石油鉆井作業(yè)物聯網應用研究

引言

石油是能源需求的主力軍，其開采過程離不開鉆井作業(yè)，但傳統(tǒng)的鉆井作業(yè)方式存在效率低下、安全隱患大、環(huán)境污染嚴重等諸多弊端。如何實現鉆井作業(yè)的精細化管理、智能化控制，提高鉆井效率、確保作業(yè)安全、減少環(huán)境影響，成為擺在石油開采企業(yè)面前的重大挑戰(zhàn)。物聯網技術作為繼計算機、互聯網之后的又一重大技術革命，憑借其感知識別編碼、智能處理、無線傳輸數據等獨特優(yōu)勢，為解決傳統(tǒng)鉆井痛點帶來了全新契機。物聯網技術通過部署傳感器、采集鉆井數據、遠程監(jiān)控分析，可實現對鉆井設備狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障預警，優(yōu)化鉆井液體系統(tǒng)，提高泵送效率，極大地增強了鉆井作業(yè)的安全性[1]。

1.物聯網技術概述

物聯網（internetofthings，IoT）技術是一種新興的信息技術，旨在實現物與物、物與人之間的互聯互通。物聯網技術的核心是利用各種傳感設備對物理世界進行全方位感知，并將獲取的信息數據進行數字化編碼。這些感知設備包括射頻相關設備、視頻監(jiān)控設備、生物傳感器、環(huán)境監(jiān)測設備等，可以廣泛應用于不同領域，從而實現對環(huán)境、設備狀態(tài)、人員活動等多方面信息的實時采集。通過物聯網技術嵌入式系統(tǒng)和微型計算機，這些海量異構數據可以被高效地編碼和集成，為后續(xù)處理和應用奠定基礎。物聯網中的感知層是實現“萬物互聯”的關鍵環(huán)節(jié)，無論是工業(yè)生產線上的機器設備，還是家庭生活中的各種電器，抑或戶外環(huán)境監(jiān)測站點，都可以通過先進的傳感技術與物聯網相連，實時采集狀態(tài)數據，為智能化控制和優(yōu)化決策提供數據支撐。在石油鉆井作業(yè)中，傳感器可以部署在鉆井設備、鉆桿、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)等關鍵部位，獲取設備運行狀態(tài)、液體參數、井壁信息等數據，為高效精細化管理奠定基礎2]。

2.物聯網技術在石油鉆井作業(yè)中的應用

在石油鉆井作業(yè)中，鉆機、鉆桿、泥漿泵等關鍵設備的運行狀態(tài)直接影響鉆井效率和作業(yè)安全，而傳統(tǒng)的設備維護方式主要依賴人工巡檢，存在監(jiān)測盲區(qū)和滯后性，導致設備故障有時無法及時被發(fā)現，進而影響生產進度，甚至引發(fā)安全事故。物聯網技術的引入，使得鉆井設備的遠程實時監(jiān)測成為可能，大幅提升了設備管理的智能化水平。

勝利石油工程信息化專家于麗麗帶領團隊采集各類設備數據，深挖數據背后的設備狀態(tài)信息，成功研發(fā)出鉆井裝備MRO物聯網系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測絞車、轉盤、泥漿泵等關鍵設備的1184項參數，提供1472項保養(yǎng)項點提醒，以及836項報警參數提醒，確保設備運維無憂，鉆井效率大幅提升[3]。

物聯網技術通過在鉆井設備的關鍵部位安裝各類傳感器，如壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等，實時采集設備的運行狀態(tài)數據，并通過無線通信網絡將數據傳輸至遠程監(jiān)控中心?；谶@些實時數據，智能分析系統(tǒng)能夠快速識別設備異常，如鉆桿過載、泥漿泵壓力異常、鉆機振動異常等，提前預警潛在故障，避免突發(fā)性設備損壞對鉆井作業(yè)造成影響。例如，基于物聯網的振動檢測系統(tǒng)可以實時分析鉆機的振動頻率，若檢測到異常振動模式，系統(tǒng)可自動調整鉆井參數，減少鉆具損壞的風險。智能維護系統(tǒng)還可基于歷史數據和機器學習算法，預測設備的使用壽命，優(yōu)化維護計劃，減少非計劃停機時間，提高設備利用率。此外，物聯網技術還實現了設備遠程診斷和維護支持。

