井筒工程“大數據”的建立與應用實踐

錢浩東， 溫 馨， 甘紅梅， 陳思錦， 李豐成

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2中石油川慶鉆探工程有限公司工程技術處 3 中石油川慶鉆探工程有限公司信息管理部 4中石油測井有限責任公司)

國際石油公司均實現了井筒工程數字化，成立遠程支持決策中心，提供多專業一體化解決方案，智能化鉆井、勘探、開發是大勢所趨。國內多數油氣田公司處于智能鉆井初期階段，為了實現智能鉆井，首要任務是建立數字化井筒。井筒工程數據包括了鉆井、錄井、測井、井下作業等多專業作業形成的數據，為了在生產、研究工作中實現數據資源共享，促進各專業技術融合和業務協同，為決策者、技術人員提供多種方式、多角度的數據，應改變以往數據應用和查詢模式，要從多維度、跨專業地去進行分析與應用數據，這樣“大數據”才能發揮更好的作用，有助于工程技術服務向科學化、一體化解決方案方向發展。

一、數字井筒技術發展概況

數據庫技術是上世紀八十年代末九十年代初在我國各個行業開始推廣應用的，并極大地推動了各行業的管理水平和技術進步。中石油最早開展數據庫研究的是鉆井專業，在90年代中期國內各油田興起了一次建立鉆井專業數據庫的熱潮，但是持續研究的時間很短。2002年前后國內各油田中塔里木、四川和長慶等少數幾個油田有較完整的鉆井數據庫，其他油田有零星的鉆井數據庫，除此以外開發的鉆井數據庫基本都被廢棄[1]，造成這種局面的有以下幾個原因：①受當時通訊條件以及計算機科學水平的制約，鉆井數據庫開發完成后并未到達人們預期的效果；②對數據庫信息科學發展規律認識的偏差，因為數據庫信息工程是一個系統工程，需要持續的資金支持和人員維護，而很多油田都是作為科研項目，項目驗收后就再沒有資金投入；③受機構重組的影響，對鉆井專業數據庫的認識差異，很少有油田公司愿意繼續在鉆井數據庫中投入資金，致使重組后很多油田的鉆井專業數據庫沒能繼續發揮它的功能。

隨著計算信息技術的日新月異，特別是通訊技術的迅速發展的影響，2008年后中石油又迎來了新一輪的數據庫建設熱潮，啟動了A1、A2、A7等項目，各地區公司也建立了自己的專業數據庫。這個階段開發的數據庫與上世紀九十年代開發的數據庫的最大區別，在于各專業建庫的目的都為實現各自的專業管理目標，造成在施工現場同一井筒作業有很多不同數據采集與填報系統，給現場施工隊帶來大量的重復填報工作，增加了一線技術人員的負擔，且數據源錯誤率高，嚴重阻礙生產管理[1]。以某公司為例，井場形成的數據采集情況如圖1所示。

圖1 井場形成的數據采集示意圖

專業數據庫適用范圍小，雖然具有便于管理、升級等優點，但專業信息系統缺乏統一規劃和建設，各專業基礎數據編碼不一致，重復建設現象多，系統與系統之間、專業與專業之間無法共享信息數據和資源，內部信息孤島嚴重，信息源利用率非常低，如何整合專業數據庫資源，形成可以利用一體化“大數據”，減少現場數據填報的負擔，推動數據化井筒建設進程。為此通過多專業聯合攻關,打通專業限制壁壘，建立井筒工程數據一體化管理平臺，構建了一個以井筒生產為基礎的，滿足多專業需求的油氣勘探生產管理平臺[1]。

二、井筒數字化的搭建

1.井筒一體化數據庫技術構架

一體化數據庫的數據集必須滿足各種不同專業數據庫的需求，要以實現“一次填報、多系統共享”的核心建設目標，達到減輕基層作業填報、成果資料整理工作量的目的。

為了涵蓋全井筒相關的各專業并實現數據一體化，主體技術框架設計由兩條主線構成，第一種主線以井的生命周期為主線，通過井這條主線，把井的物理屬性進行了詳細的描述，井的各種物理變化數據通過井進行有效串聯，能充分滿足成果數據的管理；第二種主線以作業ID(包括各專業的作業ID)這條主線把圍繞井筒各種作業事件也進行了有效關聯，通過關聯把井筒工程的各個專業數據緊密地整合在一個數據庫中，井筒工程數據庫得到最大化擴充，同時提高了數據庫的靈活性，能滿足各專業的數據需求。井筒一體化數據庫技術構架圖如圖2所示。

