鉆井工程決策支持系統關鍵技術

肖 莉， 楊傳書， 趙金海， 李昌盛， 徐術國， 趙 勇

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

鉆井工程決策支持系統關鍵技術

肖 莉， 楊傳書， 趙金海， 李昌盛， 徐術國， 趙 勇

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

國內自主研發的鉆井軟件有的僅能進行輔助設計，不足以支撐專家團隊的討論決策;有的只專注于數據傳輸或部分風險的預警，功能覆蓋面窄，沒有形成全面的決策信息支持體系。針對鉆井設計論證和鉆井施工兩個階段的專家決策需求，開展了系統功能設計及關鍵技術研究，基于SOA軟件架構和插件式開發方法，研制開發了易于擴展的鉆井工程全過程決策支持系統DrillAdviser，實現了工程地質信息與鉆井工程信息的深度融合，功能覆蓋了鉆井工程設計論證、施工過程優化、鉆后分析等關鍵技術環節，可為專家決策提供多源異構信息實時融合、二維及三維圖形顯示、計算模擬、協同討論等決策支持手段，初步解決了鉆井決策支持軟件功能單一、多領域信息融合不足等問題。在國內外多個區塊的實際應用表明，DrillAdviser設計合理，能解決實際問題，且效果良好。

鉆井 協同決策 信息融合 方案論證

國外石油企業已經將信息技術作為提升技術和管理水平的核心手段之一，利用信息技術實現了石油工程施工方案優化、施工過程實時決策和精細化管理[1]。Halliburton、Schlumberger、Baker Hughes等國際石油技術服務公司都研發了功能強大的決策支持系統[2-4]，并基于該類系統建立了多專業一體化協同決策模式，提高了核心競爭力。

截至目前，國內開發了很多鉆井工程設計與計算、現場數據遠程傳輸、隨鉆井下風險預警方面的單體軟件，也開發出一些鉆井決策支持系統[5-9]。如文獻[9]介紹的鉆井決策支持系統，包括井位導航、鉆井輔助計算、地質導向、網絡會議、地層及井身結構對比等功能，由多個獨立小系統組成。這些系統對鉆井設計和現場管理提供了輔助，但由于每個系統的功能都有局限性，覆蓋的信息范圍比較窄，在關鍵技術決策點的多領域信息融合方面尤顯不足，因此難以對重點井方案的專家論證、重點井施工的多領域專家支持等重大技術決策活動提供有效支撐。同時，國內現有系統大多比較封閉，在各種不同標準信息源的接入、對外來特色軟件模塊的集成方面存在明顯不足。針對上述問題，筆者借鑒國外先進系統的開發經驗，結合國內應用需求，對鉆井關鍵技術決策環節的精準信息支持，跨專業域、時間域、深度域的信息融合，跨地域專家協同決策支持等進行了研究，研發了鉆井工程決策支持系統DrillAdviser。

1 需求分析

1) 鉆井方案專家論證支持問題。針對每口井的鉆井工程設計方案，尤其是重點井、疑難井的設計方案，往往需要經過不同級別專家組的多次討論，并對關鍵技術細節或整體方案進行決策。目前，國內尚無相關軟件能對這一重要決策過程提供支持。參與決策的專家主要是通過觀看幻燈片演示得到的有限信息，在各自的大腦中進行分析并提出意見。由于專家此時獲取的信息量較小、信息分析手段單一，難以快速、直觀地將當前方案與該區塊的地質信息、歷史案例信息相結合，難以共享歷史經驗和他人知識，因此專家們對方案的理解難以達到高度一致，導致方案論證不徹底，決策效率不高，決策的科學性也受到限制。

2) 地質與工程信息的深度融合問題。鉆井施工必須充分考慮全井段與鉆井工程相關的各種地質細節。目前，鉆井地質設計、工程設計、工程施工環節各自獨立，地質專家重點關注目的層，對全井段所提供的地質信息量小，而施工過程中獲得的地質信息又未能及時融合到鉆井分析軟件中，導致地質與工程近乎脫節，經常出現地質專家與鉆井專家給出的結論不一致或相矛盾的尷尬局面，很難做出最科學的決策。

