帶壓數字化平臺建設及應用研究

張雨平?黃微?尹曉煜

摘要：川慶鉆探工程有限公司（以下簡稱川慶公司）在帶壓作業信息建設方面，初步完成帶壓作業現場工程、生產數據的采集，但并未搭建帶壓作業數字化應用平臺，且對數據的應用功能開發較少，無法有效支撐公司帶壓作業工程管理和現場應用。因此，有必要建設帶壓工作數字化現場，搭建帶壓作業數字化平臺，利用大數據挖掘、物聯網等技術開展帶壓數據應用分析，實現帶壓作業全過程的實時跟蹤、現場作業輔助決策、施工預警、遠程技術支撐等功能，提高管理人員指揮效率，降低故障復雜發生率，以提升川慶鉆探帶壓作業信息化水平。

關鍵詞：帶壓作業；數字化；工作平臺；數據應用

一、前言

隨著油氣勘探開采逐漸向深層、鹽下及頁巖油氣等非常規資源邁進，油氣勘探開采的難度和成本隨之增大，數字經濟正開啟一次重大的時代轉型，新一代信息技術與實體經濟深度融合，引領產業變革，促進傳統業務轉型升級，激發新產業、新業態和新模式。目前國內各大油田、鉆探公司都在逐步向信息化轉型，紛紛開始了數字油田的研究與建設，利用信息化手段達到優化工作流程、提高工程技術水平、降低事故復雜率的目的。川慶公司工程技術一體化平臺[1]已開展近兩年的帶壓作業工程數據采集，涵蓋了帶壓作業的工程數據和生產數據，但目前僅限于數據的采集、傳輸和存儲[2]，帶壓數據應用功能開發較少。對此，根據川慶公司信息化建設總體布局及帶壓作業現場的實際需求，需要構建帶壓數字化現場，搭建數據應用平臺，開展帶壓作業實時數據監控、施工預警、工程計算、遠程支持等功能應用，為川慶公司監控技術支持中心提供技術支撐，提高管理人員的指揮決策效率，降低現場作業施工故障復雜率，保障生產作業安全、高效。

二、帶壓數字化現場建設

（一）現場網絡建設

帶壓作業現場大多地處偏遠山區，網絡信號差，鋪設光纖電纜的有線組網方式存在成本大、容易遭到機械破損、鋪設于低空與地面的線纜管理麻煩等一系列問題。通過調研及現場實驗，在帶壓施工現場搭建無線網，采取無線路由器組網模式實現井場網絡更加便捷、穩定、安全、高效。

井場的無線組網模式，具有以下三個特點[3]：

1.便捷的組網模式

首先這種組網模式無需更多配置，客戶端可根據SSID自動匹配AP端/中心端，自動選擇頻率及協議。其次是多協議支持，2.4G頻段支持802.11b/g/n，5.8G頻段支持802.11a/n/ac，或選擇Nv2、Nstreme私有協議為數據保駕護航。此外，是虛擬AP，可根據不同的用戶類型分離不同的帶寬和密碼，并指示它們連接到不同的無線網絡中。最后，該模式是多工具支持，支持Ping、traceroute路由跟蹤，支持看門狗，支持PTP吞吐量測試，支持各網絡接口抓包功能。

2.多種技術保障傳輸的穩定性

這種組網模式研究用到的關鍵技術有四個。第一是多信道抗干擾技術，采用無線擴頻技術，更多可用信道，使用頻譜掃描技術，有效避免干擾。第二是Frame Aggregation幀聚合技術，多幀重組合發送，減少協議開銷，有效提高傳輸帶寬和減低數據延遲和丟包率。第三是Beam Forming波束成形，該技術可補償空間損耗、多徑效應等因素引起的衰落與失真，降低同信道用戶間的干擾。第四是RTS/CTS幀保護技術，802.11標準提供了使用RTS/CTS協議保護傳輸免受其他設備傳輸的干擾。幀保護有助于對抗“隱藏節點”問題。

3.多方式保障無線接入的安全

這種組網模式研究涉及接入認證和數據認證及過濾問題，其中包含以下七類協議。第一是私有協議，Nv2/Nstreme私有協議可避免其他設備的掃描和連接。第二是MAC地址綁定，支持MAC地址控制，雙向MAC綁定。第三是WEP加密，支持40/104bit WEP。第四是WPA加密，支持WPA/WPA2 PSK EAP加密。第五是虛擬專用網絡VPN，支持創建IPsec、PPP、PPTP、SSTP、L2TP、OVPN。第六是端口保護，可啟用/禁用/修改端口服務，或允許指定網段訪問端口。第七是防火墻功能，IP地址過濾、病毒過濾，Layer7協議過濾。Web代理功能對http內容進行控制。例如，禁止訪問特定網站、文件下載、含有關鍵字符的網站。

（二）現場采集建設

1.實時數據采集

為提升帶壓作業現場感知度，科學地為帶壓施工提供完善的決策依據，提高帶壓作業遠程支持、及時預警能力，現場安裝58項傳感器，實時采集施工所需工程、裝備數據，豐富帶壓作業過程中的實時數據項，精細化管理裝備數據，提高工程數據質量，為智能施工決策提供重要依據（見表1）。

