物聯網技術在鉆井實時監控系統中的應用

梁海波+張巧

摘 要：物聯網是近幾年來科學研究領域最前沿的課題之一，隨著技術的發展與進步，其在石油化工行業中有了更廣闊的應用。針對油田鉆井監控系統的需求，對物聯網技術在鉆井實時監控中的應用進行闡述，實現了系統的整體框架設計，分析物聯網在鉆井實時監控中各個層次中的應用情況，并對物聯網技術在鉆井實時監控系統中可大力發展的幾個方面作了探討。

關鍵詞：物聯網;鉆井;實時監控;感知

中圖分類號：TP273 ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

物聯網（Internet of things ，IOT）是在互聯網基礎上，將用戶端延伸和擴展到了任何物與物之間或人與物之間，進行信息交換和通訊，實現任何物與互聯網信息的相互聯系，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理[1]。

石油行業是物聯網應用的重要行業，尤其是石油生產環節的油氣鉆井工程，其對于鉆進過程中實施安全優快鉆井技術、降低鉆井事故率、提高鉆井時效、縮短鉆井周期的要求，為物聯網技術在鉆井工程中的應用和發展帶來了重要契機。

油氣鉆井是一項復雜的系統工程，鉆井現場設備眾多，流動性大，生產危險性大。整個鉆井過程要得到有效的控制和管理，實現安全高效，現場工程技術人員就需要對鉆井的每一個環節實施科學設計與施工，并對鉆井全過程進行實時監測、預防和及時預警可能的復雜情況與鉆井事故。然而鉆井現場需要監控的設備和監控點眾多，有線系統在現場布線困難，成本高，而且可靠性較差，維護困難，費用高。物聯網技術以向全時空、全過程、全狀態的多維度泛在感知和透明化發展為目標，能夠將數量眾多、形式各樣、具有感知能力的傳感設備通過各樣的通信技術實現互聯，形成超大規模的海量數據感知、傳輸、處理和存儲，由此而滿足了鉆井實時監控系統的工程要求，能夠實現對鉆井工程信息的實時采集、傳輸，現場工況的實時分析，以及對復雜情況與工程事故的實時警示、處理，從而達到對鉆井施工過程有效監控的目的，為鉆井生產作業者作出科學決策、提高鉆井時效與井身質量、降低鉆井成本提供依據和信息服務。

1 ?物聯網技術

1.1 ?物聯網簡介

物聯網概念是由美國麻省理工學院的Ashton教授于1999年提出的，定義為依托射頻識別（RFID）技術和互聯網實現物品的識別、跟蹤和管理的物流網絡[2]。早期的物聯網概念僅限于物流跟蹤和優化物流供應鏈。隨著科學的發展和技術應用的需求，至今物聯網的內涵已發生了較大的改變。在新時代，我們認為物聯網是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力或執行能力的各種信息感知設備，通過網絡設施實現信息傳輸、協同和處理，從而實現廣域或特定范圍的人與人、人與物、物與物之間信息交換需求的互聯網絡。從系統角度看，物聯網可劃分為一個由感知互動層、網絡傳輸層和應用服務層組成的三層體系[2]。

過去的傳統思維一直把物理基礎設施和IT基礎設施分開的，而物聯網通過三層體系的架構將物理系統和信息網絡系統連接了起來，即將物理基礎設施和IT基礎設施整合在一起，從而使人類能夠更加精細和智慧地控制物理世界的運行。世界上的任何物體，在任何位置、任何環境之中，只要使其嵌入具有感知和識別功能的設備，就能通過射頻識別、紅外感應、激光掃描、全球定位和無線網絡等技術和裝置，使之與網絡連接，進而由智能分析和信息處理技術實現對物理世界及其變化的全面、透徹感知，以及智能反饋和決策。