3) 鉆前、鉆中、鉆后信息一體化應用問題。目前鉆井設計、施工和評價環節的信息系統都獨立開發應用，數據庫獨立設計，沒有一體化的數據共享和信息流轉體系，難以對這個本來連續的技術流程進行高效一致的數據支撐，尤其是歷史數據的價值沒有得到發揮。

4) 多專家異地協同決策問題。鉆井現場視頻監控及網絡會議系統的應用，建立了遠程協同決策的基本網絡通道，但這種遠程溝通主要通過語音和影像，與會各方都需要將對方的分析過程和觀點記錄下來，然后花一定的時間進行思考再反饋自己的結論，難以當場快速得出結論并在線共享，決策效率有待提升。

5) 決策支持系統的開放性問題。隨著信息技術和鉆井工程技術的發展，鉆井工程決策支持系統也需要隨之不斷地擴展或改進，而目前國內鉆井軟件普遍是自成一體，在各種不同標準信息源的接入、對外來特色軟件模塊的集成方面存在明顯不足，導致軟件各具特色但又無法實現“強強聯合”，因而難以提升系統的整體水平。

2 關鍵技術

2.1 鉆井工程方案論證支持技術

鉆井工程方案論證支持主要是給參與論證的專家提供一個快速分析信息和優化方案的輔助手段，針對主要論證環節從以下5方面提供信息技術支撐，如圖1所示。

1) 一體化數據流支持。對于所有論證環節，底層由統一的數據庫支持，數據可在任何一個模塊加載或更新，其他相關模塊都可以調用，確保任何一項業務的數據都具有唯一性。

2) 圖形可視化。無論是待論證的設計方案還是鄰井井史數據，均利用地理域(以坐標為基準)和深度域(以井深為基準)串接起來，以二維剖面或三維場景進行集成展現，各種圖形之間可以聯動，便于專家們直觀、快速、靈活地進行信息綜合分析和判斷。

3) 多方案對比。對于井身結構、鉆具組合等方案，設計人員可以從不同側重點出發設計出多套可選方案，利用該系統在同一個界面上顯示出來，方案之間的異同點一目了然，專家可以對各方案展開進一步討論并進行優選。

4) 鄰井案例對比。鄰井施工情況是新井設計最重要的參考依據，通過在底圖上選取一口或多口鄰井，自動提取其各種歷史數據，統計分析其技術指標，分析其井下故障，可迅速得到適合該區塊的經驗和教訓，以此綜合評價新井設計的合理性。

5)方案模擬。水力、固井、井控等的設計方案涉及到強度校核、壓力控制等關鍵細節，利用內嵌的計算模型可對設計數據進行計算模擬，尤其在論證時如果調整了某些參數，可當場進行模擬驗證，以便使方案達到最優，避免線下反復修改并重新論證。

2.2 地質與工程信息融合技術

1) 宏觀地質環境分析。針對目前鉆井類軟件和地質類軟件很難無縫集成的現狀，通過開發數據接口提取了地質成果圖件、地震解釋數據體、測井數據及解釋結果等地質研究成果，以底圖投放、剖面投射和360°三維場景展現方式同井筒信息一起展示，專家可直觀地分析井筒所處的地理環境、井下地質狀況和鄰井的復雜情況，有針對性地制定適合該區塊的最佳方案。

2) 地質與工程的深度融合。針對每一口井，以井深為縱坐標，將地質分層、地層壓力、巖石物性等地質信息同井身結構、鉆井液、鉆具組合等工程信息融合，以曲線對比方式，使專家更直觀、更便捷地了解井筒周緣的詳細地質參數，從而對設計方案進行優化。

2.3 遠程多井實時監測預警技術

1) 單參數超限預警方法。根據每口井所屬地區、層位和所用鉆機的不同，預先設置其大鉤負荷、扭矩等關鍵工程參數的門限值，鉆井過程中通過遠程實時傳輸的錄井參數，實時判別其超限情況并報警提示給后方專家。

