鉆完井大數(shù)據(jù)特點(diǎn)與應(yīng)用方案研究

耿黎東

中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院

隨著油田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的爆炸式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、分析手段已經(jīng)無(wú)法快速、有效地收集和處理復(fù)雜、海量的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)依托新的數(shù)據(jù)處理模式，憑借更強(qiáng)的數(shù)據(jù)管理力、決策力、洞察力和流程優(yōu)化能力，為油氣行業(yè)海量、高增長(zhǎng)率的多樣化信息處理提供了前所未有的空間和潛力。

鉆完井作業(yè)的工作對(duì)象是不可見(jiàn)的地下巖石和流體，因此對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性更強(qiáng)。將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于鉆完井領(lǐng)域，不僅僅在于收集、存儲(chǔ)海量的鉆完井?dāng)?shù)據(jù)，更重要的是利用科學(xué)算法對(duì)有價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘以具有洞察力和預(yù)測(cè)力［1-3］。鉆完井大數(shù)據(jù)除了具有常規(guī)的體量大、種類多、處理速度快、真實(shí)性和低價(jià)值密度的5V特征外［4-5］，還有其獨(dú)特的特征。由于鉆完井?dāng)?shù)據(jù)類型繁多、綜合業(yè)務(wù)復(fù)雜，只有將大數(shù)據(jù)技術(shù)與鉆完井?dāng)?shù)據(jù)的特征緊密結(jié)合，才能針對(duì)性地找到鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用的方向和突破口［6］。筆者主要分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)在鉆完井領(lǐng)域的需求，介紹了大數(shù)據(jù)在鉆完井領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡明了鉆完井大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，并針對(duì)性地提出基于大數(shù)據(jù)的鉆完井優(yōu)化應(yīng)用方案，旨在加速大數(shù)據(jù)技術(shù)在鉆完井領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

1 大數(shù)據(jù)在鉆完井領(lǐng)域的需求分析

“ 十三五”以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)油氣需求的穩(wěn)步提升，我國(guó)鉆完井技術(shù)、工具和裝備快速發(fā)展，鉆完井作業(yè)的規(guī)模和整體技術(shù)水平取得很大進(jìn)步，特別是深井超深井鉆井、長(zhǎng)水平段水平井鉆完井、深水鉆井等技術(shù)取得重大突破，拓寬了油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了深層深水、頁(yè)巖油氣、致密油氣等資源的有效開(kāi)發(fā)［7-9］。但總體而言，我國(guó)鉆完井領(lǐng)域仍存在以下難題。

(1)增儲(chǔ)上產(chǎn)任務(wù)艱巨。我國(guó)石油資源品位劣質(zhì)化，特、超低滲透、致密儲(chǔ)層等低品位資源占比超過(guò)70%，主力老油田普遍進(jìn)入特高含水后期開(kāi)發(fā)階段，油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域逐漸從常規(guī)油氣向非常規(guī)能源發(fā)展，從淺水向深水、超深水發(fā)展，從中淺層向深層、超深層發(fā)展，作業(yè)環(huán)境日趨惡劣，技術(shù)和安全環(huán)保要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的鉆完井技術(shù)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前增儲(chǔ)上產(chǎn)的需要。

(2)降本難度增大。新冠疫情和低油價(jià)雙重影響下，油氣上游利潤(rùn)大幅下降。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的擴(kuò)大，鉆完井難度提升，技術(shù)成本也相應(yīng)上升。同時(shí)，人工成本、固定資產(chǎn)成本等均在上升，加劇了上游的成本壓力，降本難度進(jìn)一步增大。

(3)部分關(guān)鍵技術(shù)依賴進(jìn)口，受制于人。當(dāng)前我國(guó)部分鉆完井工程關(guān)鍵技術(shù)仍然存在“卡脖子”瓶頸，高性能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、儲(chǔ)層精準(zhǔn)壓裂改造、地質(zhì)工程一體化決策等短板技術(shù)主要依賴于進(jìn)口，一定程度上制約了我國(guó)油氣行業(yè)的快速發(fā)展。

