鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計研究

1 引言

自動化與信息化技術(shù)在數(shù)字油田建設(shè)中一直起著重要的作用。在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域，港西模式的建立開創(chuàng)了自動化、信息化與核心生產(chǎn)業(yè)務(wù)的充分融合，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)字”對油氣生產(chǎn)的增值作用^[1]。在油田工程技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)字化建設(shè)，因受到技術(shù)、體制、觀念等因素所局限，一直以傳統(tǒng)應(yīng)用為主，特別是其中的鉆井工程業(yè)務(wù)，因技術(shù)體系復(fù)雜、生產(chǎn)成本高企、安全要求苛刻，目前仍以傳統(tǒng)方式進(jìn)行相對粗放的管理運(yùn)作。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其全面感知、可靠傳輸與智能應(yīng)用的突出特點(diǎn)為數(shù)字油田的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)^[2,3]，因此，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆井生產(chǎn)的數(shù)字化與智能化是當(dāng)前一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)。

根據(jù)目前鉆井業(yè)務(wù)需求分析，鉆井的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要立足于以下目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)：

（1）提供基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施平臺，滿足專家與各級決策者異地遠(yuǎn)程協(xié)同工作需求，充分發(fā)揮專家的作用；（2）可對井位地質(zhì)信息中有錯誤的信息進(jìn)行核對，保證鉆井方案設(shè)計依據(jù)的原始數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確；（3）產(chǎn)生規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的鉆井工程數(shù)據(jù)庫，同時高效地管理、存儲和共享這些數(shù)據(jù)；（4）形成標(biāo)準(zhǔn)化的管理流程，方便查詢和重新核算歷史數(shù)據(jù)；（5）專家組對現(xiàn)場實(shí)施過程中存在的問題進(jìn)行分析，得出快速而準(zhǔn)確的答案，實(shí)時做出優(yōu)化決策，提高鉆井效率和鉆井成本效益；（6）實(shí)際案例的量化分析與自學(xué)習(xí)，自動更新專家知識庫，不斷提高鉆井方案設(shè)計的有效性。

2鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計

鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是北京雅丹石油技術(shù)開發(fā)有限公司聯(lián)合中國石油大學(xué)（北京）在智慧油田體系總體指導(dǎo)下研發(fā)的包括鉆井相關(guān)的各類基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫和鉆井專業(yè)應(yīng)用軟件有機(jī)融合的數(shù)字智能化鉆井系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一體化實(shí)時信息采集、專家會診、優(yōu)化設(shè)計、遠(yuǎn)程指揮調(diào)度、智能應(yīng)用，能夠滿足精細(xì)化生產(chǎn)管理、精確化科學(xué)研究、實(shí)時化調(diào)度運(yùn)營決策、人性化安全管理等需求的智能化平臺。

鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系，從鉆井信息的全面采集與管理、傳輸網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備管理、遠(yuǎn)程智能化綜合應(yīng)用等三方面確定總體框架設(shè)計，如圖2-1所示。

圖2-1  鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體技術(shù)框架

3 鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體框架，功能模塊被設(shè)計為分布在三個層面的五大系統(tǒng)。在感知層部署了井場實(shí)時信息采集系統(tǒng)和信息綜合管理系統(tǒng)；在傳輸層部署了信息傳輸系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備管理系統(tǒng)；在應(yīng)用層部署了專業(yè)智能應(yīng)用和生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)。如圖3-1所示。

圖3-1  鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能組成圖

3.1 感知層

鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層主要實(shí)現(xiàn)鉆井生產(chǎn)相關(guān)信息的全面感知，在該層主要部署井場實(shí)時信息采集系統(tǒng)。

該系統(tǒng)（如圖3-2所示）主要根據(jù)鉆井生產(chǎn)的總體需要和技術(shù)特點(diǎn)，對生產(chǎn)現(xiàn)場信息進(jìn)行采集和處理。

（1）井場實(shí)時信息采集系統(tǒng)主要的計算處理分析工作在現(xiàn)場鉆井隊的移動式遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺完成，實(shí)際上可以滿足鉆井物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和處理計算機(jī)同在一個現(xiàn)場處置指揮車內(nèi)；

（2）需要開發(fā)完善的變化報警和實(shí)時分析功能，以協(xié)調(diào)通訊數(shù)據(jù)量大和耗電量大的問題；

（3）物聯(lián)網(wǎng)儀表設(shè)備因?yàn)闈M足移動和拆裝方便性的要求，需要開發(fā)無線低功耗的發(fā)射和供電模式^[4]；

（4）井場實(shí)時信息采集系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)上傳優(yōu)化模塊，以實(shí)現(xiàn)整個平臺通訊成本的動態(tài)控制。

圖3-2 井場實(shí)時信息采集系統(tǒng)示意圖

3.2傳輸層

該層由信息傳輸與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理系統(tǒng)兩個系統(tǒng)組成。

3.2.1信息傳輸系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，根據(jù)鉆井現(xiàn)場的地域特點(diǎn)與無線通訊的技術(shù)水平，該系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無線技術(shù)（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛(wèi)星等無線傳輸技術(shù)）組成無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖3-3所示。