2) 多參數關聯預警方法。根據專家的知識和經驗[10]，建立了基于多參數的灰色關聯預警方法：a.建立判定每種風險的特征量(工程參數或其標準差)；b.根據該區塊的已鉆井，回歸確定每個特征量的經驗權重，得到加權型標準特征向量；c.利用當前井正鉆層位上部井段正常鉆進的實時數據，建立各工程參數的正常波動區間，參數超出該區間即為參數異常波動；d.監測下部井段鉆進過程，利用灰色關聯算法求取實際參數異常波動量與標準特征向量之間的關聯度；e.實時計算關聯度大小，某種風險的關聯度過高即表示正在發生該風險，系統報警提示。

3) 遠程多井監測預警?；谏鲜鰞煞N方法，利用并行計算方式，同時對所有監測井進行監測，將每口井的監測結果實時推送到井位分布圖上報警，并可導入該井的具體監測模塊開展具體分析，便于一名專家同時監測多口井。

2.4 遠程協同技術

1) 遠程傳輸。實現了井場信息(綜合錄井信息和MWD、LWD等信息)、視頻的遠程實時傳輸[11]，集成了適用于低帶寬的TCP/IP視頻會議系統，使專家隨時隨地了解鉆井現場的詳細情況并進行對話討論。

2) 在線意見共享。任何一名專家都可啟動客戶端軟件打開某個設計方案進行審閱，并將自己的意見“批注”到方案的相應位置，這些意見可立即通過網絡推送到所有客戶端。即便專家們不在同一時間、不在同一個會場，也可針對某個具體問題互通有無、協同決策。

2.5 松耦合軟件開發技術

1) SOA技術應用。鉆井工程決策支持系統DrillAdviser采用面向服務的架構技術(SOA，service-oriented architecture)[12]，如圖2所示。該架構可實現數據庫與應用模塊之間的松耦合，當底層數據結構、數據平臺或數據庫網絡位置發生改變時，只需要對服務層進行調整，無需對分散在各用戶機器上的客戶端進行更新，實現了以不變應萬變。

2) 插件式技術。開發了統一插件式軟件框架，各模塊按一定規范獨立開發后，可通過接口快速“插接”到框架上，各模塊之間可以交互通信實現有機集成。該技術使各模塊很容易自由組合，從而提高了系統的可擴展性和開放性。

3) 面向服務的專業計算。傳統鉆井專業軟件中的計算模塊多為客戶機本地運行，數據量大且計算頻度高時，運算對計算機性能的要求很高。該系統將算法模塊封裝為webservice服務，部署在服務器上運行并向客戶端返回計算結果，大大提升了軟件的性能，同時也有利于算法程序的統一更新和保護。

3 現場應用

基于以上關鍵技術開發的鉆井工程決策支持系統DrillAdviser，包括15個一級模塊(35個二級模塊)，各模塊均開發成插件，用戶可以任意選取其中的部分模塊“組裝”成不同功能的子系統，以適應方案論證、施工決策和鉆后分析等不同的決策場景。

中國石化石油工程技術研究院利用該系統構建了鉆井決策支持中心，中石化石油工程技術服務有限公司等單位部署了若干客戶端軟件。自2012年8月起，DrillAdviser在元壩、順北、焦石壩等地區和加蓬、伊朗等國家的50余口重點井的鉆井過程中進行了應用。應用過程中，向數據庫加載了結構化數據2 000余萬條，包括各種復雜情況處理措施、常用鉆具及鉆井液體系、區域鉆井經驗、地質解釋結果等的數據，40多口鄰井井史和風險案例數據，還加載了非結構化圖檔12 GB(如地震數據體、勘探程度圖、連井剖面圖、構造圖等)，為這些井的專家決策提供了保障。

3.1 在鉆井設計論證中的應用

DrillAdviser已用于6口井的設計方案論證和優化。以元壩氣田某水平井(記為A井)的鉆井設計論證為例，該井為元壩九龍山南鼻狀構造帶一口評價水平井，從劍門關組鉆至目的層須家河組二段，預測千佛崖組、自流井組、須家河組地層為異常高壓地層，且須家河組地層的可鉆性較差。首先由兩名設計人員按照傳統的流程完成初步設計方案后，再將設計結果及該地區的相關地質數據、歷史井數據導入該系統，然后組織專家在大屏幕會議室對全套方案進行論證：

