汪 湖 濱

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

目前國內(nèi)多數(shù)的石油工程技術(shù)服務(wù)公司已經(jīng)實現(xiàn)了基于WITSML標(biāo)準(zhǔn)的綜合錄井、鉆井參數(shù)、鉆井液性能等數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸、資料處理和網(wǎng)上圖表展示，但一直沒有實現(xiàn)隨鉆實時數(shù)據(jù)的自動采集和井眼軌跡的分析預(yù)測[1]。近幾年甲方用戶充分利用隨鉆測井技術(shù)提高單井產(chǎn)量，在鉆井實施過程中，各級用戶迫切需要對隨鉆測井儀器發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時跟蹤，故隨鉆測量數(shù)據(jù)成為地層對比、水平段巖性和油氣評價跟蹤的重要參數(shù)，然而當(dāng)前大部分公司依舊滯留在搜集現(xiàn)場靜態(tài)隨鉆數(shù)據(jù)，地質(zhì)師手動記錄井斜數(shù)據(jù)，基地技術(shù)人員不能夠及時掌握詳細(xì)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使得決策人員對油氣資源評價和鉆井現(xiàn)場施工方案的制定出現(xiàn)一定的滯后[1-2]。針對上述生產(chǎn)需求，研發(fā)此系統(tǒng)實現(xiàn)了隨鉆數(shù)據(jù)自動傳輸、遠(yuǎn)程查詢分析、歷史曲線回放、數(shù)據(jù)下載、圖表打印、模型分析等功能，將現(xiàn)場鉆井參數(shù)與基地監(jiān)控數(shù)據(jù)同步，使基地專家第一時間直觀了解現(xiàn)場隨鉆數(shù)據(jù)變化，及時修正和調(diào)整導(dǎo)向指令，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場工作。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

針對現(xiàn)場隨鉆儀器類型多樣、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、實時數(shù)據(jù)量大、圖表統(tǒng)計復(fù)雜等特點，該系統(tǒng)采用Visual Studio 2017開發(fā)平臺，C#開發(fā)技術(shù)，用戶界面采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，分別支持以功能和井為中心的兩種主題界面，具有很好的維護(hù)性和擴(kuò)展性。采集端口支持15種主流隨鉆儀器數(shù)據(jù)以毫秒級速率匯集到公共數(shù)據(jù)區(qū)，同時基地端實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖表的自動生成及實時發(fā)布，不同用戶可選擇通過PC 客戶端、手機(jī)APP、網(wǎng)頁瀏覽等多種方式獲取現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)信息。

1.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

隨鉆數(shù)據(jù)自動采集與遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)分為井場端數(shù)據(jù)實時采集模塊和基地端數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控分析模塊兩部分，在井場端實現(xiàn)將不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下隨鉆儀器實測的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、譯碼、加密后無線傳輸；在基地端構(gòu)建多種數(shù)據(jù)模型，實時監(jiān)測處理井眼軌跡、自然伽馬、電阻率、綜合錄井等參數(shù)，對譯碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形處理、展示、圖表打印輸出。系統(tǒng)部署在鉆井現(xiàn)場的定向儀器房內(nèi)，并連接井場局域網(wǎng)，通過局域網(wǎng)發(fā)送和接收WITS格式數(shù)據(jù)。此外系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限通過授權(quán)機(jī)制分級管理來控制，系統(tǒng)管理員可以對用戶進(jìn)行管理，包括增加用戶、修改用戶、用戶權(quán)限管理、刪除用戶，在確保數(shù)據(jù)跨專業(yè)共享應(yīng)用的同時提高數(shù)據(jù)使用的安全性。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為適應(yīng)多類型異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，井場端采用Redis全內(nèi)存數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)按傳輸頻率存儲到本地數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)隨鉆參數(shù)與錄井參數(shù)在內(nèi)存中進(jìn)行實時匯集，任意時間點數(shù)據(jù)在內(nèi)存中連續(xù)存儲，周期性地將更新的數(shù)據(jù)寫入磁盤或者將修改操作寫入追加的記錄文件[3]，大幅度提高了現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的存儲速度，解決了綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)與隨鉆實時數(shù)據(jù)因采集周期不同所導(dǎo)致的在同一時刻獲取這兩種數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)的問題，保證了數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性和有效性。

基地端為滿足多類型數(shù)據(jù)的存儲要求，在基地部署Oracle數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建中心主庫將各個井場回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行有序合理的結(jié)構(gòu)化存儲、數(shù)據(jù)異地備份及還原，同時采用視圖機(jī)制對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行安全管理，從而有效地對數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行安全管理(圖1)。