大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)為各個(gè)行業(yè)提供了一種以經(jīng)濟(jì)、廉價(jià)的方式從超大容量、多樣化數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和提取價(jià)值的新途徑。大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)不僅僅改變了石油公司傳統(tǒng)的思維模式和作業(yè)理念，而且為石油行業(yè)的信息化發(fā)展提供了新的驅(qū)動(dòng)力，具體表現(xiàn)在：(1)大數(shù)據(jù)技術(shù)可以幫助作業(yè)者快速、全面地實(shí)時(shí)分析、挖掘鉆完井?dāng)?shù)據(jù)，快速做出正確的決策和預(yù)測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)最大限度發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)剩余油；(2)大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠降低鉆完井作業(yè)成本。利用大數(shù)據(jù)對(duì)海量歷史、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可識(shí)別和洞察難以發(fā)現(xiàn)的潛在非生產(chǎn)時(shí)間，有效降低鉆完井成本，提高作業(yè)效率；(3)大數(shù)據(jù)技術(shù)有助于降低數(shù)據(jù)治理成本。大數(shù)據(jù)高容錯(cuò)性和強(qiáng)異構(gòu)數(shù)據(jù)適應(yīng)能力的特點(diǎn)，能夠幫助石油公司在不使用統(tǒng)一的各級(jí)數(shù)據(jù)模型的情況下管理數(shù)據(jù)資產(chǎn)，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用收益。

2 大數(shù)據(jù)在鉆完井領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

與互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、航空等行業(yè)相比，石油行業(yè)大數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用起步較晚。目前國(guó)內(nèi)外石油公司、科研院所已經(jīng)意識(shí)到低油價(jià)背景下，大數(shù)據(jù)技術(shù)將成為油氣行業(yè)提高勘探開(kāi)發(fā)效率、降低勘探開(kāi)發(fā)成本的新突破點(diǎn)［10-13］。因此，國(guó)際能源公司正在從大數(shù)據(jù)平臺(tái)和具體應(yīng)用場(chǎng)景兩個(gè)方面嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于鉆完井領(lǐng)域。

斯倫貝謝將勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的16個(gè)數(shù)字化應(yīng)用程序進(jìn)行整合，在微軟Azure云平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了DELFI勘探開(kāi)發(fā)認(rèn)知環(huán)境信息平臺(tái)［14］。通過(guò)將各類計(jì)劃、作業(yè)程序和軟件整合，存儲(chǔ)、收集歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資料，將地球物理、油藏工程、鉆完井工程、采油工程等多學(xué)科知識(shí)交叉融合，綜合利用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等最新數(shù)字化技術(shù)形成低成本、高效率的油氣勘探開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)；貝克休斯和哈里伯頓也分別依托Predix和DecisionSpace工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取鉆完井?dāng)?shù)據(jù)，同時(shí)應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)鉆完井和生產(chǎn)優(yōu)化［15-16］；康菲石油公司開(kāi)發(fā)了涉及多學(xué)科的集中式大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心IDW［17］，其精髓在于將具有不同功能工作流程的數(shù)據(jù)庫(kù)整合，實(shí)現(xiàn)跨功能集成。應(yīng)用IDW后，不同業(yè)務(wù)部門(mén)的數(shù)據(jù)真正實(shí)現(xiàn)了一體化的存儲(chǔ)、管理和分析，數(shù)據(jù)體量、多樣性、傳輸速度和質(zhì)量均有大幅提升，顯著提高了從數(shù)據(jù)中獲取有效信息的效率。在美國(guó)Eagle Ford頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中應(yīng)用IDW后，每臺(tái)鉆機(jī)平均鉆探量增加80%，每口井平均鉆井時(shí)間從30 d縮短到12 d；中石油和中石化分別推出勘探開(kāi)發(fā)夢(mèng)想云平臺(tái)和EPBP勘探開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)協(xié)同平臺(tái)，旨在搭建通用的協(xié)同研究環(huán)境，實(shí)現(xiàn)勘探開(kāi)發(fā)管理、經(jīng)營(yíng)和決策的一體化。

