海外钻完井数字化技术研发与应用——以尼日尔、乍得为例.pdf

2023年9 月第3 9 卷第9 期石油工业技术监督Technology Supervision in Petroleum IndustrySep.2023Vol.39 No.9海外钻完井数字化技术研发与应用以尼日尔、乍得为例李兴财1,周超1,马常军,王勤1.中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院（辽宁盘锦1 2 40 0 0）2.中国石油青海油田分公司监督监理公司（甘肃敦煌7 3 6 2 0 2）摘要目前围绕“数字中国”建设，中国石油集团为大力推进并加快数字化转型工作。中国石油集团国内工程技术生产运行管理信息化历经1 6 年建设，取得了较大的进步。但海外项目的工程技术生产运行管理还停留在初级阶段，大量报表仍手工录入，数据及时性差，缺乏统一规范的标准。围绕海外钻完井数字化转型建设，介绍了国内外钻完井数字化现状，并以中油国际尼日尔、乍得项目为例，梳理了系统建设存在的难点及相应的数字化核心技术和解决方案。通过总结归纳中油国际尼日尔、乍得项目数字化转型建设的成功经验，为海外项目工程技术生产运行管理信息化建设提供了参考依据。关键词钻完井；数字化采集；井筒数字化管理；井控应急管理D0I:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.09.006Research and Application of Digital Technology for OverseasDrilling and CompletionTaking Niger and Chad as an ExampleLI Xingcai,ZHOU Chao,MA Changjun,WANG Qin?1.Institute of Engineering Technology,CNPC Great Wall Drilling Engineering Company Limited(Panjin,Liaoning 124000,China)2.Supervision and Management Company,PetroChina Qinghai Oilfield Branch Company(Dunhuang,Gansu 736202,China)Abstract At present,around the construction of digital China,CNPC has vigorously promoted and accelerated the digital transforma-tion work in order to adapt to the new development situation The domestic engineering technology informationization of CNPC has madegreat progress after 16 years of construction,but the engineering technology management of overseas projects is still at the primary stage,with reports being entered manually,the timeliness of data being poor,and the data lacking unified and standardized standards.Aroundthe digital transformation construction of overseas drilling and completion,This paper introduces the current situation of digital drllingand completion at home and abroad,and takes CNPC International Niger and Chad projects as the example to sort out the difficulties insystem construction and the corresponding digital core technologies and solutions.By summarizing the successful experience of CNPCInternational Niger and Chad projects in digital transformation,it provides a valuable reference for the information construction of engi-neering technology production and operation management for overseas projects.Key word drilling and completion;digital acquisition;wellbore digital management;well control emergency management李兴财,周超，马常军,等.海外钻完井数字化技术研发与应用:以尼日尔、乍得为例 J.石油工业技术监督,2 0 2 3,3 9(9):2 4-2 9,3 7.LI Xingcai,ZHOU Chao,MA Changjun,et al.Research and application of digital technology for overseas drilling and completion:takingNiger and Chad as an exampleJJ.Technology Supervision in Petroleum Industry,2023,39(9):24-29,37.