張德安 李油建 王新玲

(中石化中原石油工程有限公司錄井公司)

0 引 言

錄井被譽(yù)為油氣勘探開發(fā)的“眼睛”和“參謀”、石油工程領(lǐng)域中信息化建設(shè)的“排頭兵”，但隨著鉆井工藝技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的作業(yè)模式已經(jīng)不能適應(yīng)油氣勘探開發(fā)的要求。為此，通過分析當(dāng)前勘探開發(fā)形勢(shì)下的錄井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合油氣勘探開發(fā)的實(shí)際,提出以“集群化錄井”平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)作為互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)制造業(yè)結(jié)合的突破口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)錄井作業(yè)方式的轉(zhuǎn)變。面對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)多井同時(shí)施工的鉆井模式，每個(gè)井場(chǎng)都需要安裝一臺(tái)錄井儀，這種傳統(tǒng)的分散錄井模式存在以下不足之處：(1)造成了資源浪費(fèi)，方圓很小的范圍內(nèi)，每口井都需要一臺(tái)綜合錄井儀，每臺(tái)都需要兩三名儀器操作、維護(hù)人員，造成設(shè)備、人力、運(yùn)力等資源的浪費(fèi)；(2)增加了人員管理、安全管理等方面的成本；(3)各綜合錄井儀形成了一個(gè)個(gè)“信息孤島”，多井信息資源共享的及時(shí)性、有效性不高，無(wú)法更有效地指導(dǎo)鉆井作業(yè)；(4)由于多套設(shè)備分散作業(yè)，資料采集標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性無(wú)法保障，使得數(shù)據(jù)的可對(duì)比性有待提高；(5)現(xiàn)場(chǎng)的資料分析針對(duì)單井進(jìn)行評(píng)價(jià)，缺少區(qū)域范圍的綜合分析評(píng)價(jià)手段。

為了改變錄井傳統(tǒng)作業(yè)模式的不足，創(chuàng)新發(fā)展錄井技術(shù)水平和服務(wù)能力，中石化中原石油工程有限公司于2015年承擔(dān)了集團(tuán)公司“集群化錄井平臺(tái)研發(fā)”科研項(xiàng)目，并于2018年通過集團(tuán)公司鑒定，成功創(chuàng)建了集群化錄井模式，用一臺(tái)儀器可以同時(shí)錄取10多口井，并在文23儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行的前期應(yīng)用中，取得了良好效果。

1 集群化錄井技術(shù)架構(gòu)

傳統(tǒng)的分散型錄井工作模式在每個(gè)井場(chǎng)都需要安裝一臺(tái)錄井儀(圖1)，而集群化錄井[1]的核心思想是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的全面感知、無(wú)線采集、智能組網(wǎng),使綜合錄井儀不僅能夠單井單機(jī)作業(yè)，而且可以在區(qū)域范圍內(nèi)同時(shí)錄取多口井。在此基礎(chǔ)上建立區(qū)域化協(xié)同作業(yè)集控中心，實(shí)現(xiàn)定制的工廠化錄井模式，提高現(xiàn)場(chǎng)資料的解釋評(píng)價(jià)能力，拓展服務(wù)領(lǐng)域，提高服務(wù)能力。根據(jù)功能不同，該平臺(tái)劃分為四大模塊。

圖1 鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

把每一個(gè)井場(chǎng)看作一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工程數(shù)據(jù)、鉆井液數(shù)據(jù)、氣測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、隨鉆數(shù)據(jù)等通過無(wú)線采集和智能組網(wǎng)技術(shù)發(fā)送到集群化錄井平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)信息的全面感知、無(wú)線采集、智能組網(wǎng)(圖2)。

1.2 集群化錄井平臺(tái)

通過開放式數(shù)據(jù)交換技術(shù)、微服務(wù)技術(shù)、雙向同步操控及多任務(wù)平臺(tái)管理技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)存取技術(shù)、可靠性保障技術(shù)，構(gòu)建了集群化錄井平臺(tái)，使綜合錄井儀不僅能夠單井單機(jī)作業(yè)，更能在區(qū)域范圍內(nèi)同時(shí)進(jìn)行十口井作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)方式的創(chuàng)新性改變，建立了區(qū)域化、標(biāo)準(zhǔn)化的“工廠化錄井”協(xié)同作業(yè)模式(圖3)。

