霍宏博，謝 濤，劉海龍，李 進(jìn)，林 海，陳 卓

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實驗室，天津 300459）

引言

伴隨著大數(shù)據(jù)掀起的信息革命浪潮，國際知名石油企業(yè)已經(jīng)將信息技術(shù)引入鉆完井行業(yè)，數(shù)字化、科學(xué)化、大數(shù)據(jù)化是未來鉆完井服務(wù)行業(yè)的發(fā)展趨勢。由于海洋鉆完井風(fēng)險性高，鉆完井投資在油氣勘探開發(fā)投資中占比大，海洋石油公司更熱衷于采用新技術(shù)為鉆完井作業(yè)提高效率和降低風(fēng)險。我國渤海油田也已初步將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于海洋鉆完井中。渤海油田開發(fā)已經(jīng)超過40年，積累了大量的鉆完井實鉆數(shù)據(jù)，擁有4000 余口鉆完井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)，具備進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘的潛力，已開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)存儲的鉆完井?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)、作業(yè)實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、鉆井專家在線決策系統(tǒng)、鉆完井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計分析、成本精細(xì)化管理、風(fēng)險預(yù)測管理等應(yīng)用，也對一些困擾鉆完井專業(yè)的難點(diǎn)（如井壁失穩(wěn)、提高機(jī)械鉆速等）進(jìn)行了實驗室研究，形成了一些理論基礎(chǔ)。但如何利用好地面、地下傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，結(jié)合實驗室理論分析深入挖掘和利用這些數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)后期鉆完井工作仍需要進(jìn)行探索和實踐。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

大數(shù)據(jù)的起源通常認(rèn)為是谷歌的三篇文章——GFS、MapReduce 和 BigTable[1-3]，以及亞馬遜的Dynamo[4]。Google 以大數(shù)據(jù)技術(shù)贏得了在廣告業(yè)務(wù)上的成功，隨后雅虎、微軟、阿里巴巴、Facebook、LinkedIn、Twitter 等公司也加入到了大數(shù)據(jù)研究中。互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析?；ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)目前在精準(zhǔn)客戶定位、個性化服務(wù)、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、檢測感染性疾病、提高運(yùn)動技能等方面都有應(yīng)用，并取得了較好的效果。國內(nèi)外政府部門亦逐漸認(rèn)識到大數(shù)據(jù)發(fā)展研究的重要性。2012年3月起美國奧巴馬政府宣布以2 億美元啟動大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃。我國在2012年10月成立了中國計算機(jī)學(xué)會大數(shù)據(jù)專家委員會[5]。

大數(shù)據(jù)在油氣田相關(guān)企業(yè)服務(wù)中已有諸多應(yīng)用，例如，殼牌是較好地運(yùn)用了大數(shù)據(jù)模式的石油企業(yè)，利用大數(shù)據(jù)使上游業(yè)務(wù)的提高開采成功率和下游業(yè)務(wù)中的降低成本、提升銷售都得到了改善[6]。IBM 采用決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別與卡鉆相關(guān)的征兆以預(yù)測和避免事故發(fā)生，降低鉆井風(fēng)險，準(zhǔn)確度達(dá)到85%[7]。部分知名國際公司如哈里伯頓（Halliburton）、斯倫貝謝（Schlumberger）公司等，已開始在鉆完井信息采集與數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域應(yīng)用大體量數(shù)據(jù)處理，在鉆完井分析系統(tǒng)中應(yīng)用效果顯著[8]。在國內(nèi)，地質(zhì)專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用hadoop大數(shù)據(jù)平臺集成非結(jié)構(gòu)化地質(zhì)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)、挖掘數(shù)據(jù)已取得了較好的效果，正在向智能化地質(zhì)方向發(fā)展[9]。中石油川慶鉆探工程有限公司建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、存儲、調(diào)用系統(tǒng)，并在快速鉆井、安全鉆井、壓力預(yù)測方面得以應(yīng)用[10]。中石油塔里木油田公司運(yùn)用“大數(shù)據(jù)”資源，為試油設(shè)計提供了一體化平臺[11]。2018年中海油建立智慧鉆井應(yīng)用示范項目團(tuán)隊，組織20 多位專家建立大數(shù)據(jù)模型，利用南海東部的近70 口井建立鉆井工程與地質(zhì)數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)建模，預(yù)留井位的真實數(shù)據(jù)與預(yù)測完全一致[12]。