收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 9；修回日期：2 0 2 3-0 7-1 9基金项目：中国石油天然气集团有限公司前瞻性基础性技术攻关项目“绿色清洁自动化井下作业技术及装备研究课题4“数字化工程监督平台研发”（编号：2 0 2 1 DJ4704）作者简介：李兴财(1 9 8 6)，男，工程师，现主要从事钻井信息化及技术支持方面的研究工作。E-mail:李兴财等：海外钻完井数字化技术研发与应用1国内外钻完井数字化现状1.1国外钻完井数字化现状通过多年的发展，国际石油公司以生产优化与预警预测为目标，建立数据标准化采集、协作办公环境、虚拟可视化等应用功能，目前普遍处于由数字化向智能化发展的阶段。1)英国石油公司(BP)智能油田通过开发ISIS技术进行油井监控和绩效评估；通过开发D2D技术进行地面设施设备监控和绩效评估；关注运营和生产优化，包括模型的运营支持、井下流量监控、分布式温度传感器等。2)雪佛龙公司通过收集和存储海底、井下和输油管线数据，优化数据集成；通过物联网技术实现事件监测、确认和报警管理，对井下和地面设施进行自动检测，并将发现的异常与问题及时通知相关人员，实现生产优化。3)壳牌智能油田关注数据标准化、信息架构标准与IT管控,并基于统一的标准化信息架构，在全球范围内部署协同工作中心。4)道达尔智能油田关注数据标准化，实现更高效的数据分析与理解应用,以提高油田生产与管理效率；通过基于数据的决策优化,对油田规划、生产优化、开发钻井和设备操作等业务提供支持。5)巴西石油公司智能油田基于数字技术的一体化油田管理进行广泛试点和应用；搭建远程协作与虚拟环境，用可视化方法展现整个业务部门的关键运营情况，支持关键决策，实时更新共享地质模型。6)挪威石油公司智能油田重视针对深水领域的生产信息化系统远程协作与虚拟环境，包括精密信息传输、海上远程控制油田技术、深海拖缆地震数据采集实时现场质量监控系统、平台信息数据管理系统、船舶管理。1.2国内钻完井数字化现状中石油国内工程技术生产运行管理历经“十五”前到“十四五”阶段，长达1 6 年的建设过程（图1），目前已经基本成熟。先后上线了生产运行管理系统A71.0和2.0、A12、E I S S 系统,统建系统的运行使工程技术企业信息化工作取得了较大的进步3。但是，中石油海外项目的工程技术生产运行管理目前还停留在第二阶段，大量报表手工录入，使用传统的报表、邮件的方式收集钻完井数据，将作业现场数据报送到项目公司和总部对口部门，J一一以尼日尔、乍得为例不能实现实时传输、监控和支持功能。目前，只有长城钻探在海外的秘鲁1 0 区、伊拉克格拉芙项目成功开展数字化转型试点，具备海外钻完井数字化服务能力。第五阶段第四阶段第三阶段以智能化为第二阶段形成信息持续提升和特征的数字第一阶段统一建设全局性信集成应用各息分散建设信息系统息系统信息系统十五前十一五十二五十三五图1 国内钻完井信息化发展历程图2海外钻完井数字化系统建设存在的困难与挑战2.1数据标准和格式不统一1)目前中油国际海外共有9 0 个项目遍布全球五大洲3 3 个国家，各国家都有自己多年形成的报表和数据格式。有的国家,如印尼将钻井日报及其成本日报固化，日报上的每个单元格都有明确定义；另外各合作方也有各自习惯的日报格式 5 。2)语言不统一，英语、俄语、法语、西班牙语等多种语言均在使用。全角和半角混用，数据名称习惯于用缩写，不便识别。3)数据单位不统一,API、S I、混合API标准均在使用。4)日期、时间格式的不统一,需求人工计算时差。5)文件格式不统一,有Excel版的、有PDF版的、也有PowerPoint版的。2.2数据质量保证难1)数据填写不完整。报表填写不完整，造成有些关键数据收集不到的情况，比如井型、井别、或者搬迁时间、完井时间，经常会在报表里收集不到相关数据。2)缺乏统一规范的标准。数据质量管理缺乏统一的规范标准和文件，不同类型数据的录入标准不统一，导致各项数据内容繁杂无序，在数据录人和审核过程中，缺乏标准化的管理和控制,数据超出设定的值域范围，输入错误、传输错误等问题突出。2.3数据分析难1)缺乏数据共享整体架构设计，形成历史数据孤岛。由于缺乏整体架构设计，数据管理和数据使用各系统之间数据对接不完善，各应用之间数据孤岛林立,相互独立运行,数据共享效果甚微。2)过分依赖Excel工具对数据进行分析，数据25共享服务化转型能力十四五:26分析方法和手段欠缺。Excel分析的过程和方法无法固化，且数据量大时，无法满足需求。遇到海量数据分析需求，都需要从原始数据开始分析加工，之前积累的大量分析方法未能整合为自动化程序分析，既浪费人力，效率也低。3)数据统计过程繁杂，数据及时性差，数据的可接近方式单一。长期以来,数据收集和统计过程繁杂，数据很难实现共享，数据的获取、处理、审核、加载、数据的返算更新等无法及时完成，直接影响下一步工作的进行。另外，数据可接近方式单一，用户部门除邮件外，几乎没有其他可接近的方式2.4网络传输条件差中石油负责作业或主导作业的海外现场和作业基地、营地的主要通讯设备是VSAT系统，手持卫星电话仅用于应急或远离VSAT站的作业。但是，VSAT系统的致命缺点是频道较窄,其最高速率只有2 Mbps，即3 G速度（4G为1 0 0 Mbps）。加之无线网络用户和数据量剧增，网路经常堵塞，发送邮件非常困难，语音交流严重受限，更无法进行视频联升身结套管工程井壁稳定地层压风险钻井参数定制程协同构设计桂设计优化性分析力监测三维地质模型勘探开导向数据交换系统发一体化平台数据库石油工业技术监督络和实时数据传输。