1) 首先調用地質分析模塊對該井的地質信息、鄰井信息進行整體分析，如圖3所示；

2) 運行井身結構模塊，調取區域地層壓力預測曲線、20多口鄰井地層壓力曲線、測井解釋結果、井身結構及風險案例，以多屏對比方式供專家們討論，經綜合討論分析，決定將原方案的“二開鉆至上沙溪廟組地層底部(深約3 202.00 m)”調整為“二開鉆至下沙溪廟組地層底部(深約3 392.00 m)”，以更好地應對下部異常高壓地層可能出現的問題，隨后又對套管強度進行了重新校核并微調了套管選型；

3) 運行鉆頭優選模塊，現場在線提取20多口鄰井的鉆頭型號、鉆井方式、機械鉆速、鉆頭用量、復雜情況等的數據，快速統計出每口井各種鉆頭的用量及平均機械鉆速，以及該區塊最高指標的鉆頭情況，經專家們反復分析對比，最終決定調整一開至三開的鉆壓，鉆頭數量也由27只調整為32只，四開的鉆頭型號由HJT537G改為HJT617GL，并重新計算了鉆頭數量，調整后的方案兼顧了鉆速和安全等多方面；

4) 其他方面的設計基本合理，不需要調整。

該次論證過程中，一位身處異地的專家通過網絡會議模塊參與討論并發表了意見。專家們認為，這種方式能直觀、豐富地展現決策信息，能快速進行對比、統計和計算，大大提高了決策的效率和科學性。

3.2 在鉆井施工遠程決策中的應用

截至目前，DrillAdviser已用于40余口井的施工遠程決策及鉆后分析。

新疆順北區塊B井是一口外圍高風險超深預探井，設計井深7 570.00 m，目的層為奧陶系中下統一間房組和鷹山組。該井地處塔克拉瑪干沙漠腹地，地面被第四紀流動沙丘覆蓋，屬于溫帶大陸性荒漠極端干旱氣候，施工難度大，環境惡劣，交通不便。該井在鉆井施工中采用了創新管理模式，由中國石化石油工程技術研究院的專家負責一體化技術支持及工程監督。通過KU衛星通信鏈路，將現場數據實時傳回北京，專家組與現場人員可隨時召開遠程會議。2013年8月中旬，專家組與現場人員同時監測到鉆時變化劇烈、波動幅度大，甚至出現難以鉆進的情況，DrillAdviser也發出卡鉆預警，專家組隨即啟動遠程會議模塊(見圖4)，針對實時數據特征及現場人員反饋的情況，經過討論提出用稠漿循環清潔井底的方案，成功帶出了落入井底的多塊套管附件，恢復了正常鉆進；該井鉆至井深約6 910.00 m時，系統發出井漏預警，后方專家注意到扭矩波動大、立壓減小、鉆井液地面循環量有減小趨勢，經與現場溝通確認發生漏失，隨即采取應對措施避免了情況的進一步惡化。此外，專家組還通過該系統為現場解決了火成巖侵入體造成的鉆進難題。

元壩氣田C井是一口超深水平井，設計井深7 830.00 m，設計造斜點深度6 500.00 m，在鉆達造斜點之前，定向工程師在位于北京的辦公室利用DrillAdviser每日監測施工進展及井眼軌跡情況，為定向服務做準備。當該井鉆至井深6 470.00 m時，監測到井眼軌跡與設計軌道已偏離超過100.00 m，且方位角與原設計相差很大，經專家與施工隊充分論證后決定提前定向造斜，并設定了合理的初始造斜方位以修正前期偏差，最終該井順利鉆達目的層。在C井近兩年的施工中，該系統成功進行井漏、鉆具刺漏、氣侵預警20余次，召開專家遠程決策會議10余次，克服了專家資源有限、施工條件極其復雜、技術難度大、交通不便等困難，探索出了一種新的鉆井決策模式。

