難以同時(shí)到達(dá)同一個(gè)決策地點(diǎn)，可以利用專家視頻會(huì)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將分布在不同地方的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、專家、工程技術(shù)人員集合在一起實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨專業(yè)聯(lián)合研討，達(dá)到實(shí)時(shí)信息交流與共享、開(kāi)展協(xié)同工作(圖10)。

圖10 遠(yuǎn)程決策平臺(tái)Fig.10 Remote decision platform

2.4 鉆井時(shí)效分析與參數(shù)優(yōu)化

基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量大、鉆后分析效率低的狀況，通過(guò)已采集鉆井?dāng)?shù)據(jù)，精確分析不同井段、不同作業(yè)狀態(tài)工作效率，反映作業(yè)整體狀況、現(xiàn)場(chǎng)操作水平以及井下?tīng)顩r，提供后續(xù)鉆井施工設(shè)計(jì)參考；通過(guò)相同井況條件下的參數(shù)對(duì)比分析，優(yōu)化得到最佳的鉆井方案，為鄰井的優(yōu)快鉆井提供依據(jù)。

2.4.1 鉆井時(shí)效分類

生產(chǎn)時(shí)間：①進(jìn)尺工作時(shí)間，包括純鉆進(jìn)時(shí)間、擴(kuò)眼鉆進(jìn)時(shí)間、接單根時(shí)間、起下鉆時(shí)間；②輔助工作時(shí)間，包括循環(huán)時(shí)間、測(cè)斜時(shí)間、短起下鉆時(shí)間、其他時(shí)間；③地層評(píng)價(jià)作業(yè)時(shí)間，包括取心工作時(shí)間、地層漏失試驗(yàn)時(shí)間、地質(zhì)循環(huán)取樣時(shí)間、測(cè)井工作時(shí)間；④固井作業(yè)時(shí)間，包括準(zhǔn)備工作時(shí)間、下套管時(shí)間、起下內(nèi)管時(shí)間、注水泥時(shí)間、候凝時(shí)間、拆裝井口時(shí)間、鉆水泥塞時(shí)間、測(cè)試固井質(zhì)量時(shí)間。

非生產(chǎn)時(shí)間：①處理事故時(shí)間，包括發(fā)生鉆具事故、鉆頭事故、卡鉆事故、井噴事故、套管破裂事故、固井事故、固井質(zhì)量事故、測(cè)井事故、井內(nèi)落物事故、人身事故、設(shè)備事故等停止正常鉆井作業(yè)(自發(fā)生事故起到解除事故、恢復(fù)到事故前狀態(tài)為止的全部時(shí)間)時(shí)間；②處理復(fù)雜情況時(shí)間，包括修理停工時(shí)間、組織停工時(shí)間、自然停工時(shí)間、其他停工時(shí)間。

2.4.2 鉆井時(shí)效分析

通過(guò)對(duì)不同操作時(shí)效的精確分析，如全井段進(jìn)尺時(shí)效、非生產(chǎn)時(shí)間、各井段鉆井作業(yè)時(shí)效，能夠直觀快速地掌握鉆井作業(yè)整體狀況，評(píng)價(jià)作業(yè)效率。

從表1和圖11可以看出某井914.4mm、444.5mm井段鉆進(jìn)時(shí)間占總體時(shí)間比例較小，311.2mm、215.9mm井段鉆進(jìn)時(shí)間、起下?lián)Q鉆頭時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明隨著井深的增加，鉆井難度增加，鉆頭磨損加快。

表1 某井各段鉆井時(shí)效分析Tab.1 Drilling prescription analysis of each hole section

圖11 某井不同井段鉆井時(shí)效分析Fig.11 Drilling prescription analysis of different hole section

本系統(tǒng)不僅能對(duì)不同井段的時(shí)效進(jìn)行自動(dòng)分析，還能對(duì)不同操作條件下的效率進(jìn)行自動(dòng)分析(圖12)。

圖12 套管上扣、下入分析Fig.12 Analysis of casing makeup and casing running

2.4.3 鉆井方案優(yōu)化

通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)中同一區(qū)塊相鄰井的鉆井資料，分析不同井段的鉆井時(shí)效，對(duì)比相同地質(zhì)條件下不同井的工作效率，優(yōu)化得到最佳的鉆井方案，為其他鉆井設(shè)計(jì)和施工提供參考。如圖13所示，通過(guò)對(duì)比同井段不同鉆井參數(shù)、鉆頭類型、機(jī)械鉆速的變化規(guī)律，分析鉆井效率低的原因，為區(qū)域其他鉆井作業(yè)提供優(yōu)化方案。

圖13 鄰井鉆井參數(shù)、機(jī)械鉆速對(duì)比分析Fig.13 Contrastive analysis of adjoining well drilling parameter and penetration rate

3 結(jié) 語(yǔ)

海洋石油鉆井智能輔助決策監(jiān)控系統(tǒng)的研究，有效提高了海洋鉆井智能監(jiān)控水平，大幅降低了復(fù)雜地層鉆井的作業(yè)難度，減少了復(fù)雜情況，有效避免了工程事故的發(fā)生，為實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井作業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。

該項(xiàng)目形成了一套完善的鉆井智能監(jiān)控技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了鉆井工程信息的綜合評(píng)價(jià)和遠(yuǎn)程決策，提高了鉆前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，提高了遠(yuǎn)程決策效率，加快了鉆后時(shí)效分析，從而為海上油氣田的高效勘探開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和安全保障。