1.2 ?物聯網關鍵技術

全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯網的核心能力。作為一個龐大、復雜的綜合信息系統，物聯網體系架構中的各個層面都涉及許多關鍵技術。物聯網的幾個關鍵環節可以歸納為“感知、傳送、處理”，從而實現“及時、精確、全面地獲取和處理信息，達到科學決策、降低成本、提高效率、保護環境、增強安全等目標，更加有利于人類的可持續性發展”[3]。其中，傳感器技術、嵌入式技術、射頻識別技術以及云計算等網絡技術為物聯網的發展和廣泛應用提供了相應基礎。

2 ?鉆井實時監控系統

隨著生產要求的不斷提高，鉆井工程仍然存在著一些亟待解決的問題：如何精確確定復雜地質條件下的鉆井位置，減小鉆井工程的井下事故發生率，提高鉆井工程的安全性，減少鉆井工程的成本與開銷，建立健全穩定的網絡來及時傳送鉆井過程中的大量生產數據，并能實現鉆井事故的預警及分析處理，在專業技術人員、管理人員不在作業現場時，能實現遠程事故分析及相關控制操作。這一系列工程要求為物聯網技術的應用提供了巨大的空間。

2.1 ?系統框架

通過對鉆井工程的的需求分析，并基于物聯網的設計理念，將鉆井實時監控系統分為包含感知層、傳輸層和應用層的三層架構，其框架圖如圖1所示。感知層由井場現場實時信息采集裝置（如傳感器標簽、智能傳感器、紅外感應器、激光掃描器、攝像頭和GPS等各種感知設備）與鉆參儀、司鉆操控臺、頂驅設備、隨鉆系統地面儀等控制設備組成，用來實現對鉆井工程相關信息的全面感知和各種設備的控制;根據鉆井現場的地域特點和無線通信的技術水平，傳輸層由無線傳感網、專用和公用無線技術（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛星等無線傳輸技術）組成的無線異構網絡來進行數據傳輸[4]，可以保障數據傳輸的可靠性。應用層則具備鉆井設計、鉆進過程實時監控，井下工況仿真、遠程專家會診、生產調度指揮管理等功能，以滿足鉆井工程需求。

2.2 ?實時監控參數

在石油鉆井過程中，需要實時監測的系統參數多達幾十個，并且必須將這些監測記錄實時傳送給基地總控制臺。同時，總控制臺也需要將控制命令實時傳送給各子系統監控設備，以便對鉆井過程進行實時控制。對系統參數的監測主要依靠物聯網技術中的傳感器技術和識別技術等，而取得的大量現場數據則需要依靠物聯網的結點軟硬件設計技術、組網與泛在接入技術來實現短距離相互通信，及整個異種異構網絡的互聯互通，從而實現從感知層到網絡層再到應用層的無縫互聯。

在鉆井施工過程中所涉及到的復雜問題和事故類型有：井漏、井涌（溢流）、井塌、砂橋、泥包、縮徑、鍵槽、鉆具刺漏、鉆頭牙輪卡、鉆頭水眼刺、鉆頭水眼堵、鉆頭水眼掉、地層蠕變、鉆井液污染、有害氣體溢出[5];鉆具斷落、卡鉆、井噴、井下落物等。需要進行實時監測的包括鉆進、起下鉆、測斜、打水泥塞等鉆井工況。由此需要獲得的工程參數包括：基礎數據（井號、油田名稱、鉆深、鉆遇地層、事故發生時間、井深、井底壓力、過平衡壓力、巖石類型及其含量、夾層厚度、泥包趨勢等），鉆井液性能（密度、粘度、切力、濾失量、濾餅、含砂量、pH值等），井身結構數據（套管名稱、套管尺寸、套管頂部深度、套管鞋深度等），泵工作狀態（開啟狀態、沖數、上水效率、計算排量等），泥漿參數（泥漿池體積、泥漿溫度、泥漿密度），扭矩變化（轉盤扭矩、吊鉗扭矩、轉盤轉速），硫化氫濃度、流量差值、立壓變化、卡鉆系數、鉆壓變化、鉤載變化量（大鉤負荷、大鉤高度），鉆柱裸眼靜止時間等。