鉆井液循環(huán)系統(tǒng)是石油鉆井作業(yè)中的關鍵環(huán)節(jié)，主要作用是冷卻鉆頭、攜帶巖屑、平衡井底壓力，確保鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性，傳統(tǒng)的鉆井液控制方式依賴于人工經驗，難以實現對鉆并液性能的精準調節(jié)，導致鉆井液使用效率低，甚至引發(fā)井涌、井噴等嚴重事故。物聯網技術的應用，使鉆井液循環(huán)系統(tǒng)能夠實現智能化監(jiān)測與優(yōu)化，提高鉆井液的使用效率，減少環(huán)境污染，同時降低作業(yè)風險。在物聯網技術的支持下，鉆井液循環(huán)系統(tǒng)可通過高精度傳感器實時監(jiān)測鉆井液的流速、密度、溫度、壓力、黏度等關鍵參數，確保鉆井液性能始終處于最佳狀態(tài)，如基于物聯網的智能鉆井液監(jiān)測系統(tǒng)能夠在鉆井液密度出現異常時，自動調整泥漿泵的工作參數，確保井底壓力穩(wěn)定，防止井涌或井噴的發(fā)生。

3.石油鉆井作業(yè)應用物聯網技術實現智能化管控的策略

石油鉆井作業(yè)是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及眾多設備、工序和環(huán)節(jié)的精密協(xié)作。單純依靠物聯網技術實現對鉆井過程的實時監(jiān)控和數據采集，雖然可以提高鉆井作業(yè)的可視化和透明度，但要充分發(fā)揮物聯網在提高鉆井效率、確保作業(yè)安全、減少環(huán)境影響等方面的巨大潛能，還需要在此基礎之上引入智能化的管控優(yōu)化策略。

3.1基于數字孿生的虛擬仿真優(yōu)化

數字孿生（digitaltwin）技術作為一種融合物聯網、數據分析和仿真建模的智能化管控手段，為鉆井作業(yè)的優(yōu)化提供了全新思路。基于數字孿生的虛擬仿真優(yōu)化，主要通過構建鉆井系統(tǒng)的高精度數字孿生模型和基于實時數據驅動的智能仿真優(yōu)化，實現鉆井作業(yè)的精準監(jiān)控、優(yōu)化調整和智能預測，提高作業(yè)效率，降低運營成本，具體如表1所示。

數字孿生技術的核心在于構建與物理鉆井現場高度一致的虛擬鉆井系統(tǒng)模型，該模型能夠實時映射鉆井設備、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、井下環(huán)境等關鍵要素，并通過物聯網傳感器采集的數據動態(tài)調整，使虛擬模型與實際鉆井過程保持一致。

在鉆井設備監(jiān)控方面，基于物聯網傳感器實時監(jiān)測鉆機、鉆桿、泥漿泵等設備狀態(tài)，使操作人員能夠在虛擬環(huán)境中實時監(jiān)控設備狀態(tài)，預測鉆桿受力情況，避免斷裂事故。例如，在四川樂山金山105H井在4200米左右鉆遇斷層，面臨井漏的嚴峻挑戰(zhàn)時，智能坐崗系統(tǒng)迅速發(fā)出漏失預警，井隊及時調整鉆井液泵送流量，有效減少了油基鉆井液的損失[4]。

在井下環(huán)境建模方面，研究人員通過數字孿生技術，可以基于物聯網傳感器采集的井底壓力、鉆井液密度、溫度梯度等數據，構建虛擬井下環(huán)境，預測異常工況，從而提前調整鉆井參數，降低作業(yè)風險。

在鉆井參數優(yōu)化方面，傳統(tǒng)的鉆井參數調整主要依賴人工經驗，而數字孿生技術結合物聯網數據和人工智能算法，可以基于仿真分析優(yōu)化鉆速、鉆壓、轉速等參數，生成最優(yōu)鉆井參數組合。當鉆井過程中出現鉆速下降、井底壓差增大等異常情況時，數字孿生模型可快速仿真不同鉆壓、轉速的調整方案，并推薦最優(yōu)參數，確保鉆井作業(yè)的穩(wěn)定性和高效性[5-7]。

在設備智能維護方面，數字孿生模型可結合歷史數據和實時監(jiān)測數據，預測設備磨損和故障趨勢，優(yōu)化維護計劃，提前預警潛在風險。例如，在泥漿泵維護管理中，數字孿生系統(tǒng)可以模擬不同流量、壓力條件下的泥漿泵運行狀態(tài)，并結合振動、溫度、流量等傳感器數據，預測泥漿泵的剩余使用壽命，合理安排維護計劃，避免突發(fā)性故障影響鉆井進度。

