海洋石油鉆井智能輔助決策監控系統研究

史 旻，袁洪水，徐 輝，和鵬飛，朱程程，許小舟

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津300452)

0 引 言

隨著鉆井工程作業量的逐年增加及其技術的日益更新和信息化產業的發展，海洋石油已進入了網絡信息時代，針對海洋鉆井技術特點，通過專題研究、測試分析、評估優化、工程實踐，形成了一套完善的海洋石油鉆井智能輔助決策監控系統，保證了作業安全，提高了作業時效，節約了鉆井費用，為實現海洋油氣資源的勘探開發提供了堅實的技術支撐。

1 系統總體設計

海洋石油鉆井智能輔助決策監控系統總體結構可分為4部分，如圖1所示，分別為預演層、監測層、決策層、優化層。預演層即鉆井設計的模擬評估層，將鉆井設計進行鉆前模擬，分析關鍵參數變化，預測可能出現的復雜情況等；監測層即陸地中心的跟蹤評價層，同步分析現場傳輸的鉆井數據，智能評價鉆井狀況，為現場提供實時指導；決策層即總公司的方案制定層，綜合鉆井和地質等條件，以三維動態可視化方式為技術專家的決策提供輔助作用；優化層即鉆后的效率分析層，對已鉆的單井或區域多井進行整體時效分析，為后續的施工或鄰井的設計提供參考資料。

圖1 鉆井智能監控系統總體結構圖Fig.1 General structure drawing of intelligent drilling monitoring system

2 智能輔助監控系統建設

2.1 鉆井設計預演與風險評估

針對海洋石油鉆井施工多變，鉆前設計預演難，風險評估水平低的情況，將鉆井設計、地質設計融合到模擬系統，根據設定的設計參數進行鉆井全過程模擬，觀察各參數變化規律，預測可能出現的復雜情況和位置等信息，針對不同的情況模擬分析處理流程，從而提高鉆井風險的評估預測水平，切實降低鉆井風險。

2.1.1 預演評估方案設計

考慮海上鉆井地質復雜、環境惡劣、安全要求高等作業特點，從方案設計、施工作業、安全預案、復雜情況處理等多方面建立了鉆井風險評估與控制模型，綜合評價井身結構、鉆井管柱、鉆井液體系、鉆井設備、鉆井工藝、井控能力等，形成了一套完善的海上鉆井設計預演與風險評估技術體系，如圖2所示。

圖2 鉆井設計預演與風險評估技術體系Fig.2 Drilling design rehearsal and risk assessment technical system

2.1.2 鉆井設計模擬

根據鉆井施工作業設計方案，實現施工作業三維可視化預演模擬，依據鉆井設計和地質設計方案，以三維可視化形式預演模擬鉆一口井的整個過程，最大程度模擬評價實際鉆井過程，提高評價結果的可靠性和精確性。

2.1.3 風險評估及處理模擬

根據鉆井模擬過程中可能出現的復雜情況，設置相應的處理措施參數，模擬復雜事故處理過程，加強工程風險的預防和控制能力，減少復雜事故的發生，提高鉆井作業效率，并驗證鉆井設計的合理性和可靠性。

2.2 實時監測與智能評價

為了實現鉆井過程中的動態數據實時監測和同步評價，采用先進的采集裝置及修正方法提高信息精度，將數據傳輸至評價系統后，對比實測的數據與理論模型計算結果，實現鉆井參數異常提示和報警、鉆井事故綜合評判等，減少了技術人員實時跟蹤分析的工作量，提高了鉆井評價的準確性、實時性，及時發現并預報井眼異常情況，減少復雜事故的發生。

2.2.1 提高數據采集精度

為了保證現場采集的鉆井數據準確有效，智能監控技術采用了先進的傳感器、高效的數據總線連接、提高數據傳輸頻率和數據修正校核的方式，提升數據的采集質量和效率。實現了鉆井信息數據的智能采集、智能判斷和傳輸，為監控提供了準確有效的信息，如圖3所示。

圖3 數據采集方法Fig.3 Data collection method

2.2.2 數據修正計算

正確處理和解釋鉆井過程中的實時數據被認為是鉆井動態模擬、鉆井過程可靠解釋和分析的關鍵。如圖4所示，數據質量控制模塊將提供模擬器如下的修正與過濾數據。

①深度與機械鉆速。由于溫度與壓力的影響，鉆具會發生一定的伸長?？偞怪鄙疃葘⑹褂脺y量深度和測斜數據進行校準，同時采用校準后的計算機械鉆速。

②鉆壓與扭矩。通過修正鉤載、鉆井液浮力、摩阻力等系統誤差，精確計算鉆頭上獲得的實際鉆壓，扭矩計算也一樣考慮頂驅電流測量誤差、系統誤差、摩擦力的影響，進行修正。

③傳感器失效。當溫度、壓力、流量等傳感器失效時，使用模擬數據代替測量數據正常工作。

圖4 數據修正Fig.4 Data correction

2.2.3 智能評價分析

智能評價分析過程是利用采集的工程參數，通過理論分析模型計算，評價井下工具的工作狀態，達到對鉆頭、鉆具運行情況的監測，實時優化鉆井參數，提高井下工具的使用壽命，避免復雜事故的發生。評價流程見圖5。