圖1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)創(chuàng)新研發(fā)了適配器設(shè)計模式的數(shù)據(jù)中間轉(zhuǎn)換功能，將不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)發(fā)送端DCR可以識別的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸，同時在基地端統(tǒng)一對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)及圖表的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測及歷史曲線回放。

2.1 隨鉆數(shù)據(jù)采集

隨鉆測井儀器在井筒內(nèi)開始工作后，前端采集軟件即自動開始運行，通過實時監(jiān)聽隨鉆儀器廣播接口，實時收集各型號儀器發(fā)出的新鉆進(jìn)地層的井斜數(shù)據(jù)、深度數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、鉆頭數(shù)據(jù)、自然伽馬數(shù)據(jù)、電阻率儀器狀態(tài)等動態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行數(shù)據(jù)項及數(shù)據(jù)單位的歸一化處理，接口一端連接隨鉆儀，另一端連接數(shù)據(jù)發(fā)送端DCR，通過解析數(shù)據(jù)文件將實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WITS格式的數(shù)據(jù)協(xié)議并發(fā)送給DCR，為實時數(shù)據(jù)顯示和查詢提供源頭數(shù)據(jù)。由于目前國內(nèi)隨鉆儀器種類多樣，并且多種儀器采用自定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，為實現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)兼容，設(shè)計了適配器模式接口，通過適配器與各型號隨鉆儀對接，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)WITS數(shù)據(jù)格式，為下游應(yīng)用程序發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。因為不同儀器都有自己的數(shù)據(jù)項編號，且不能與DCR傳輸協(xié)議對應(yīng)，針對這一情況開發(fā)了儀器編號與CDA編號的對應(yīng)策略，可以根據(jù)不同儀器的具體情況靈活配置提高采集效率。目前采集軟件可支持貝克休斯、斯倫貝謝、哈里伯頓等15家公司的隨鉆儀器，能準(zhǔn)確快速識別地層巖性和油水層，預(yù)測地層變化趨勢。

2.2 隨鉆數(shù)據(jù)傳輸

通過引入ACE網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)、FreeTDS和OCI數(shù)據(jù)訪問工具開發(fā)實時數(shù)據(jù)傳輸中間件，實現(xiàn)井場與基地間的動靜態(tài)隨鉆數(shù)據(jù)定點、定時、分段、增量、全井特性分類傳輸和隨鉆數(shù)據(jù)日志記錄，傳輸軟件分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送端(DCR)和基地數(shù)據(jù)接收端(DDR)，DCR將井眼軌跡、鉆井參數(shù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)實時匯集后的數(shù)據(jù)存儲到本地Redis數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。由于鉆井現(xiàn)場存在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定，通信信號會出現(xiàn)時斷時續(xù)現(xiàn)象，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量下降時，軟件自動切換為增量或分段方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接速度，一旦數(shù)據(jù)發(fā)送中斷會自動記憶中斷位置，通信恢復(fù)時優(yōu)先補(bǔ)傳LAS文件數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸流量，提高了傳輸效率，保證現(xiàn)場隨鉆數(shù)據(jù)的實效性和完整性。

隨鉆測量是一個實時動態(tài)的測量過程，后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)也隨著測量過程不斷地增加，由于數(shù)據(jù)的延時性，后臺數(shù)據(jù)庫中的增加數(shù)據(jù)不能保證與隨鉆發(fā)送數(shù)據(jù)及時同步[4-5]。為了解決這個問題，數(shù)據(jù)接收端DDR采用逐條對比和全井替換兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，及時查看數(shù)據(jù)庫中是否有新增加的數(shù)據(jù)，通過在隨鉆數(shù)據(jù)存儲表中建立標(biāo)志位，利用可變化的標(biāo)志位來確定哪些數(shù)據(jù)需要同步(圖2)，有效降低數(shù)據(jù)包傳輸量，減輕服務(wù)器壓力。

圖2 可變化標(biāo)志位數(shù)據(jù)傳輸

2.3 綜合分析

相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示模塊，該系統(tǒng)通過建立多種數(shù)據(jù)分析模型實現(xiàn)了實鉆軌跡自動計算、垂深校正、數(shù)據(jù)回放等服務(wù)，同時根據(jù)需要將部分參數(shù)作為約束條件(插值或沿用)，對其余參數(shù)通過多次迭代進(jìn)行計算，綜合預(yù)測出限定條件下的井筒軌跡參數(shù)，供技術(shù)人員定量分析，快速調(diào)整實鉆軌跡，精準(zhǔn)預(yù)測油層走勢(圖3)。