1.3 區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化資料解釋應(yīng)用系統(tǒng)

基于多井信息共享的集群化錄井平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了錄井現(xiàn)場(chǎng)從單井評(píng)價(jià)到區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化綜合分析的轉(zhuǎn)變，由點(diǎn)到面，由局部到區(qū)域，資料應(yīng)用更全面、宏觀、立體，大幅提升了解釋結(jié)果的及時(shí)性、精確度和質(zhì)量，進(jìn)一步提高了核心服務(wù)能力。

圖2 井場(chǎng)無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.4 專家支持系統(tǒng)

構(gòu)建了井場(chǎng)信息綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鉆井、定向井、測(cè)井、錄井、試油等作業(yè)數(shù)據(jù)以及圖像、視頻的集中管理，并可通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行共享，為專家決策提供了智能化辦公環(huán)境(圖4)。

圖4 集群化遠(yuǎn)程錄井平臺(tái)操控中心

2 集群化錄井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 井場(chǎng)無(wú)線采集與智能組網(wǎng)技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及需求分析，集群化錄井平臺(tái)將每一個(gè)鉆井現(xiàn)場(chǎng)視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從傳輸速率、距離、功耗等方面,通過對(duì)各種常用的通信方式進(jìn)行分析比較[2-3]，優(yōu)選ZigBee技術(shù)作為組建鉆井現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選短距離通信技術(shù)，集成了傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信四大技術(shù)，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)信息質(zhì)量保證、數(shù)據(jù)融合、安全管理、網(wǎng)絡(luò)定位及身份管理、網(wǎng)絡(luò)同步管理等關(guān)鍵技術(shù)，形成了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。

目前在無(wú)線通信領(lǐng)域中，最新的通信技術(shù)和最早采用的舊技術(shù)是共存的，而且這種狀態(tài)還會(huì)存在下去。在這個(gè)體系中存在著各種各樣的無(wú)線信號(hào)，它們之間很有可能會(huì)產(chǎn)生相互干擾，同時(shí)不同的環(huán)境條件也會(huì)造成不同的干擾現(xiàn)象，主要有來自兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)：同頻干擾和多徑衰退。

同頻干擾：在ISM(Industrial Scientific Medical)公用頻段，頻率是十分寶貴的資源。如圖5所示，2.4 GHz頻段有WiFi、Bluetooth和ZigBee，還有無(wú)繩電話、微波爐等，這樣一來需要避免同頻干擾。

圖5 2.4 GHz頻段的同頻干擾

圖6 多徑衰退

多徑衰退：在實(shí)際通信環(huán)境中，墻壁、門、走動(dòng)的人群、樹木和建筑物等都可能造成無(wú)線信號(hào)的反射。如圖 6 所示，除直線路徑 Pd外，還會(huì)疊加其他反射路徑(Pm1和Pm2)的信號(hào)，這些混合信號(hào)可能會(huì)使接收設(shè)備無(wú)法解碼，這稱之為多徑衰退。

針對(duì)上述干擾因素，采用兩種抗干擾技術(shù)，確保了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(1)快速跳頻技術(shù)。以高于信息速率的跳速在很寬的頻帶上進(jìn)行頻率跳變，通過空閑信道評(píng)估(Clear Channel Assessment，CCA)、動(dòng)態(tài)信道選擇、優(yōu)化信道算法、應(yīng)答重傳和幀緩存等技術(shù)應(yīng)用，有效地對(duì)抗現(xiàn)場(chǎng)各種跟蹤式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，消除多徑效應(yīng)造成的不利因素，表現(xiàn)出了很好的抗干擾性能。

(2)虛擬智能天線技術(shù)。采用空分多址技術(shù)(Space Division Multiple Access SDMA),開發(fā)了自適應(yīng)智能天線技術(shù)，形成了自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種方向、角度、增益都不相同的“虛擬天線”，可適應(yīng)不同工作環(huán)境，不同用戶的位置，以及避免不必要的干擾。

2.2 微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)