雖然石油行業(yè)對大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行了一些嘗試，但其在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的數(shù)據(jù)規(guī)模和運(yùn)用能力，對于大數(shù)據(jù)的理解和認(rèn)識也未達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的高度。本研究團(tuán)隊所在的中海油渤海油田建立了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了鉆井?dāng)?shù)據(jù)實時監(jiān)測，通過對鉆井工程數(shù)據(jù)分析處理、深入挖掘，初步實現(xiàn)了基地輔助決策系統(tǒng)遠(yuǎn)程技術(shù)支持鉆井現(xiàn)場，并在渤中19-6 油田鉆井作業(yè)得以實現(xiàn)[13]，雖然通過油田信息化建設(shè)實現(xiàn)了鉆完井大數(shù)據(jù)的初期階段，但未來鉆完井大數(shù)據(jù)建設(shè)仍需持續(xù)推進(jìn)。

2 鉆完井大數(shù)據(jù)構(gòu)建和關(guān)鍵技術(shù)

鉆完井大數(shù)據(jù)是基于大量的鉆完井實時作業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和調(diào)用處理，并從中找出規(guī)律性，以實現(xiàn)鉆完井技術(shù)的優(yōu)化提升。

2.1 數(shù)據(jù)錄取和傳輸系統(tǒng)

地面和地下數(shù)據(jù)的采集為渤海油田鉆完井大數(shù)據(jù)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。海洋鉆井多參數(shù)儀可采集鉆修井過程中的 鉆壓、扭矩、立壓、泵速、游車高度、泥漿罐體積等鉆井實時參數(shù)，并傳輸至中控室和陸地指揮中心[14]。

渤海油田建立的鉆井決策系統(tǒng)將井軌跡資料與三維地質(zhì)模型結(jié)合，并由各專業(yè)專家綜合分析決策下達(dá)指令，變“盲打”為“可視化”作業(yè)，解決了傳統(tǒng)油田開發(fā)模式在油藏、地質(zhì)專業(yè)信息與鉆井過程中數(shù)據(jù)不對稱的問題。

早在90年代初綏中36-l 油田開始，鉆完井過程中就應(yīng)用隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向設(shè)備識別地層并指導(dǎo)鉆完井作業(yè)[15]，這一技術(shù)在哈里伯頓（圖1）、斯倫貝謝、貝克休斯（Baker Hughes）等國際服務(wù)公司的隨鉆設(shè)備都有所應(yīng)用。2015年中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)的Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和Drilog隨鉆測井系統(tǒng)在渤海的成功應(yīng)用標(biāo)志著我國全尺寸隨鉆定向、測井工具的研發(fā)成功[16]。隨鉆測井工具以泥漿正脈沖發(fā)生器傳輸信息，可將井斜、方位、井徑、環(huán)空壓力、振動、沖擊、電阻率、自然伽馬實時遠(yuǎn)程傳輸，并通過地質(zhì)分析軟件和專業(yè)人員遠(yuǎn)程隨鉆，達(dá)到對井軌跡的精確控制，實現(xiàn)勘探開發(fā)一體化決策。應(yīng)用隨鉆地震、隨鉆核磁工具提供的實時數(shù)據(jù)，對于儲層邊界識別、壓力控制和潛山卡層起到了至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是保證數(shù)據(jù)同步性的關(guān)鍵，渤海油田使用Wits Server 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器，將提取的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)輸送處理器，并通過Gweb服務(wù)器將格式轉(zhuǎn)換后的Wits ML數(shù)據(jù)加載到地質(zhì)油藏模型。