國(guó)際石油公司和科研單位正在嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于鉆井、壓裂等具體的應(yīng)用場(chǎng)景中，并已取得較好的應(yīng)用效果。道達(dá)爾公司提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的鉆井設(shè)計(jì)優(yōu)化流程，采用不同的模型表征不同的特征，利用聚類算法實(shí)現(xiàn)了不確定條件下復(fù)雜井況井位設(shè)計(jì)的優(yōu)化［18］；德州農(nóng)工大學(xué)將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于鉆速預(yù)測(cè)中［19］，通過(guò)建立包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液密度、層間厚度、流量、鉆井深度等參數(shù)的鉆速特征模型，利用主成分分析法對(duì)特征數(shù)量降維，基于特征分析得到每個(gè)特征屬性對(duì)機(jī)械鉆速影響的權(quán)重，并比較得到最優(yōu)的預(yù)測(cè)模型算法；BP公司運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行鉆井作業(yè)的套管卡管預(yù)測(cè)，首先建立管柱靜摩擦事件發(fā)生的預(yù)測(cè)模型，再基于業(yè)務(wù)分析和優(yōu)化策略建立基于數(shù)學(xué)算法的概率模型，以近實(shí)時(shí)狀態(tài)識(shí)別與過(guò)去靜摩擦事件相關(guān)的230個(gè)屬性特征，確保5 s內(nèi)識(shí)別出套管卡管風(fēng)險(xiǎn)事件；HESS公司基于“全數(shù)據(jù)”的長(zhǎng)期頁(yè)巖氣井流體模擬，建立了壓裂模擬器運(yùn)行“全數(shù)據(jù)”資產(chǎn)，通過(guò)分析影響壓裂效果的主要因素來(lái)設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)的壓裂方案；斯倫貝謝則利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，結(jié)合裂縫和儲(chǔ)層并行模擬技術(shù)，通過(guò)建立代理模型提供直接、實(shí)時(shí)的完井參數(shù)優(yōu)化策略［20］。

3 鉆完井大數(shù)據(jù)特點(diǎn)

鉆完井工程的范疇，涵蓋了一口油氣井從井位部署決策到建成井的過(guò)程。鉆完井工程是高技術(shù)密集型行業(yè)，涉及多種專業(yè)，包括多個(gè)工作流程，在工作過(guò)程中產(chǎn)生多種多樣的數(shù)據(jù)。鉆完井工程按時(shí)間先后排列，包括鉆完井工程設(shè)計(jì)、鉆前工程施工、鉆井施工、完井施工、測(cè)井施工、壓裂施工、試油試氣等階段。每個(gè)階段都產(chǎn)生大量?jī)?nèi)容繁多、形態(tài)各異的數(shù)據(jù)。鉆完井過(guò)程中的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 鉆完井?dāng)?shù)據(jù)流程圖Fig. 1 The flow chart of drilling and completion data

從數(shù)據(jù)形態(tài)上看，鉆完井大數(shù)據(jù)類型包括鉆完井各業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)化實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)、各類靜態(tài)結(jié)構(gòu)化表格數(shù)據(jù)、各類管理數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)等；從數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻次上看，鉆完井工程數(shù)據(jù)既包括連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)(例如實(shí)時(shí)錄井?dāng)?shù)據(jù))和頻繁采集的數(shù)據(jù)(例如鉆井米數(shù)據(jù))，也包括按井次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(例如工程設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù))。

3.1 工程地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)的內(nèi)容與特點(diǎn)

鉆完井工程的設(shè)計(jì)與施工以地質(zhì)環(huán)境認(rèn)識(shí)為前提。表征地質(zhì)環(huán)境的數(shù)據(jù)雖然不是鉆完井工程環(huán)節(jié)直接生成的，但是鉆完井工程越來(lái)越需要使用地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。同時(shí)，一部分鉆完井工程數(shù)據(jù)也是地質(zhì)環(huán)境參數(shù)計(jì)算過(guò)程中所需要使用的數(shù)據(jù)。因此，可以選取鉆完井工程中能夠直接應(yīng)用的工程地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)作為外生數(shù)據(jù)，參與鉆完井工程的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

能夠直接應(yīng)用于鉆完井工程的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括疊后地震體、地震層位解釋數(shù)據(jù)、地震屬性體、巖石力學(xué)屬性體、地質(zhì)構(gòu)造建模數(shù)據(jù)、地質(zhì)網(wǎng)格建模數(shù)據(jù)以及各類單井屬性曲線等。這些工程地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)。

(1)數(shù)據(jù)量大，生成頻次低。屬性體數(shù)據(jù)一般為GB級(jí)，有時(shí)可達(dá)TB級(jí)，數(shù)據(jù)體量較大。體數(shù)據(jù)表征一個(gè)區(qū)域范圍的地質(zhì)環(huán)境特征，每個(gè)體數(shù)據(jù)是一次地震采集或者一次地質(zhì)環(huán)境研究的產(chǎn)物，同一區(qū)域的多口井共用一套體數(shù)據(jù)，因此生成頻次較低。