傳統(tǒng)的錄井信息前端采集，是將所有的功能打包在一個(gè)容器里，所有的業(yè)務(wù)模塊耦合在一起，這樣的單體應(yīng)用開發(fā)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了集中式管理，基本不會(huì)重復(fù)開發(fā)，沒有分布式的管理和調(diào)用消耗，較適用于成熟的需求，在項(xiàng)目初期確實(shí)可以很好地運(yùn)行。然而隨著需求的增加，代碼庫(kù)也在飛速膨脹，而且現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的格式多種多樣，不同地區(qū)、不同客戶的需求無(wú)法統(tǒng)一，表現(xiàn)出越來越高的局限性，主要體現(xiàn)為：

(1)效率低：開發(fā)都在同一個(gè)項(xiàng)目改代碼，相互等待，沖突不斷；(2)維護(hù)難：代碼功能耦合在一起，新人不知道何從下手；(3)不靈活：構(gòu)建時(shí)間長(zhǎng)，任何小修改都要重構(gòu)整個(gè)項(xiàng)目，耗時(shí)長(zhǎng)；(4)穩(wěn)定性差：一個(gè)微小的問題，都可能導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用掛掉；(5)擴(kuò)展性不夠：無(wú)法滿足高開發(fā)下的業(yè)務(wù)需求(圖7)。

圖7 單體開發(fā)模式

許多公司，比如Amazon、eBay和NetFlix，采用微處理結(jié)構(gòu)模式解決了上述問題。其思路不是開發(fā)一個(gè)巨大的單體式的應(yīng)用，而是將應(yīng)用分解為小的、互相連接的微服務(wù)。微服務(wù)技術(shù)的本質(zhì)是用一些功能比較明確、業(yè)務(wù)比較精練的服務(wù)去解決更大、更實(shí)際的問題，圍繞業(yè)務(wù)領(lǐng)域組件來創(chuàng)建應(yīng)用，一個(gè)微服務(wù)一般完成某個(gè)特定的功能，比如下單管理、客戶管理等。

通過服務(wù)分拆、提供統(tǒng)一透明的服務(wù)入口、安全、過濾、流控等API管理功能，實(shí)現(xiàn)了微服務(wù)之間的通信，通過zookeeper等類似技術(shù)做服務(wù)注冊(cè)信息的分布式管理，實(shí)現(xiàn)各個(gè)微服務(wù)間的負(fù)載均衡，提供重試機(jī)制、限流、熔斷機(jī)制、負(fù)載均衡、降級(jí)(本地緩存)等手段，提高了系統(tǒng)的可靠性，確保任一環(huán)節(jié)出問題都不至于影響整體鏈路。

2.3 開放式數(shù)據(jù)交換技術(shù)

為了開發(fā)不依賴于底層硬件及操作環(huán)境的開放式數(shù)據(jù)交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多服務(wù)器端、多客戶端交互模式，以及服務(wù)器、客戶端的雙向測(cè)控操作，兼顧開放性和效率原則[4-6]，研究開發(fā)了兩種模式用于開放式數(shù)據(jù)交換：一種為OPC服務(wù)器模式，主要用于與第三方質(zhì)檢的信息交換；另一種為.net remoting模式，主要用于系統(tǒng)內(nèi)部的雙向操控(圖8)。

圖8 傳統(tǒng)技術(shù)與OPC技術(shù)比較

OPC(OLE for Process Control)是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，創(chuàng)建了一個(gè)開放的、可互操作的控制系統(tǒng)軟件，采用客戶/服務(wù)器模式，把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以O(shè)PC服務(wù)器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性，使之可以適應(yīng)各個(gè)供應(yīng)廠商硬件和系統(tǒng)的差異，從而實(shí)現(xiàn)了不依存于硬件的系統(tǒng)構(gòu)成。同時(shí)開發(fā)了一種叫做Variant的數(shù)據(jù)類型，可以不依存于硬件中固有數(shù)據(jù)類型，按照應(yīng)用程序的要求提供數(shù)據(jù)格式。通過開發(fā)OPC技術(shù)，達(dá)到了一個(gè)OPC客戶端可以同時(shí)連接多個(gè)OPC 服務(wù)器，每個(gè)OPC 服務(wù)器又可以為多個(gè)客戶端提供服務(wù)的目的(圖9)。

圖9 OPC服務(wù)器與客戶端的關(guān)系

2.4 區(qū)域鉆井優(yōu)化及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)