圖1 哈里伯頓的3D 地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)

2.2 數(shù)據(jù)存儲和分析

2004年起，渤海油田引入PELOTON 公司的Wellview 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆完井資料實時入庫并對渤海所有老井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)錄，結(jié)構(gòu)化保存了渤海油田4000 余口井史資料，可實現(xiàn)對渤海所有已鉆井資料的快速查詢統(tǒng)計。引入康斯伯格公司Discovery Web 系統(tǒng)在陸地實時監(jiān)測現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)曲線，輔助現(xiàn)場作業(yè)。2017年，搭建基于成本分析SAP 和Wellview 系統(tǒng)的精細(xì)化管理平臺（圖2），使成本數(shù)據(jù)與作業(yè)數(shù)據(jù)對接，利用數(shù)據(jù)庫建立動態(tài)數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)成本的高效化及智能化管理，達(dá)到成本精細(xì)化管理的全覆蓋，實時了解在作業(yè)井成本，提升了成本控制綜合管理水平。

圖2 渤海油田鉆完井?dāng)?shù)據(jù)傳輸管理

本文基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫已鉆井資料分析，抽取軟件中的設(shè)計參數(shù)，運(yùn)用Landmark、DrillWorks、CementPro 等專業(yè)軟件，進(jìn)行力學(xué)分析、鉆頭優(yōu)選、軌跡設(shè)計等方案設(shè)計優(yōu)化。

3 渤海鉆完井大數(shù)據(jù)進(jìn)展和現(xiàn)場應(yīng)用

渤海油田大數(shù)據(jù)工作已開展多年，在以科技創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)改革的大背景下，渤海油田致力于建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化、智能化的海油云平臺（圖3），將鉆完井參數(shù)、鉆完井決策、大數(shù)據(jù)分析融入其中，并在實際工作得以應(yīng)用。渤海油田正向智能油田、綠色油田發(fā)展。

圖3 渤海油田大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)結(jié)構(gòu)

3.1 渤海鉆完井大數(shù)據(jù)進(jìn)展

2015年，渤海油田專家在線系統(tǒng)啟用，包括：鉆井實時數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控系統(tǒng)；鉆井專家在線輔助決策系統(tǒng)；鉆井仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[17]。2018年7月，渤海油田成立“鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)工作組”，以持續(xù)推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)在鉆完井領(lǐng)域的科學(xué)引領(lǐng)作用，取得了較好效果。2018年10月，渤海油田與康菲石油交流大數(shù)據(jù)應(yīng)用成果并合作建立蓬萊油田鉆完井大數(shù)據(jù)中心。

3.2 大數(shù)據(jù)在智能壓裂充填中的應(yīng)用

蓬萊油田從2018年起引入康菲石油大數(shù)據(jù)支持，應(yīng)用于蓬萊油田單井壓裂設(shè)計。針對渤海的壓裂充填作業(yè)量較大、高頻小型壓裂、多層多級壓裂，壓力復(fù)雜、低液體效率、高砂比的特點(diǎn)，結(jié)合已有的大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，開發(fā)新的可視化模塊和分析模塊，研發(fā)基于成本的管理分析工具，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫集成。此研究篩選出了一系列具有物理指導(dǎo)意義的完井參數(shù)，為多元變量分析奠定了基礎(chǔ)，在預(yù)先篩選的完井參數(shù)中，進(jìn)一步選取了對產(chǎn)量有最大影響的兩個完井參數(shù)：每個射孔簇的支撐劑總量和射孔簇間距。上述成果在蓬萊油田8 口井的現(xiàn)場作業(yè)中取得了較好的應(yīng)用效果。