圖2 井筒一體化數據庫技術構架圖

2. 清理交叉數據源、規范數據標準

鉆井、錄井、測井、井下作業各專業間存在數據重復采集、數據源交叉的問題，為確保數據的一致性和準確性。為了減少數據的重復錄入，為一線技術員減負，對川慶一體化數據源進行了清理，共清理數據表近20個，交叉數據項數百項，同時還制定了各專業的數據采集標準，規范了采集數據，確保了數據采集的質量及數據的兼容性。

3. 一體化數據采集系統的開發

基于一體化數據庫開發的數據采集系統，兼顧了物探、鉆井 、錄井、測井、井下作業、鉆井液等多專業的施工數據采集系統，可實現分專業分用戶填報，避免重復錄入，所有專業的數據的填報量都比過去大大減少。同時提高了數據質量和數據利用率，確保了數據的完整性、唯一性和規范性[2]。

4. 實時數據的統一采集

實時數據也是井筒工程的一項重要數據資源，實時數據進入一體化數據庫進一步豐富了數據資源；同時實時數據通過一體化平臺方便的被更多的用戶群使用；現場數據采集遵循WitsML國際標準格式對作業現場的工控數據進行采集、存儲和傳輸，將鉆參儀、綜合錄井儀、測井、隨鉆儀器、增產改造數據等實時數據都被對接輸入一體化數據庫[3]，這些數據的納入也進一步減少了現場的數據手工錄入量，同時提升了現場數據展示的實時性，且滿足中石油A1、A5、A7、A12等多個系統的工程技術數據需求，并在中石油內網環境下通過研發一體化遠程傳輸系統，為遠程決策奠定了基礎。

5. 井筒工程移動APP的建立

井筒大數據平臺是基于Windows系統開發，數據查詢方式主要依賴于辦公電腦。利用已有的大數據平臺，在中國石油企業移動應用平臺上開發一套基于安卓系統的井筒工程移動APP，采用移動平臺統一的數據編碼格式，確保APP的穩定性和適應性。用戶身份認證設置實現口令認證和移動加密機兩種安全認證方式，并根據移動應用安全級別進行訪問權限控制，滿足移動平臺統一的信息安全管理。實現了管理人員不受時間和地點的制約，通過使用手機或平板電腦方便快速的鉆完井工程信息，為管理人員提供及時、可靠的決策依據，從而建立一種全新的“移動辦公”模式，使大數據平臺發揮更大的功效。

三、“大數據”在鉆井工程的應用實踐

一體化數據庫形成的隨鉆工程地質數據、勘探開發研究數據等實現了資源共享、促進了各專業技術融合和業務協同，是集數據采集、遠程監控、實時預警、輔助決策為一體的綜合展示發布平臺[4]，決策者、和業務人員面對“大數據”進行應用時，應改變以往數據應用和查詢模式，要從多維度跨專業地去考慮數據的分析與應用，這樣“大數據”才能發揮更好的作用。

基于一體化數據庫開發跨專業的數據查詢、統計、分析、數據挖掘到最終的輔助決策，是一體化數據采集平臺的主要開發目標，目前已實現了三方面的應用，有效地指導了安全生產。

1. 在快速鉆井中的應用

提速一直是鉆井工作者的追求的目標，提速的主要手段主要是利用新工具、新技術，在現有條件下進行鉆井參數優選，鉆井參數數據的優選要依賴實鉆資料，過去鉆井數據分析時主要集中在鉆井專業數據庫，如鉆頭使用、鉆具組合、鉆井性能、事故復雜分析等，但在“大數據”的背景下，可利用錄井數據庫的整米數據、實時巖屑數據分析回歸鉆速的趨勢線，來分析鉆速和巖性，利用測井數據庫的井徑、補償聲波、巖性密度等數據來分析巖石的可鉆性，通過多個專業的數據融合的綜合分析影響和制約鉆速的因素，建立新的鉆速方程或優化鉆井參數、鉆具組合，新的鉆井參數又可以通過可實時數據及時驗證和優化調整，這樣使提速方案更科學更合理，見圖3。