井身軌跡實時計算服務(wù)是通過建立空間圓弧軌跡模型及應(yīng)用最小曲率半徑算法[5]，定時刷新現(xiàn)場同步回來的原生隨鉆測量數(shù)據(jù)，并計算出相應(yīng)的衍生隨鉆測量數(shù)據(jù)。垂深校正服務(wù)是針對現(xiàn)場部分定向儀無法發(fā)送或者發(fā)送錯誤垂深數(shù)據(jù)的情況，通過已建立的軌跡模型和測深曲線，對隨鉆測量數(shù)據(jù)進(jìn)行0.1 m高精度插值計算校正垂深，保證實時垂深曲線監(jiān)測。數(shù)據(jù)回放服務(wù)是實現(xiàn)隨鉆測井曲線與LAS數(shù)據(jù)補(bǔ)傳拼接繪制，并支持回放，方便技術(shù)人員查詢歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行技術(shù)總結(jié)。

圖3 軌跡參數(shù)分析

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨鉆數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面分錄井?dāng)?shù)據(jù)、隨鉆數(shù)據(jù)、實時工具面三個區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合展示，展示內(nèi)容可靈活自定義接收數(shù)據(jù)項，支持動態(tài)配置修改，滿足用戶對隨鉆數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用需求。

隨鉆曲線展示分為測深曲線瀏覽和垂深曲線瀏覽，曲線支持滾屏、縮放、圖表的打印輸出功能，并可以根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，實時準(zhǔn)確定位到當(dāng)前接收到數(shù)據(jù)的井深位置。測深曲線初次打開通過回放服務(wù)讀取數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史數(shù)據(jù)，然后接收DDR軟件發(fā)送過來的WITS實時數(shù)據(jù)包，實時刷新隨鉆曲線。軟件支持曲線單道刷新顯示，可以通過選擇曲線模板，選擇需要顯示的曲線。由于現(xiàn)場采集軟件有可能中斷，修復(fù)通信后定向數(shù)據(jù)導(dǎo)出LAS文件補(bǔ)傳數(shù)據(jù)，展示軟件優(yōu)先讀取補(bǔ)傳數(shù)據(jù)，然后接續(xù)實時數(shù)據(jù)，保證曲線完整顯示。垂深曲線利用井身軌跡計算模型，實時計算斜深曲線垂深，并根據(jù)垂深計算結(jié)果實時刷新曲線，垂深隨鉆曲線也優(yōu)先讀取LAS垂深曲線，保證垂深曲線完整準(zhǔn)確?；剡h(yuǎn)程監(jiān)控人員根據(jù)曲線特點對地質(zhì)甜點進(jìn)行有效識別，判斷軌跡上切與下切儲集層狀態(tài)，指導(dǎo)軌跡優(yōu)化調(diào)整，基于工程安全情況下給出最為合理的調(diào)整方案，達(dá)到鉆遇箱體甜點并保障安全高效鉆井，實現(xiàn)了工程甜點與地質(zhì)甜點有效結(jié)合。

為了能夠在PC和智能手機(jī)等不同終端跨平臺顯示隨鉆曲線，研發(fā)了具有先進(jìn)圖形化井眼軌跡展示功能，將實鉆及預(yù)測的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，繪制垂直、水平剖面投影圖(圖4)，供監(jiān)控人員觀察軌跡走勢和入靶情況，滿足工程軌跡實時監(jiān)測需求。由于顯示比例問題，在中靶判斷過程中，原始顯示比例無法看清是否中靶，可將軌跡圈選局部放大顯示，并結(jié)合實鉆軌跡設(shè)計表分析設(shè)計軌跡，同時模塊具有實鉆軌跡數(shù)據(jù)Excel導(dǎo)出、數(shù)據(jù)下載等功能。

圖4 多種形式的軌跡投影圖

3 應(yīng)用效果

隨鉆測量數(shù)據(jù)實時采集與遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在遼河油田、四川油氣田、長慶油田、冀東油田85口井的鉆井現(xiàn)場成功應(yīng)用，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、解析，并傳輸至后方基地服務(wù)器，使油區(qū)管理者能夠?qū)崟r跟蹤現(xiàn)場情況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)支持。本文以四川頁巖氣地區(qū)的一口水平井應(yīng)用該技術(shù)的施工情況為例，驗證其應(yīng)用效果。

W 202X-X井是位于四川盆地威遠(yuǎn)構(gòu)造南翼的重點勘探水平井，設(shè)計箱體為龍一11小層，該井在鉆井施工過程中，地質(zhì)導(dǎo)向師、定向工程師、基地專家通過實時顯示的井眼軌跡及伽馬、電阻率等地質(zhì)參數(shù)曲線實現(xiàn)實時互動分析決策。