3.3 大數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程輔助決策中的應(yīng)用

渤中19-6 區(qū)域探井鉆井中應(yīng)用遠(yuǎn)程輔助進(jìn)行決策支持。將井場傳感器參數(shù)與模擬器計算參數(shù)匯入服務(wù)器，由衛(wèi)星信號與基地服務(wù)器交換，以 Witsml 格式實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫實時更新，非實時傳輸數(shù)據(jù)（如鉆具表、鉆井液流變性能參數(shù)）以結(jié)構(gòu)化報表傳輸至數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了海上鉆完井現(xiàn)場與遠(yuǎn)程模擬同步，整合了動態(tài)模擬、可視化、遠(yuǎn)程監(jiān)控，成功輔助了專家決策。

通過該系統(tǒng)，對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場摩阻扭矩值與設(shè)計值進(jìn)行實時對比，分析差異產(chǎn)生的原因，并及時調(diào)整，避免了卡鉆事故的發(fā)生；對比水力 學(xué)參數(shù)的模擬值和實際值，優(yōu)化了水力學(xué)模型，精細(xì)調(diào)節(jié)壓耗，輔助了鉆井起鉆循環(huán)清潔井眼等措施；利用隨鉆模擬地層壓力，根據(jù)趨勢預(yù)測地層壓力，精確度達(dá)到97%。渤中19-6 區(qū)域遠(yuǎn)程輔助支持系統(tǒng)取得了非常好的效果，也為后期遠(yuǎn)程決策提供了依據(jù)[18]。

3.4 大數(shù)據(jù)在海洋物資調(diào)度中的應(yīng)用

自動提取數(shù)據(jù)庫中單井信息、生成鉆完井月報系統(tǒng)替代人工統(tǒng)計，成為生產(chǎn)經(jīng)營分析和效率統(tǒng)計對比的基礎(chǔ)。依托計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息化手段及現(xiàn)代化多媒體技術(shù)支撐，開發(fā)可視化智能庫存管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了物資快速查詢及物資3D 可視化管理，還實現(xiàn)了庫存物資大數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析。

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，平臺物資實現(xiàn)了共享互聯(lián)。以往，應(yīng)急物資由各平臺單獨(dú)配備；通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，實現(xiàn)了海洋物資區(qū)域化，應(yīng)急物資多個平臺區(qū)域配備，總準(zhǔn)備量降低15%，且應(yīng)急物資調(diào)配速度較傳統(tǒng)調(diào)度方式大大提高。大數(shù)據(jù)技術(shù)也使得船舶使用效率更高，區(qū)域船舶航行總距離節(jié)省21%。上述成果表明大數(shù)據(jù)在海洋物資調(diào)度中的應(yīng)用起到了良好的效果。

4 未來渤海鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)劃和展望

渤海油田對于鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行了嘗試，但對大數(shù)據(jù)應(yīng)用和未來發(fā)展方向仍需進(jìn)行進(jìn)一步探索。目前，渤海油田對鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)劃和展望，為未來發(fā)展大數(shù)據(jù)做好了準(zhǔn)備。

4.1 數(shù)字化鉆井與智能化鉆井的結(jié)合

目前渤海油田雖然已達(dá)到對鉆完井?dāng)?shù)據(jù)實時收集和傳輸?shù)哪芰?，但對于?shù)據(jù)的分析和評估仍然是基于人工分析，依靠經(jīng)驗尋找各數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)。對于大數(shù)據(jù)的利用，應(yīng)向智能化方向發(fā)展，可依靠人工智能深度學(xué)習(xí)從海量數(shù)據(jù)中抽絲剝繭，尋找關(guān)聯(lián)，突破經(jīng)驗限制，作為今后智能油田的基礎(chǔ)。

4.2 鉆井液實時測試數(shù)據(jù)傳輸

鉆井液性能與鉆井復(fù)雜情況關(guān)系密切，多數(shù)復(fù)雜情況都?xì)w咎于鉆井液性能惡化。但受制于鉆井液測量依賴人工操作，鉆井液的流動性性能參數(shù)還未達(dá)到實時傳輸?shù)乃?。依賴人工手動測量并輸入數(shù)據(jù)庫，無法達(dá)到數(shù)據(jù)的實時傳輸，也影響現(xiàn)場的決策。未來通過對泥漿泵及管匯改造，可增加鉆井液性能參數(shù)實時測量、實時傳輸設(shè)備，以實現(xiàn)對鉆井液性能的把控。