圖1 ?鉆井實時監控系統框架圖

2.3 ?智能應用系統

基于物聯網技術的鉆井工程實時監控系統應用層主要負責油水井海量信息的智能分析與相應控制，其關鍵技術包含有云計算技術、信息挖掘技術、智能管理和控制技術等。

鉆井綜合應用平臺根據現代鉆井工藝技術的特點，在物聯網環境下通過對鉆井工程的各過程的機理、模型和計算機應用技術等方面的研究，主要能實現以下功能：

鉆井實時數據管理系統包括信息管理（數據庫、模型庫）、邏輯推理（專家系統、人工智能）、方法設計（方法庫）以及鉆井工程設計、井下工況仿真和井下復雜情況實時診斷與處理等內容，其結構框圖如圖2所示。系統能夠按照用戶要求完成數據的分類與轉貯，為模型庫和方法庫等推理系統和鉆井工程設計系統提供數據流并貯存相應的結果。鉆井生產管理系統在物聯網環境下，集實時參數、鉆井工程數據庫、工況實時診斷決策多智能體為一體，使井場、基地和總部，乃至更廣泛的范圍下，相互共享資源、數據和信息，實現優化鉆井，及時有效的控制鉆井事故和復雜情況，提高鉆井效率的目標，其結構框圖如圖3所示。

圖2 ?鉆井實時數據管理系統

3 ?結 ?語

對于石油工業而言，目前正是借助物聯網這一信息技術大力革新的最佳契機，實現以較低的投資和使用成本實現對工業全流程的“泛在感知”，獲取傳統由于成本原因無法在線監測的重要工業過程參數，并以此為基礎實施優化控制，來達到提高產品質量和節能降耗的目標。因此在鉆井過程實時監控方面，可以從以下幾個方面更加完善的解決傳統鉆井監控系統存在的各種問題，以實現鉆井過程的自動優化控制：

（1）云計算、云存儲技術的使用。云計算和云存儲是一種通過互聯網方式提供的動態可伸縮虛擬化資源的計算和存儲模式。本文有提到通過使用該模式在鉆井綜合應用平臺中實現對油水井海量信息的智能分析與挖掘以及各架構層次之間的數據交換和處理，防止本地數據丟失，保證實時監控數據的安全和長期性。

圖3 ?鉆井生產管理系統

（2）多網融合技術的使用。鉆井實時監控的參數多達幾十個，而與其相關聯的整個鉆井生產管理系統中則有一個龐大的數據庫需要處理決策，因此包含電信網、廣播電視網、互聯網、電網在內的相互滲透和兼容的多網融合技術，可以形成一個統一的信息通信網絡，該網絡與物聯網數據融合技術的互相結合，將使鉆井工程的動態實時監控更加快捷、便利。

（3）人工智能的使用。人工智能是使用計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為，主要包括計算機實現智能的原理來制造類似于人腦智能的計算機，使計算機能實現更高層次的應用。在鉆井故障實時診斷中，采用人工智能，可以使系統具有針對異常鉆井狀態自動識別的能力，并且能夠使故障預判行為更加合理和科學。

參考文獻

[1]武佳賀，周浩，宮俊峰，等.物聯網在石油行業中的應用及展望[J].中國信息界，2011（7）：16-18.

[2]劉海濤.物聯網技術應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]何懿，曹邦功，張慶合.淺析物聯網在石油行業中的應用[J].石油與化工設備，2010，13（10）：13-14.

[4]檀朝東，李清輝，李丹，等.油氣生產物聯網功能設計研究[J].中國石油和化工，2011（10）：60-61.

[5]郭建明，李云峰，韓朝暉.鉆井異常狀態實時監測與智能決策系統的研究[J].鉆采工藝，2008，31（2）：32-35.