圖3-3 鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸

3.2.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理。主要是負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)化的壓力儀表、流量計、轉(zhuǎn)速、攝像頭、有害氣體檢測儀和RFID讀寫器、網(wǎng)關(guān)、路由等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行情況的監(jiān)控。主要實(shí)現(xiàn)功能：

1）拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場設(shè)備自動拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，設(shè)備安裝加電后自動注冊到物理網(wǎng)絡(luò)，在各級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D上實(shí)時監(jiān)控節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

2）節(jié)點(diǎn)管理：實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D上的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，如節(jié)點(diǎn)標(biāo)識、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、屬性、能量等以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級和維護(hù)等。

3）通信管理：實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，包括從不同的感知網(wǎng)絡(luò)到接入上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)等。

4）設(shè)備監(jiān)控：自動采集物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時工作狀態(tài)，包括持續(xù)運(yùn)行時間、設(shè)備溫度、設(shè)備工況。

5）智能預(yù)警：根據(jù)設(shè)備的特性及時智能給出設(shè)備維護(hù)與更新建議。

3.3應(yīng)用層

應(yīng)用層由專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)與經(jīng)營管理應(yīng)用系統(tǒng)組成。

3.3.1專業(yè)智能應(yīng)用系統(tǒng)

專業(yè)智能應(yīng)用系統(tǒng)是利用人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、進(jìn)化計算等新理論與技術(shù)在信息綜合管理系統(tǒng)和井場實(shí)時信息采集系統(tǒng)的支持下，進(jìn)行鉆井工程計算機(jī)建模及數(shù)據(jù)挖掘，以最大程度地發(fā)揮信息整合的優(yōu)勢。它主要包括鉆井優(yōu)化設(shè)計子系統(tǒng)、鉆井?dāng)?shù)據(jù)綜合處理子系統(tǒng)、鉆井地質(zhì)環(huán)境描述及實(shí)鉆軌跡描述子系統(tǒng)、鉆井專家知識庫、鉆井計算機(jī)模擬子系統(tǒng)、隨鉆地震信息處理子系統(tǒng)等等（如圖3-4）。該子系統(tǒng)的功能主要以集成經(jīng)過行業(yè)多年應(yīng)用檢驗(yàn)的第三方軟件（如Landmark、Sysdrill等）來實(shí)現(xiàn)。

圖3-4專業(yè)智能應(yīng)用系統(tǒng)

3.3.2生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)

生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程調(diào)度指揮子系統(tǒng)、鉆井管具管理子系統(tǒng)、鉆井基層隊資質(zhì)管理子系統(tǒng)、鉆井HSE管理子系統(tǒng)、鉆井質(zhì)量綜合評價子系統(tǒng)、鉆井物流成本管理子系統(tǒng)、鉆井企業(yè)綜合業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)等構(gòu)成，該系統(tǒng)主要是圍繞鉆井生產(chǎn)運(yùn)營組織工作進(jìn)行的（如圖3-5所示）。

圖3-5生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)

（1）鉆井協(xié)同調(diào)度指揮子系統(tǒng)是以GIS為基礎(chǔ)，整合各種采集、通訊、數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對整個鉆井工作的智能協(xié)同指揮。

該子系統(tǒng)中集成了視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)會議模塊，將井場關(guān)鍵視頻信息根據(jù)需要優(yōu)選通訊方式傳輸至指揮中心，在現(xiàn)場部署的移動式遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的支持下，通過視頻、語音、短信息交流，實(shí)現(xiàn)虛擬會議，使得井場與指揮中心能夠跨專業(yè)、跨平臺、跨操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)井場或緊急情況下的遠(yuǎn)程技術(shù)協(xié)作與指揮調(diào)度。

協(xié)同調(diào)度指揮子系統(tǒng)可以同時支持基于Windows系統(tǒng)的傳統(tǒng)Pc接入和訪問，也支持基于iOS、android等系統(tǒng)的智能手機(jī)、平板電腦等移動終端。

（2）鉆井管具管理子系統(tǒng)功能主要包括鉆井管具（管材、鉆具、井控設(shè)備等）的準(zhǔn)備、跟蹤與管理。

（3）鉆井基層隊資質(zhì)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對鉆井基層隊伍的規(guī)范、量化管理。

（4）鉆井HSE管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對HSE及執(zhí)行情況進(jìn)行動態(tài)管理與監(jiān)控。

（5）鉆井質(zhì)量綜合評價系統(tǒng)是對鉆井施工質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)性綜合評價。

（6）鉆井物流成本管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對鉆井物流和鉆井成本管理。

（7）綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)主要處理鉆井各相關(guān)單位的日常辦公和管理業(yè)務(wù)。

4 結(jié)束語

鉆井生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)為油田工程技術(shù)單位提供了鉆井生產(chǎn)全周期一體化的解決方案，可以大幅降低鉆井安全風(fēng)險和操作成本，整體提高鉆井工程的指揮決策水平，為安全、優(yōu)質(zhì)、高效的鉆井生產(chǎn)提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)

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