2.視頻數據采集

為快速查看施工現場作業情況，在施工現場前后場、重點施工部位安裝攝像頭，包括操作臺、上工作閘板防噴器、下工作閘板防噴器、固定卡瓦、井場前后場共計6個視頻監控點，實時監控現場情況，并存儲在本地，為事故快速響應和施工規范性監控提供重要數據支持。

3.作業數據實時填報

為了實現各崗位及時匯報各自工作內容和進展，在各崗位配備智能手持終端8臺，利用手持機巡檢，自動推送巡檢路線和巡檢內容，清單式巡檢大幅提高自動化采集水平，減少重復勞動強度。通過RFID巡檢點自動識別、現場圖片實時采集，實現巡檢記錄無紙化、高效化。系統自動推送、共享問題情況和處理情況，技術負責人確認形成問題處理閉環管理。開工條件智能判斷，根據巡檢情況及實時數據智能分析，判斷是否符合開工條件，未處理問題自動推送，提醒巡檢人員整改，避免遺漏導致故障發生，提高現場精準操作能力。崗位巡檢路線自由組合，適應試修隊伍作業不同井時，崗位、人員、設備種類和數量不同的情況。

三、帶壓數字化平臺建設

（一）平臺架構

本文根據帶壓作業數字化現場建設的需求和設計目標，以分層設計[4]思想為基礎，提出帶壓專業數據管理集成融合機構。層次化設計方法[5]是按照數據的流程，即自數據采集開始到數據應用結束，將帶壓作業數字化現場架構共分為數據采集層、集成層和應用層3個層次，通過該架構實現帶壓作業現場生產情況動態管理和應用。

（二）平臺關鍵技術

帶壓作業數字化平臺基于川慶一體化信息平臺開發建立，集數據采集、遠程監控、預警、遠程技術支持與決策為一體，是信息技術與帶壓作業的最優結合方案，也是大數據在帶壓作業中應用的最新實踐，助力川慶公司實現降本增效、轉型升級。帶壓作業監控平臺功能模塊主要包括生產管理、工作平臺、裝備管理、井控管理、實時數據、值班室、資料管理和隊伍管理八大功能模塊。確保施工全過程動態監控，為現場提供更多技術支撐，顯著提升現場生產效率、風險管控能力，實現提質提速。

（三）平臺功能

1.生產管理

帶壓作業數字化平臺基于川慶一體化信息平臺開發建立，生產流程可以調用川慶一體化信息平臺數據，成功打通川慶公司內部、跨處級單位生產流程管理通道，實現要車、要料等生產組織活動線上進行，確保生產要素信息全程跟蹤，組織過程留痕。同時，開發配套手機審核功能，為節假日、周末等休息日審核要車流程提供便利，提高工作效率，避免處理不及時導致的生產滯后等問題。通過車輛動態模塊全程掌握車、料物流信息，生產運行更加高效，提高了協同能力。

2.工作平臺

建立了一套以“數據”驅動工作流程的現場工作模式，搭建工程師工作平臺，增強工程師對現場的感知度，及時獲取預警提示，指導工程師更好地進行下一步工作。與EISC專家、主操手聯動，快速科學地制定措施，形成決策，推進作業現場標準化、規范化管理，保證作業安全受控。

（1）管鞋實時深度計算。通過液缸行程傳感器采集數據，結合算法，實時計算管鞋深度。結合入井單根記錄，實現實時管鞋深度校核功能，方便現場校核。實時工況判斷，結合管鞋深度數據，自動判別起鉆、下鉆工況。

（2）井口冰堵自動判斷。通過傳感器實時采集的井口溫度，集成水合物生成臨界溫度算法，結合實時井口壓力數據，系統自動計算當前井口壓力下的水合物生成臨界溫度，準確判斷井口水合物生成情況，避免井口冰堵造成故障復雜發生。

（3）動態模擬。實時計算管鞋深度，結合管鞋實時深度、井身結構數據和管柱結構數據，實時展示管柱下入動態，動態模擬管柱在井筒中下入的全過程，展示造斜點、最大井斜角、最大井斜角位置等關鍵數據。方便現場施工在管柱下入關鍵井段時觀察管柱通過情況，避免發生故障復雜。

（4）試坐掛/完井后坐掛可視化。對試坐掛和完井后坐掛全過程實現可視化，技術負責人和EISC專家在電腦上或手持機上均可以直觀看到油管掛從井口到特殊四通移動、油管掛副密封反向試壓、送入油管倒扣的坐掛全過程，便于技術負責人在指揮過程中直觀掌握坐掛全過程，實現精準施工、科學施工、高效施工、安全施工。