(2)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后才可以應(yīng)用。鉆完井?dāng)?shù)據(jù)大多以井深或時(shí)間為標(biāo)尺，而體數(shù)據(jù)一般以地震測(cè)網(wǎng)或三維空間坐標(biāo)為標(biāo)尺，因此需要先將體數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)與井口空間坐標(biāo)統(tǒng)一，沿著井軌跡提取體數(shù)據(jù)中相應(yīng)坐標(biāo)位置的數(shù)據(jù)值，形成屬性曲線數(shù)據(jù)或者井軌跡與構(gòu)造格架的交點(diǎn)井深，才能用于鉆完井工程中。此外，由于地震采集間隔決定了地震數(shù)據(jù)換算到深度坐標(biāo)后數(shù)據(jù)點(diǎn)的深度間隔較大(一般在幾十米)，往往需要將井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行粗化處理后才能應(yīng)用。

(3)數(shù)據(jù)具有持續(xù)發(fā)展性。隨著一個(gè)區(qū)域內(nèi)的鉆完井井?dāng)?shù)增多，將有更多井的地質(zhì)分層數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)用于建立更準(zhǔn)確的地質(zhì)環(huán)境模型。后續(xù)的鉆完井工程應(yīng)用更新后的地質(zhì)環(huán)境模型，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地層壓力、物性參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)。

3.2 鉆完井大數(shù)據(jù)的內(nèi)容與特點(diǎn)

鉆完井工程的各個(gè)階段所涉及的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容繁多、數(shù)據(jù)形態(tài)各異。鉆完井工程數(shù)據(jù)的內(nèi)容主要包括工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工記錄數(shù)據(jù)(如鉆頭使用記錄)、工程參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)(如工程參數(shù)錄井?dāng)?shù)據(jù)、鉆井液檢測(cè)數(shù)據(jù))、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、設(shè)備及材料測(cè)量數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)等類別。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，其格式種類、數(shù)據(jù)生產(chǎn)頻率和單井?dāng)?shù)據(jù)量級(jí)都有明顯區(qū)別。鉆完井大數(shù)據(jù)主要具有以下特點(diǎn)。

(1)數(shù)據(jù)內(nèi)容多樣性顯著。鉆完井大數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)格式，既包含適合關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包含非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中，有的是通用公開(kāi)格式的數(shù)據(jù)(如Office文檔、位圖、矢量圖)，有的遵循公開(kāi)的工業(yè)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)(如LAS測(cè)井文件格式、WITS數(shù)據(jù)傳輸格式)，有的是受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的設(shè)備廠家自有格式。隨著新技術(shù)的發(fā)展，仍然不斷有新的數(shù)據(jù)格式產(chǎn)生，例如利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行井場(chǎng)勘探所產(chǎn)生的地形地貌建模數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)采集頻次偏低。數(shù)據(jù)采集是大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于鉆完井中最為基礎(chǔ)和重要的環(huán)節(jié)。目前油田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能還無(wú)法達(dá)到采集速度快、精度高的標(biāo)準(zhǔn)。以起下鉆過(guò)程中常發(fā)生的卡鉆事故為例，目前大鉤載荷一般記錄周期是3～5 s，這種周期只能粗略估計(jì)鉆頭遇阻情況，無(wú)法區(qū)分鉆頭與井壁正常碰撞、鉆頭攜帶巖屑堆積、井壁掉塊碰撞、鉆頭刮擦井壁濾餅等多種情況，因此無(wú)法判斷鉆頭遇阻的原因和嚴(yán)重程度。如果將大鉤載荷數(shù)據(jù)的采集周期降低到毫秒級(jí)，就有可能通過(guò)實(shí)時(shí)波形分析，區(qū)分不同的鉆頭遇阻情形，進(jìn)而為操作決策提供參考，減少卡鉆事故。

(3)井下數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問(wèn)題突出。鉆完井工程數(shù)據(jù)采集包括地面數(shù)據(jù)采集和井下數(shù)據(jù)采集。其中井下數(shù)據(jù)采集難度更大，價(jià)值也更高。目前常用的井下數(shù)據(jù)傳輸方式包括有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種。有線傳輸方式(電纜、鉆桿)具有傳輸速度快、可雙向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，但存在技術(shù)開(kāi)發(fā)成本高、制造工藝復(fù)雜等缺陷。無(wú)線傳輸方式包括鉆井液脈沖、電磁波、聲波等，具有方法簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但傳輸速率低、可靠性較差。隨著實(shí)時(shí)分析解釋技術(shù)的進(jìn)步，更高的數(shù)據(jù)傳輸頻次和可靠性才能為工程預(yù)警、工程分析提供更有價(jià)值的信息。