4.3 井壁狀態(tài)數(shù)字化

國際石油公司都非常重視井筒工程數(shù)字化，提倡將鉆、錄、測、井下作業(yè)參數(shù)實現(xiàn)共享，輔助專家決策，但是井壁狀態(tài)數(shù)字化還未開展研究。目前，井壁所處的狀態(tài)是基于鉆前鄰井測井資料、地震資料和實驗室?guī)r心分析獲得的靜態(tài)數(shù)據(jù)，而受鉆井液浸泡沖刷、鉆具撞擊刮削的井壁狀態(tài)是不斷變化的，隨時間增加，井壁掉塊或者縮徑導(dǎo)致鉆井復(fù)雜發(fā)生。可以以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析井壁狀態(tài)隨時間的變化，達(dá)到對復(fù)雜風(fēng)險的提前預(yù)防（圖4）。

圖4 井壁狀態(tài)數(shù)字化設(shè)想

4.4 鉆頭狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備

目前鉆頭的鉆壓、扭矩參數(shù)均為計算數(shù)據(jù)，還無法獲取鉆頭在井下實際承受的鉆壓和扭矩，鉆頭的溫度、磨損等狀態(tài)信息也無法獲取。未來 可通過增加鉆頭狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測鉆頭信息，反應(yīng)井下實時情況，獲得井底最及時的信息反饋。在此基礎(chǔ)上還可研發(fā)可視化、井底狀態(tài)分析設(shè)備輔助鉆井決策。

4.5 鉆井資源智能調(diào)度

現(xiàn)代鉆完井作業(yè)過程管理及資源（鉆井船、船舶、人員、工具、物料等）統(tǒng)籌協(xié)調(diào)依然主要靠傳統(tǒng)人工方式，缺乏統(tǒng)籌高效一體化的科學(xué)管理工具。而現(xiàn)有的WellView 鉆完井?dāng)?shù)據(jù)庫和3D可視化智能庫存管理系統(tǒng)已經(jīng)具備了在區(qū)域資源調(diào)度大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行智能調(diào)度的條件。未來結(jié)合鉆完井庫存數(shù)據(jù)，結(jié)合勘探、工程、開發(fā)生產(chǎn)、財務(wù)等數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析、挖掘和可視化功能，可實現(xiàn)由數(shù)字化管理推動鉆井資源調(diào)配，實現(xiàn)管理價值的提升。

5 結(jié)論

海上鉆完井作業(yè)是一項高投入、高風(fēng)險和高技術(shù)水平的隱蔽性地下工程，渤海油田通過對大數(shù)據(jù)技術(shù)的探索，已經(jīng)初步實現(xiàn)利用大數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場鉆完井的目標(biāo)，但距離真正的大數(shù)據(jù)鉆完井仍很遙遠(yuǎn)，未來發(fā)展中仍需完善。本文針對渤海油田鉆完井現(xiàn)狀，提出以下建議。

（1）增加石油各專業(yè)集成。目前，渤海數(shù)據(jù)庫還未達(dá)到物探、勘探、油藏、鉆完井、采油、海洋工程數(shù)據(jù)的共享，而大數(shù)據(jù)分析需要以多專業(yè)信息為基礎(chǔ)。

（2）增加專業(yè)化人才培養(yǎng)。當(dāng)前從事鉆完井?dāng)?shù)據(jù)研究人員基本由鉆完井專業(yè)轉(zhuǎn)型，思路局限。大數(shù)據(jù)鉆完井技術(shù)缺少大數(shù)據(jù)專業(yè)背景的人才，打破石油行業(yè)壁壘需要互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)石油行業(yè)的多專業(yè)融合。

（3）充分發(fā)揮人為作用。在大數(shù)據(jù)技術(shù)形成前，提高操作者主動作為，增加靜態(tài)數(shù)據(jù)填報的準(zhǔn)確性、及時性。