此外，在涪陵頁巖氣開發過程中，由于同時鉆進的井數多，導致技術支持人員嚴重不足。DrillAdviser將實時傳輸的MWD/LWD數據與地質建模功能相結合，幫助建立了遠程地質導向技術支持新模式，將有限的技術專家集中起來，大大提高了決策支持的效率。

4 結論與建議

1) 利用軟件為專家論證鉆井設計方案提供支持，能幫助具有不同專業特長、不同實踐經驗的專家在很短時間內深入了解方案、達成一致意見，并可當場調整不合理內容，提高論證效率。

2) 將地質信息深度融合到鉆井決策過程中，實現地質信息與工程信息的聯動，改變了鉆井專業軟件僅局限于工程本身而難以結合地質環境的局面，使決策更加高效科學。

3) 鉆井專家決策所需信息量大、覆蓋面廣，而目前國內各單位數據庫設計和實時數據傳輸“百花齊放”又參差不齊，多源異構數據的實時融合技術大大提高了數據的獲取效率。

4) 利用SOA架構技術、插件式框架技術、面向服務的計算技術，實現了軟件的松耦合，使其易于擴展、移植或插接外來模塊，有利于鉆井工程決策支持系統的持續擴展優化。

5) 鉆井工程決策支持系統DrillAdviser為建立鉆井遠程協同決策新模式奠定了技術基礎，但由于受限于國內的管理模式、現場網絡條件、數據共享能力、數據質量等因素，系統的大規模推廣尚需時日。建議從管理上加強數據質量管理及各類數據的互通，并試點建立專家組遠程坐診決策新模式。

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[3] Andreas Sadlier,Ian Says,Ryan Hanson.Automated decision support to enhance while-drilling decision making:where does it fit within drilling automation?[R].SPE 163430,2013.

這篇文章構思很巧妙，小作者從“我”現在玩的游戲寫到媽媽小時候玩的游戲，非常自然，既體現出時代的進步，又引人思考。

[4] Baker Hughes.WellLink radar remote drilling advisory service[EB/OL].[2015-02-09].http://www.bakerhughes.com/products-and-services/drilling/drilling-services/remote-drilling-services/welllink-radar-remote-drilling-advisory-service.

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[編輯 令文學]

Key Technologies of Drilling Engineering Decision Support Systems

Xiao Li, Yang Chuanshu, Zhao Jinhai, Li Changsheng, Xu Shuguo, Zhao Yong

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China)

Some drilling software with Chinese owned intellectual property can only be used in aided design,not sufficient for decision-making by teams of experts.Some the software programs only focus on data transmission or early warning of certain risks.So those software applications are limited and fail to form a comprehensive decision-making information support system.Based on the expert decisionmaking needs in the design of drilling programs,the demonstration and drilling construction,the decision support system was developed based on function design and key technology research which were carried out.The drilling engineering decision support system,DrillAdviser,was developed based on SOA software architecture and plug-in development method.This system is easy to expand and it combines engineering geology information and drilling engineering information.It covers key technical elements of drilling engineering design,construction process optimization and post-drilling analysis.In addition,it can provide decision support such as real-time fusion of multi-source heterogeneous information,2D and 3D graphic display,computational simulation and collaborative discussion for expert decision making.It preliminarily solves problems of reduced function and insufficient fusion of multi-disciplinary information in present drilling decision support software. According to the actual application in multiple regions within and outside the country, DrillAdviser proved itself to be of reasonable design with good results.

drilling；collaborative decision；information fusion；program demonstration

2014-05-05；改回日期：2015-02-09。

肖莉(1968—)，女，四川江安人，1990年畢業于石油大學(華東)應用電子技術專業，高級工程師，主要從事石油工程信息化研究與管理工作。

中國石化“十二五”重大信息化項目“中國石化石油工程決策支持系統”(編號：G11-MM-2011-080)及中國石化科技攻關項目“鉆井風險控制系統研發”(編號：P13093)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201502007

TE19

A

1001-0890(2015)02-0038-06

聯系方式：(010)84988299，xiaoli.sripe@sinopec.com。