圖3 “大數據”在鉆井方案優化中應用示意圖

2. 安全鉆井中的應用

2.1 實時預警

“大數據”在鉆井現場的應用為鉆井提供了有效的工程監測：綜合錄井儀、鉆參儀，能夠直接監測鉆井工程、鉆井液、氣體和地層壓力等多項參數，實現對鉆井工程事故的連續監測和量化分析判斷，進而指導安全優化鉆井，達到保障鉆井施工安全、減少投入、提高勘探開發整體效益的目的。通過對實時數據和鉆井設計數據以及鉆井現場數據的統計、分析和挖掘，形成溢流、井漏、鉆具刺漏等主要鉆井工程事故復雜的預報方法，實現了對鉆井參數的自動監測、分析和異常報警。涉及錄井參數包括入口流量、總泵沖、總池體積、出口流量、立管壓力、出口密度、出口溫度、全烴等。例如，在鉆進過程中，大數據平臺監測出鉆時、出口密度異常下降，總池體積、出口流量、全烴值異常上升，可初步判斷溢流情況發生。

“大數據”在鉆井作業過程中能為工程安全提供保駕護航，但同時也受鉆井工藝、傳感器性能及現場環境所影響，在實際現場作業中，也需綜合考慮多方面原因以確定井下復雜情況的發生，有效保障鉆井作業安全。

2.2 地層壓力預測

準確預測地層壓力，一直是安全鉆井中的一項主要工作，利用井場實時一體化數據庫，可進行實時數據分析；前瞻性的建立地質模型，同時結合隨鉆參數，油藏數據模型，實時進行地層壓力預測以及井壁穩定性分析，并可以利用軟件圖示化地實時展示三維模型和地層壓力曲線；提高了鉆井可視化程度，用戶可以做到未雨綢繆及時做出針對性的鉆井施工方案，有效地降低了地質和鉆井不確定性，避免井下異常和井壁不穩定性等復雜，從而節約時間成本。

3. 在地質導向中的應用

工程地質的一體化數據是地質導向的基石，“大數據”為地質導向的成功提供了豐富的數據資源，利用多種巖石物理、測井數據、地震/地質面等數據，以鄰近地層趨勢為控制條件建立預測模型，在施工過程中可以根據實時錄井數據、LWD數據，對地質目標和井巖軌跡進行分析和調控，從而提高儲層鉆遇率并保證地質目標的實現，“大數據”在三維導航中應用示意圖4。

圖4 “大數據”在三維導航中應用示意圖

四、結論與建議

(1)通過搭建物探、鉆井、錄井、測井、井下作業等各專業一體化數據庫，實現了跨專業數據關聯與共享，減少了重復錄入，數字化井筒已經形成，不斷豐富和完善大數據平臺的功用，為鉆完井專家系統的形成奠定了堅實的基礎。

(2)“大數據”是未來企業信息技術創新發展的基礎，也是石油企業向信息化、智能化管理轉變的必經之路，應用“數據挖掘”、“云計算”等技術，對海量的、多專業的工程數據進行組織和處理，有效的指導了生產和管理工作。

(3)不斷完善豐富“大數據”資源。信息化時代的一個最重要的特征就是信息的多樣性，井筒工程一體化信息資源既要不斷吸收井筒工程各專業迅速發展的新技術、新工藝并逐步形成新的數據元素，同時也要不斷整合歷史上與井筒相關的各種數據與信息資源，甚至大量的非結構化信息資源，來不斷豐富完善一體化庫的數據資源，才能使這個“大數據”更好地服務于井筒作業。

(4)“大數據”與國外先進軟件的對接。用好“大數據”僅僅停留在數據挖掘和統計分析是遠不夠的，若能把這些“大數據”與國外先進的外購軟件實現對接，能進一步拓展“大數據”的應用,充分體現“大數據”的價值；近年來川慶鉆探公司圍繞井筒工程的各專業都購買了大量的國外先進軟件，這些軟件大都需要大量的數據支撐，這些軟件基本都無法與國內的數據庫對接，造成這些軟件的使用率非常低，開發這些軟件與一體化數據庫直接對接技術，使外購軟件發揮最大潛能，以更好地服務于生產。