(4)數(shù)據(jù)體量變化幅度大。鉆完井工程數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)量較大的是測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)。傳統(tǒng)的測(cè)井方法一般要求每0.125 m一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，常規(guī)8項(xiàng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量約為1 M/km。聲波測(cè)井、成像測(cè)井等新測(cè)井方法會(huì)在井壁周向布置多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器連續(xù)測(cè)量，某一種測(cè)井參數(shù)的數(shù)據(jù)量往往可以達(dá)到1 G/km以上。不同地區(qū)井的數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)量差異很大。我國(guó)西部地區(qū)超深探井從井位部署到地質(zhì)評(píng)估完成所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)錄井?dāng)?shù)據(jù)可達(dá)幾個(gè)G，應(yīng)用聲波測(cè)井等新測(cè)井工藝產(chǎn)生的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)甚至可達(dá)上百G。而東部地區(qū)地質(zhì)條件已經(jīng)清晰，不需要進(jìn)行特殊的測(cè)井施工，一般不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)可管理性較差。各類鉆完井?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)生成周期不一，采集方式各異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一管理，很難用一套固定的數(shù)據(jù)模型來(lái)容納所有鉆完井?dāng)?shù)據(jù)。因此，鉆完井?dāng)?shù)據(jù)更適合采用數(shù)據(jù)湖等方式進(jìn)行管理.

(6)新的井下隨鉆測(cè)控?cái)?shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)。隨著井下測(cè)控儀器的進(jìn)步，越來(lái)越多的井下物理量可實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量。新型隨鉆多參數(shù)測(cè)量?jī)x器可以測(cè)得井底壓力、溫度、鉆井液電導(dǎo)率等參數(shù)，為實(shí)時(shí)掌握井下?tīng)顩r提供了寶貴數(shù)據(jù)；LWD隨鉆測(cè)井儀器也正在向遠(yuǎn)距離、多參數(shù)測(cè)量方向發(fā)展；隨鉆井液流動(dòng)測(cè)量小球可以通過(guò)內(nèi)置的陀螺儀測(cè)量并記錄井筒各深度的溫度、壓力等數(shù)據(jù)。

3.3 儲(chǔ)層改造大數(shù)據(jù)的內(nèi)容與特點(diǎn)

儲(chǔ)層改造數(shù)據(jù)是鉆完井大數(shù)據(jù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是鉆完井大數(shù)據(jù)的重要組成部分。其中涉及的數(shù)據(jù)包括油藏?cái)?shù)據(jù)、巖石力學(xué)數(shù)據(jù)、井筒實(shí)鉆數(shù)據(jù)、射孔記錄數(shù)據(jù)、酸化壓裂方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、酸化壓裂施工記錄數(shù)據(jù)、返排記錄數(shù)據(jù)、微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、增產(chǎn)效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等。儲(chǔ)層改造數(shù)據(jù)除了具有與鉆完井工程數(shù)據(jù)相似的特點(diǎn)之外，還具有以下特點(diǎn)。

(1)數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。一方面，儲(chǔ)層改造設(shè)計(jì)方案是根據(jù)地震、地質(zhì)、鉆井、完井等前序環(huán)節(jié)的情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，改造效果也由這些前提條件所決定；另一方面，儲(chǔ)層改造數(shù)據(jù)往往需要與前序施工環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)一同應(yīng)用。例如進(jìn)行儲(chǔ)層改造增產(chǎn)效果評(píng)價(jià)時(shí)，需要將儲(chǔ)層改造的相關(guān)數(shù)據(jù)與油藏?cái)?shù)據(jù)、井眼軌跡數(shù)據(jù)、完井管串?dāng)?shù)據(jù)和鄰井產(chǎn)量數(shù)據(jù)相結(jié)合。