圖5 智能評價流程Fig.5 Intelligent evaluation process

2.3 三維可視化與遠程同步決策

為了提高遠程決策效率，保障鉆井安全，將地質信息、鉆井狀態融合在一個系統中進行三維可視化顯示，直觀地展示地層情況和鉆井情況動態變化，通過建立遠程共享數據庫系統(圖6)，將平臺作業現場、基地控制中心、專家人員等融入在同一個決策平臺上，從而提高了數據的共享性和時效性，加快了鉆井工程決策進程。

圖6 構建遠程同步決策系統Fig.6 Building of remote synchronous decision system

2.3.1 地層三維可視化

地層是某段時間內不斷積累所構成的層狀堆積物，在三維空間中處于連續分布狀態，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結構設計劃分為：數據處理模塊、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結構Fig.7 Structure of 3D stratum visualization system

2.3.2 井眼軌跡三維可視化

井眼軌跡通過三維可視化的方式表現出來可以更加形象、準確地表達鉆井的實鉆狀態，從而輔助工程技術人員快速了解鉆井狀態。井眼軌跡可視化系統結構設計劃分為：數據處理模塊、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結構Fig.8 Structure of well track visualization system

2.3.3 鉆井數據動態可視化

錄井數據隨著油氣勘探的進程不斷變化，而工程技術人員在數據監測與分析時需要對最新的信息進行判斷，因此需要及時對現場采集的錄井數據進行動態可視化(圖9)。

圖9 鉆井動態可視化Fig.9 Drilling performance visualization

2.3.4 鉆井數據遠程共享實時交流

通過動態可視化的畫面，技術專家能夠高效地掌握鉆井信息，基于系統智能的鉆井數據分析功能，綜合地質、鉆井、測井等綜合信息快速判斷問題原因，并提出合理的工程措施，實現綜合評價和遠程決策。如果技術專家處于不同的地區，難以同時到達同一個決策地點，可以利用專家視頻會議，通過網絡將分布在不同地方的各級領導、專家、工程技術人員集合在一起實現跨區域、跨專業聯合研討，達到實時信息交流與共享、開展協同工作(圖10)。

圖10 遠程決策平臺Fig.10 Remote decision platform

2.4 鉆井時效分析與參數優化

基于現場數據量大、鉆后分析效率低的狀況，通過已采集鉆井數據，精確分析不同井段、不同作業狀態工作效率，反映作業整體狀況、現場操作水平以及井下狀況，提供后續鉆井施工設計參考；通過相同井況條件下的參數對比分析，優化得到最佳的鉆井方案，為鄰井的優快鉆井提供依據。

2.4.1 鉆井時效分類

生產時間：①進尺工作時間，包括純鉆進時間、擴眼鉆進時間、接單根時間、起下鉆時間；②輔助工作時間，包括循環時間、測斜時間、短起下鉆時間、其他時間；③地層評價作業時間，包括取心工作時間、地層漏失試驗時間、地質循環取樣時間、測井工作時間；④固井作業時間，包括準備工作時間、下套管時間、起下內管時間、注水泥時間、候凝時間、拆裝井口時間、鉆水泥塞時間、測試固井質量時間。

非生產時間：①處理事故時間，包括發生鉆具事故、鉆頭事故、卡鉆事故、井噴事故、套管破裂事故、固井事故、固井質量事故、測井事故、井內落物事故、人身事故、設備事故等停止正常鉆井作業(自發生事故起到解除事故、恢復到事故前狀態為止的全部時間)時間；②處理復雜情況時間，包括修理停工時間、組織停工時間、自然停工時間、其他停工時間。

2.4.2 鉆井時效分析

通過對不同操作時效的精確分析，如全井段進尺時效、非生產時間、各井段鉆井作業時效，能夠直觀快速地掌握鉆井作業整體狀況，評價作業效率。

從表1和圖11可以看出某井914.4mm、444.5mm井段鉆進時間占總體時間比例較小，311.2mm、215.9mm井段鉆進時間、起下換鉆頭時間較長，說明隨著井深的增加，鉆井難度增加，鉆頭磨損加快。

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

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

本系統不僅能對不同井段的時效進行自動分析，還能對不同操作條件下的效率進行自動分析(圖12)。

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

2.4.3 鉆井方案優化

通過調用系統中同一區塊相鄰井的鉆井資料，分析不同井段的鉆井時效，對比相同地質條件下不同井的工作效率，優化得到最佳的鉆井方案，為其他鉆井設計和施工提供參考。如圖13所示，通過對比同井段不同鉆井參數、鉆頭類型、機械鉆速的變化規律，分析鉆井效率低的原因，為區域其他鉆井作業提供優化方案。

圖13 鄰井鉆井參數、機械鉆速對比分析Fig.13 Contrastive analysis of adjoining well drilling parameter and penetration rate

3 結 語

海洋石油鉆井智能輔助決策監控系統的研究，有效提高了海洋鉆井智能監控水平，大幅降低了復雜地層鉆井的作業難度，減少了復雜情況，有效避免了工程事故的發生，為實現安全高效鉆井作業做出了重要貢獻。

該項目形成了一套完善的鉆井智能監控技術體系，實現了鉆井工程信息的綜合評價和遠程決策，提高了鉆前風險預警能力，達到了實時監測評價，提高了遠程決策效率，加快了鉆后時效分析，從而為海上油氣田的高效勘探開發提供了堅實的技術支撐和安全保障。