基于中心數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過研究開發(fā)人工智能技術(shù)[7-8]，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，提供預(yù)定義模式的檢測(cè)、數(shù)據(jù)流間相關(guān)性的發(fā)現(xiàn)、頻繁項(xiàng)的發(fā)現(xiàn)、異常點(diǎn)的捕捉等功能；通過優(yōu)選敏感參數(shù)信息，對(duì)集群化錄井平臺(tái)上事故井在某一時(shí)間、某一井段的工作參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析工程事故的發(fā)生與工作條件的關(guān)聯(lián)性、產(chǎn)生事故的特征參數(shù)、采取的處理措施及有效性，進(jìn)而優(yōu)化其他相關(guān)井的工作參數(shù)組合。據(jù)此建立了一套快速、有效的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域范圍內(nèi)多井的工程預(yù)警、鉆井優(yōu)化，提高了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，提前了事故預(yù)警時(shí)間，提高了綜合勘探開發(fā)效益(圖10)。

圖10 區(qū)域協(xié)同作業(yè)中心

2.5 區(qū)域儲(chǔ)集層展布及分析評(píng)價(jià)技術(shù)

應(yīng)用“儲(chǔ)集層流動(dòng)單元分析法”，基于現(xiàn)場(chǎng)采集的儲(chǔ)集層巖性、物性、含油性、壓力系數(shù)等相關(guān)信息的分析處理，通過對(duì)比不同隨機(jī)方法,運(yùn)用高斯模擬方法進(jìn)行地質(zhì)現(xiàn)象的模擬,如孔隙度、滲透率、油氣含量的分布,并應(yīng)用流動(dòng)單元約束屬性模型,繪出區(qū)域的等值線分布圖，從而可以更好地分析和預(yù)測(cè)儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性, 分析儲(chǔ)集層的油源、品質(zhì)、空間展布及聯(lián)通情況，為油藏描述提供可靠的依據(jù)，為區(qū)域多井地層對(duì)比、油層改造提供幫助。

3 集群化錄井技術(shù)優(yōu)勢(shì)

作為互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)制造業(yè)結(jié)合的突破口，相比于傳統(tǒng)錄井模式，開放式的集群化錄井平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了錄井作業(yè)方式的變革，具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(1)有別于傳統(tǒng)的一臺(tái)綜合錄井儀只能錄一口井、每口井需要兩三名儀器操作人員，創(chuàng)新性地建立了“集群化錄井”協(xié)同作業(yè)模式，一臺(tái)儀器可以同時(shí)服務(wù)10口井錄井，僅需3至5名操作人員，實(shí)現(xiàn)了錄井作業(yè)方式的根本性變革，開創(chuàng)了錄井技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

(2)有別于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)錄井工程預(yù)警技術(shù)僅限于當(dāng)前井的參數(shù)分析、預(yù)警，通過對(duì)基于集群化錄井平臺(tái)錄取的多井實(shí)時(shí)信息和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)分析，建立了一套快速、有效的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的鉆井優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)控制，提高預(yù)報(bào)精度，提前預(yù)警時(shí)間，有效提升了服務(wù)石油勘探開發(fā)的能力。

(3)有別于傳統(tǒng)錄井資料解釋技術(shù)依據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行單井評(píng)價(jià)，首次實(shí)現(xiàn)了錄井現(xiàn)場(chǎng)由“單井評(píng)價(jià)”向“區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化綜合評(píng)價(jià)”的工作模式轉(zhuǎn)變，現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)基于多井信息共享的集群化錄井平臺(tái)，由點(diǎn)到面，由局部到區(qū)域，資料應(yīng)用更全面、宏觀、立體，大幅提升了解釋結(jié)果的及時(shí)性、精確度和質(zhì)量。

(4)集群化錄井技術(shù)有效減少了鉆井現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地占用，作業(yè)靈活，部署方便，同時(shí)可以大幅降低生產(chǎn)成本和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，有效助力“優(yōu)快鉆井”，提高綜合勘探開發(fā)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)制造業(yè)結(jié)合的突破口，集群化錄井技術(shù)經(jīng)過三年的重復(fù)平行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，結(jié)果顯示出高度的穩(wěn)定性和重復(fù)性，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)良好。該成果創(chuàng)新性地建立了集群化錄井工作模式、基于錄井現(xiàn)場(chǎng)的區(qū)域綜合分析評(píng)價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模式創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)合，有效提升了核心服務(wù)能力，具有良好的推廣應(yīng)用前景。