(2)部分?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性差。儲(chǔ)層改造數(shù)據(jù)中，有一部分是無(wú)法直接測(cè)量得到的。比如地應(yīng)力分析中的最大、最小主應(yīng)力的大小和方向是根據(jù)井壁掉塊扇面的方向和角度結(jié)合上覆巖層壓力以及巖石抗拉強(qiáng)度計(jì)算得到的，參與計(jì)算的多個(gè)原始數(shù)據(jù)本身就存在一定誤差，計(jì)算得到的結(jié)果誤差則更大。

3.4 自動(dòng)化技術(shù)背景下鉆完井大數(shù)據(jù)新種類

隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，新的測(cè)量與分析技術(shù)將會(huì)逐步應(yīng)用到鉆完井工程領(lǐng)域，從而產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)種類或者使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)生新的變化。這些變化不僅會(huì)給大數(shù)據(jù)處理分析提出新的要求，也會(huì)為大數(shù)據(jù)技術(shù)的研究和應(yīng)用帶來(lái)新的機(jī)遇。

(1)音視頻數(shù)據(jù)。隨著智能圖像分析技術(shù)的發(fā)展，井場(chǎng)音視頻數(shù)據(jù)可以用來(lái)識(shí)別多種信息。例如，當(dāng)發(fā)生井壁坍塌時(shí)，返出鉆井液中的巖屑粒徑變大且有較多棱角，因此可以通過(guò)對(duì)返出鉆井液中分離出的巖屑顆粒進(jìn)行視頻監(jiān)控，通過(guò)分析巖屑顆粒的平均粒徑和棱角情況來(lái)判斷井壁是否發(fā)生坍塌；(2)聲波與振動(dòng)數(shù)據(jù)。地面管匯中的流體存在聲音信號(hào)，井筒管柱和管內(nèi)液柱存在振動(dòng)和聲音信號(hào)，這些信號(hào)可反映出地面設(shè)備和地下井筒的工作狀態(tài)，未來(lái)將成為重要的監(jiān)測(cè)信息來(lái)源；(3)其他物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集將逐步應(yīng)用到現(xiàn)有的鉆井設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中。這些數(shù)據(jù)包括設(shè)備測(cè)控?cái)?shù)據(jù)、電力拖動(dòng)設(shè)備的電氣數(shù)據(jù)、管桿編號(hào)數(shù)據(jù)、管桿自動(dòng)丈量數(shù)據(jù)等。

這些新種類鉆完井大數(shù)據(jù)具有一些共同的特點(diǎn)：首先，數(shù)據(jù)頻次高，數(shù)據(jù)量大；其次，數(shù)據(jù)連續(xù)采集，需要實(shí)時(shí)處理；第三，需要與其他傳統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)用才能發(fā)揮數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值。

4 基于大數(shù)據(jù)的鉆完井優(yōu)化應(yīng)用方案

4.1 鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)總體架構(gòu)

雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)本身發(fā)展非常迅速，但目前鉆完井領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施欠缺，內(nèi)部軟件研發(fā)力量不足且分散，鉆完井行業(yè)人才接替困難，石油工程投資欠缺，導(dǎo)致了鉆完井領(lǐng)域大數(shù)據(jù)技術(shù)處于較低的發(fā)展水平，與我國(guó)當(dāng)前大數(shù)據(jù)發(fā)展的政策要求存在較大差距。應(yīng)遵循“架構(gòu)開(kāi)放、技術(shù)共享、平臺(tái)化建設(shè)、專業(yè)化應(yīng)用”的原則，以鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景作為核心，充分繼承業(yè)務(wù)部門(mén)數(shù)據(jù)治理成果，消除“數(shù)據(jù)孤島”，集中建立大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)分析技術(shù)先行，逐步建立市場(chǎng)化的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)的良性發(fā)展。基于以上原則，筆者設(shè)計(jì)了鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)總體架構(gòu)，見(jiàn)圖2。

圖2 鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)總體架構(gòu)Fig. 2 Overall framework of drilling and completion big data technology

4.1.1 大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架

從數(shù)據(jù)源開(kāi)始，經(jīng)過(guò)分析、挖掘到最終獲得有價(jià)值的信息，大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架一般包括6個(gè)環(huán)節(jié)，分別是數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、資源管理與服務(wù)協(xié)調(diào)、計(jì)算引擎、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化。目前針對(duì)大數(shù)據(jù)分析的框架平臺(tái)，有商業(yè)化的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)和開(kāi)源項(xiàng)目的免費(fèi)平臺(tái)。其中開(kāi)源項(xiàng)目平臺(tái)中，基于Hadoop+Spark的技術(shù)體系已經(jīng)形成了較為完善和高效的解決方案，可以作為框架設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)和部署方案。