在鉆井液優(yōu)化方面，數字孿生技術可以仿真不同鉆井液配方對井壁穩(wěn)定性的影響，從而調整鉆井液成分，優(yōu)化流速，最終實現提高鉆井效率、減少環(huán)境污染的目標。

3.2基于多智能體的自主協(xié)同優(yōu)化

根據上述分析可知，在石油鉆井作業(yè)中，物聯網技術的應用已經顯著提高了操作的智能化水平。進一步，研究人員通過實施基于多智能體系統(tǒng)（multi-agentsystem，MAS）的自主協(xié)同優(yōu)化策略，可以有效提升鉆井作業(yè)的協(xié)同效率和響應能力。例如，勝利石油工程公司開發(fā)的智匯盒通過產品鑒定，在勝利東部工區(qū)和西北工區(qū)鉆井、試油氣現場部署11套。該產品在石油工程行業(yè)首次實現鉆完井及井下作業(yè)全鏈條現場數據采集、匯聚、存儲、傳輸及現場應用，同時支撐甲乙方石油工程應用需求，開創(chuàng)了石油工程邊端數據統(tǒng)采共享新模式這種策略利用多個智能代理（智能體）來管理和優(yōu)化鉆井作業(yè)中的各種復雜任務和資源，每個智能體負責特定的功能，并通過自主協(xié)調和決策來實現全局最優(yōu)[9-10]。

多智能體系統(tǒng)（MAS）的核心在于分布式智能體的協(xié)同工作。在石油鉆井作業(yè)中，研究人員可以設計不同的智能體監(jiān)控和控制鉆井設備狀態(tài)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、安全監(jiān)測等關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。智能體間的通信和協(xié)作通過定義以下協(xié)同機制來實現：

其中， C（i，j） 表示智能體i和j之間的協(xié)作效能，info;和infoj分別代表各自的信息處理能力，interact （i，j） 表示兩者之間的交互作用， α 、 β 和 γ 是調整參數。通過這種方式，每個智能體除執(zhí)行其專有任務外，還能夠根據任務需求和環(huán)境變化，與其他智能體共享信息和資源，共同優(yōu)化整個鉆井作業(yè)過程。

例如，一個智能體可能專門負責監(jiān)控鉆井設備的運行狀態(tài)，如鉆速和扭矩，而另一個智能體則可能聚焦于鉆井液的壓力和流量調整。這些智能體將實時數據發(fā)送到中央處理系統(tǒng)，中央處理系統(tǒng)基于接收到的信息和預設的算法，調整相關參數或者直接控制設備，以優(yōu)化鉆井效率和安全性。

每個智能體在MAS中都配備有自主決策能力，這依賴于各智能體內嵌的人工智能算法，這些算法可以是基于機器學習的，使得每個智能體能夠從歷史數據中學習并優(yōu)化其決策模式。智能體通過以下優(yōu)化函數來決定其行動：

其中， f（x） 是需要最小化的目標函數，如成本或時間； g（x） 是不等式約束；h（x） 是等式約束； x 代表決策變量，如設備參數或作業(yè)策略。智能體通過實現這一優(yōu)化過程，能夠根據實時監(jiān)測數據自主調整操作參數，如調整鉆速或改變鉆井液的流量，以應對復雜的地層變化或設備性能波動。

結語

物聯網技術在石油鉆井作業(yè)中的廣泛應用，標志著鉆井工藝向著智能化、自動化和綠色化的方向加速演進。物聯網技術通過全面感知、實時監(jiān)控和智能優(yōu)化分析，不僅能夠顯著提高鉆井作業(yè)的效率和精度，還能從根本上提升作業(yè)安全性，減少環(huán)境污染，為石油開采行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展注人新的動力。未來，隨著5G、人工智能、大數據等新興技術與物聯網的深度融合，以及數字孿生、多智能體等智能化管控策略的實施，鉆井作業(yè)將邁向真正意義上的“智慧鉆井”時代，助力石油工業(yè)向著更高水平、更大范圍的智能化和自動化轉型升級，推動鉆采工藝的創(chuàng)新發(fā)展，為保障能源安全、應對氣候變化、促進綠色低碳發(fā)展作出重要貢獻。 A

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作者簡介：惠昕，本科，助理工程師，huix.hbsj@sinopec.com，研究方向：天然氣，物聯網，網絡安全。