施工鉆進(jìn)至井深3 022.00 m時，預(yù)測井斜85.50°，當(dāng)前軌跡位于龍一11小層中上部，根據(jù)伽馬擬合分析地層傾角為下傾3.3°，下達(dá)導(dǎo)向指令按當(dāng)前井底預(yù)測井斜穩(wěn)斜，鉆進(jìn)至龍一11小層中下部油層中部部位，隨后在3 027.07 m處實際測量井斜為87.8°，與預(yù)測差別較大，地質(zhì)導(dǎo)向立即要求按指令降斜調(diào)整，但鉆至測點3 046.28 m井斜87.8°，測點3 056.07 m井斜87.63°，測點3 065.68 m井斜87.8°。鑒于連續(xù)幾點軌跡降斜效果較差，且數(shù)據(jù)分析軌跡位于龍一11小層頂部，現(xiàn)場導(dǎo)向與定向工程師分析砂體深度后，下達(dá)補(bǔ)充指令調(diào)整井眼軌跡，要求井斜降至84°鉆進(jìn)，通過隨鉆伽馬曲線調(diào)整當(dāng)前軌跡到達(dá)最佳開采部位。繼續(xù)鉆井至井深3 452.00 m時，預(yù)測井底井斜86.31°，根據(jù)隨鉆伽馬曲線分析當(dāng)前軌跡位于龍一11小層中上部，計算地層傾角為5.8°下傾。由于實鉆井斜未達(dá)到指令范圍，且本段地層出現(xiàn)微構(gòu)造傾角局部變大，造成軌跡上切很快，為防止頂部出層，現(xiàn)場技術(shù)人員請求后方基地專家遠(yuǎn)程技術(shù)支持，地質(zhì)專家根據(jù)實時測量曲線并參考后續(xù)地層趨勢及時決策，要求逐步降斜至83°，此時調(diào)整軌跡至龍一11小層中下部最佳油層位置。前后方協(xié)同制定決策方案，不但提高了鉆井效率，同時減少了鉆具在井筒內(nèi)的等停時間，減少鉆井作業(yè)風(fēng)險。本井根據(jù)曲線特征對導(dǎo)向模型不斷分析修正，恢復(fù)地層的真實形態(tài)，分析軌跡上、下切地層狀況，合理控制了軌跡入靶點，遠(yuǎn)程指導(dǎo)調(diào)整井眼軌跡3次，實際鉆井水平段長1 820.00 m，水平段鉆遇優(yōu)質(zhì)頁巖1 820.00 m，優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率100.00%，鉆遇龍一11小層1 732.00 m，鉆遇率95.16%，最終較好地完成了施工任務(wù)(圖5)。

通過應(yīng)用本系統(tǒng)與傳統(tǒng)導(dǎo)向軟件對比發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)利用各類隨鉆曲線、錄井?dāng)?shù)據(jù)等開展綜合應(yīng)用分析，且快速開展地層傾角計算，后方基地專家可實時遠(yuǎn)程監(jiān)測隨鉆數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程輔助決策，提高儲集層鉆遇率，縮短施工周期。傳統(tǒng)導(dǎo)向軟件由于需要手動輸入各項隨鉆數(shù)據(jù)，實時性差，后方基地?zé)o法實時跟蹤隨鉆數(shù)據(jù)，并且支持曲線內(nèi)容相對少，功能單一，不利于儲集層準(zhǔn)確評價，無法實現(xiàn)前后方一體化工作模式。

圖5 W 202X-X井完鉆模型剖面

4 結(jié)束語

隨鉆測量數(shù)據(jù)自動采集與遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將地質(zhì)參數(shù)傳感器測量模塊與井斜、方位、自然電位等隨鉆數(shù)據(jù)組合在一起，在鉆井過程中同時進(jìn)行地質(zhì)和鉆井參數(shù)的綜合測量，使現(xiàn)場技術(shù)人員與基地專家無縫對接。通過基地端展示模塊，同步監(jiān)控現(xiàn)場鉆井情況，綜合計算數(shù)據(jù)，隨時調(diào)整井身軌跡，對井下復(fù)雜情況分析預(yù)警，控制隨鉆儀器穿行在油層中部位置，從而實現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)油氣層和提高儲集層鉆遇率，有效提高施工效率，縮短鉆井周期，實現(xiàn)水平井綜合導(dǎo)向由“一人一井”模式向“一人多井”的轉(zhuǎn)變。