4.1.2 大數(shù)據(jù)采集與管理

針對(duì)鉆完井與壓裂工程中的工程管理、工程設(shè)計(jì)、鉆前工程、鉆井施工、完井測(cè)試、壓裂施工等重要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，建立基于源頭的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立數(shù)據(jù)湖，實(shí)現(xiàn)對(duì)于多結(jié)構(gòu)、多來(lái)源與多格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，最后應(yīng)用知識(shí)庫(kù)(知識(shí)工程)實(shí)現(xiàn)多種類型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與融合。

4.1.3 大數(shù)據(jù)分析

鉆完井大數(shù)據(jù)架構(gòu)在分布式集群系統(tǒng)上，其核心是鉆完井專業(yè)算法和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理算法，通過(guò)并行架構(gòu)與數(shù)學(xué)分析模塊，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)模塊，實(shí)現(xiàn)針對(duì)專業(yè)化算法的智能升級(jí)，為石油工程專業(yè)算法的海量數(shù)據(jù)處理、并行計(jì)算等高性能處理提供基礎(chǔ)支撐。

4.1.4 大數(shù)據(jù)可視化

有必要研究一套鉆井工程及地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)，綜合鉆井工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)環(huán)境描述數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)，直觀呈現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境和區(qū)域施工情況，有效地輔助專家發(fā)現(xiàn)宏觀性區(qū)域化鉆完井工程規(guī)律。

4.1.5 大數(shù)據(jù)應(yīng)用

鉆完井業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括鉆完井設(shè)計(jì)、鉆完井施工、鉆完井評(píng)估3個(gè)主要部分。其中鉆井設(shè)計(jì)包括鉆井設(shè)計(jì)、完井設(shè)計(jì)與壓裂設(shè)計(jì)，鉆完井施工包括鉆井、錄井、固井、完井、壓裂等施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)與管理，鉆完井評(píng)估包括鉆井和壓裂施工后評(píng)估。

4.2 鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

針對(duì)上述鉆完井應(yīng)用場(chǎng)景的3個(gè)應(yīng)用方向，結(jié)合鉆完井大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)鉆完井大數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行了篩選，形成了鉆速預(yù)測(cè)與鉆井參數(shù)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選、地層三壓力預(yù)測(cè)、鉆頭磨損監(jiān)測(cè)、摩阻系數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)、井漏監(jiān)測(cè)預(yù)警、井涌溢流監(jiān)測(cè)預(yù)警、卡鉆監(jiān)測(cè)預(yù)警、鉆井施工方案智能推薦、測(cè)井解釋結(jié)果預(yù)測(cè)、壓裂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)等11個(gè)典型的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，并進(jìn)行了細(xì)化設(shè)計(jì)(如表1)。

表1 典型的鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景Table 1 Typical drilling and completion application scenarios

5 結(jié)論與建議

(1)隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向非常規(guī)、深層、深水、極地環(huán)境的拓展，鉆完井工程面臨增儲(chǔ)上產(chǎn)任務(wù)艱巨、降本難度增大等問(wèn)題，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆完井作業(yè)的優(yōu)化已得到石油行業(yè)的廣泛認(rèn)同。

(2)國(guó)際大型石油公司正在或基本已建成大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，并針對(duì)鉆完井工程的具體應(yīng)用場(chǎng)景，以解決具體業(yè)務(wù)問(wèn)題為目標(biāo)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法，提高鉆完井作業(yè)的預(yù)見(jiàn)性，實(shí)現(xiàn)鉆完井工程的優(yōu)化。

(3)鉆完井大數(shù)據(jù)除具有常規(guī)大數(shù)據(jù)的5V特征外，還具有自身獨(dú)有的內(nèi)容和特點(diǎn)。我國(guó)鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展亟需在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆完井大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，建立統(tǒng)一的鉆完井大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，進(jìn)一步優(yōu)化鉆完井大數(shù)據(jù)的應(yīng)用架構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)，加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外數(shù)字巨頭公司的合作，堅(jiān)持“有所為有所不為”的原則，有計(jì)劃、有目的部署實(shí)施相關(guān)的大數(shù)據(jù)項(xiàng)目，完善大數(shù)據(jù)管理體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立基于大數(shù)據(jù)的鉆完井優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)。