（5）工程計算。集成中和點、安全無支撐腿長度、上頂力、摩擦力、最大下壓力等計算公式，結合實時數據和管柱參數，自動實時計算各參數控制值，為工程師在井口壓力發生變化的情況下，對快速決策各參數值調整提供支撐。集成卡點計算算法，管柱數據自動提取，根據每次的上提拉力和上提長度，系統自動計算卡點位置，為工程師處理卡鉆事故，提供支撐。

（6）預警提示。結合帶壓施工設計、實時數據、工程計算，融合“工程計算預警、閾限值設定、人工確認”方式，開發預警模塊，建立13項診斷報警和提示，對作業過程進行實時監測和診斷，將人工提醒風險點的低效模式轉化為系統自動預警推送，為現場安全施工保駕護航，有效降低作業現場事故復雜率。預警項目包括：遇阻遇卡、液缸舉升高度、下管柱操作方式、操作聯鎖預警、最大舉升力、最大下壓力、動力源氣源壓力、動力源先導油壓力、中和點卡瓦幅數預警。提示項目包括：中和點、套管A點、最大井斜角井深、造斜點。預警提示直達操作臺：操作臺增加擴音器，預警提示直達主操作手，提前預警，減少施工作業復雜度。

（7）井控工藝。實現精細化井控管理，實時掌握帶壓作業機、工作防噴器、安全防噴器、節流管匯、壓井管匯開關狀態及試壓情況，遠控房、動力源壓力，壓井液儲備等數據，全面井控管理活動，提高現場井控管控水平。

（8）歷史作業情況?？旖莶樵冏鳂I井前期試油、壓裂、地面測試作業情況，通過關鍵字模糊查詢功能，快速查詢套變等井筒異常情況，以及地面測試作業的氣產量、排液情況。便于工程師快速了解作業井歷史作業和當前地面測試隊的作業情況。

3.實時數據

對現場傳感器和采集器所收集到的實時數據集中展示，數字化管理多項工程實時數據、裝備實時數據，使現場情況更清楚明了。集成地面測試實時數據曲線，方便掌握當前地面測試的作業情況，查詢帶壓作業和地面測試的歷史數據、其他井的實時數據（見圖1）。

4.井控管理

以動畫形式，實時掌握帶壓作業機、工作防噴器、安全防噴器、節流管匯、壓井管匯開關狀態及試壓情況，遠控房、動力源壓力，壓井液儲備等數據，全面井控管理活動，提高現場井控管控水平。

5.裝備管理

基于EISS已建立設備管理系統，開展設備從建檔、運轉、維護保養、檢測、檢查、調撥、修理、更新、改造直至報廢的全生命周期管理，包括設備信息查詢、設備運行數據管理、設備調撥流程管理、設備檢查、設備維修流程管理、設備檢查管理。

6.資料管理

真正實現現場資料減負。作業信息實現自動采集和共享，減少現場資料重復填報，各崗位一次填報，自動生成時效表、各類統計分析等生產、工程、裝備、安全等各部門的資料報表，以及作業現場的各項基礎資料，減小作業現場各崗位的資料填報工作量，實現資料填報減負，提升一線員工的工作效率。

7.隊伍管理

從五個方面進行隊伍管理：第一，黨建信息。管理黨支部基本情況、優秀共產黨員、近期黨建工作等黨建方面的信息。第二，人員基礎信息。管理隊伍的概況、本隊行政班人員、本隊生產班人員、相關方人員等隊伍的基礎信息。第三，人員證件信息。管理本隊人員的各類證件信息，實現隊伍人員證件的動態管理和查閱，具備證件到期預警功能，合理安排人員取證，時刻了解隊伍人員動態。第四，人員排班。對本隊行政班、本隊生產班人員進行排班管理，詳細職責落實到具體人員，管理更加清晰。第五，構建試修公司人員庫。試修作業人員變動很大，調動頻繁，建立試修公司人員庫，人員調動修改自動關聯（確保人員只在一個隊出現），并提示管理人員進行設備巡檢等調整。

四、結語

目前，川慶公司已打造一支專業帶壓數字化現場隊伍，帶壓作業數字化平臺也已在川慶公司上線試運行，各功能模塊運行正常，應用效果良好，實現了井筒全生命周期狀態可控可查，大前方，小后方的數字化業務模式為現場施工提供高效遠程技術支撐，保障了施工作業安全高效進行，大幅提升了帶壓作業數字化程度，為川慶公司信息化水平的全面提高提供助力。

參考文獻

[1]錢浩東，溫馨，羅月.工程技術一體化信息平臺建設研究與應用實踐[J].中國信息化，2017（12）：59-60.

[2]朱海東.井下作業數據采集應用系統建設研究[J].石油工業技術監督，2012（04）：17-20.

[3]錢浩東，陳思錦，宋鑫.基于復雜電磁環境下的鉆完井作業現場無線組網模式研究[J].信息系統工程，2020（12）：135-136.

[4]孫秋冬.軟件系統的分層設計[J].計算機工程與用，2001（07）：110-112.

[5]張峻，徐衛東，鐘華.數據庫應用系統的層次化設計方法與實現[J].計算機工程與設計，2004（09）：1557-1559.

責任編輯：張津平