3海外项目钻完井数字化转型解决方案根据上述调研结果，长城钻探联合中石油集团工程院，以尼日尔、乍得项目为试点，选用成熟先进的技术，充分利用已有投资建设成果，提供系统、完整且包含井场数据实时采集传输、历史数据录入、大数据库建立、数据存储、数据应用平台、技术支持体系、数据质量管理体系等一整套钻完井数字化转型解决方案，兼顾各方利益，保护已有投资，以较低成本获得最大效果。满足了中油国际总部、海外项目公司当前和今后一段时间的生产管理需要，率先实现了工程作业的数字化转型。3.1数据流架构与数据库解决方案3.1.1数据流架构基于统一数据标准以及WITSML国际标准,打通国外软件数据与RTOC库接口，国外成熟专业计算软件“即插即用”，实现不同厂家专业软件建模成果共享应用。如图2 所示。地质地质工井眼轨道地震综食页岩气数值钻井工程设计和地层压力预测软件基础设施钻井工程作业解释软件模拟软件实时KPI预警实时优化报表分析系统分析软件监测智能支持中心制图文件解编与快速编辑系统数据库CNODC地质建模成果库制图文件解编与快速编辑系统数据库数据服务总线基础数据设计数据实钻工程技术台账关系数据库历史井信息CNODC总部RTOC库工程数据模型井场信息传输标记语言实时数据库气测数据随钻测量&随钻测井&旋转导向工程系统数据库工程数据泥浆数据联合公司项目部库3.1.2现场服务器数据库选择尼日尔、乍得项目每口井的作业周期大概1 5 30天，报表类型数据每天都录人1 次，录井专业与随钻专业实时数据采集频率约为1 条/s，每口井可产生8001 0 0 0 万条数据，1 0 0 口井数据量为2.2 2.7G。基于数据存储量考虑,从技术方面基于系统兼容性、数据安全性、数据读写I/O时效性、连接方式多重性考虑,服务器端数据库系统选择使用Oracle数据库系统。3.1.3数据库共享推送方案钻井数据从现场实时传输至项目部服务器中，乍得库图2 数据流示意图配套“客户端+服务器”端模式数据服务，项目部审核后，将项目部数据实时同步至中油国际总部EISC服务器，保证国外现场和国内基地端数据同步。如图3 所示。国内总部服务器数据库系统实时上传配套的数据服务程序尼日尔项乍得目部服项目部服务器务器图3 数据库共享推送流程图尼日尔库其他项目部服务器区块、层位井型、井别李兴财等：海外钻完井数字化技术研发与应用3.1.4数据库备份机制在国内数据中心与国外项目部部署数据库备份服务器，如生产服务器出现意外问题随时将数据服务切换到备用服务器，国内数据中心设置灾备服务器,进行异地灾备。利用Data Gurad工具与GW-DrillingDataExchange工具实现数据库数据实时备份。如图4所示。内部网络容灾备份前置机数据库日志实时同步容灾备份一体机容灾备份一体机日载志芬实离时部装署生产Oracle灾备Oracle数据库系统互联网生产数据库图4备份方案原理图1#基础信息过滤1#基础信息过滤三画调试先导流程启动先导流程前11个中间2 0 个后12 个3.2楼数据采集传输解决方案3.2.1全专业数据采集终端针对海外现场网络、电脑设备环境、多承包商数据输入等需求，研发了海外现场数据采集终端，采用工业化设计，配备双电源（UPS备电半小时）、低功率元件、多接口设计，多用户接人，集软件、硬件为一体，具备现场实时数据采集、数据存储、作业现场组网、视频监控、视频会议等功能，建设现场数字化、信息化中心。如图6 所示。3.2.2统一数据标准，建立标准化采集模版按照WISTML、I A D C 数据标准，梳理尼日尔、乍得等区域性数据录人模版，统一时效、工况等数据标准，统一数据格式（日期/时间、数字精度、全半角一以尼日尔、乍得为例3.1.5数据库设计基于钻井工程数据库规范和国际井场数据传输标准（WITSML），研发钻完井数据仓库母子表结构，建立井深、时间、数据三维关系型数据库。数据库底层模型与集团EISS系统的数据库模型结构保持一致，可实现与EISS系统数据的共享。包含钻修井、工厂化、侧钻井等多种作业方式以及控压、分支井等特殊工艺的特定参数，共建表16 4张，内部网络建立字段2 8 31个，实现钻井全业务周期的数据标容灾备份前置机i2Active灾备数据库汇总PWNS阅值Wellid启动先导流程通知Excel合并保存路径下载文件图5数据结构化处理图格式、标准缩写）,形成定制表格与惯用表格数据采集标准。卫星网络DDN运营商网络GW-DrillingArywhere现场数据采集终端井场定点监控DrillingAnywhere实时数据采集计算软件视频会议系统（软件接人CNODC总部MCU)井场定点监控并场监控（数据存储6 个月）井场局域网（覆盖直径50 0 m）多种类业务无线录人数据图6 海外现场数据采集示意图27准化管理。采用中英文两个版本，可实现公制、英制、混合制单位的自动转换。基于尼日尔钻井设计、井史、DDR报表优化数据库设计，为用户需求定制开发打下基础。3.1.6区块历史施工数据结构化处理收集整理区块历史施工井井史,利用GW-Da-tist系统，将半结构化的EXCEL井史处理至数据库中,形成结构化的数据，丰富数据库的数据内容,实现区块数据检索、数据对比分析、大数据诊断等功能。如图5所示。并场局域网录井数据录人测井数据录人坐标、邻井范围检索主题无限钻参仪:28石油工业技术监督动审核功能模块，通过现场监督审核每日审核、海3.2.3不同专业角色数据采集模块按照“数据谁产生，谁录入的原则，分配各专业用户权限，分专业采集钻修井、录井、定向井服务（随钻数据）、测井、固井等基础数据和动态数据。数据采集平台支持各模块多用户同时录入，采集数据支持各层级日、周、月、季、年报表的自动生成。海外现场数据采集系统架构如图7 所示。用户录人分配角色专业用户权限报表名称采集界面名极成果类名称图7 海外现场数据采集系统架构图3.2.4实时数据采集模块海外现场数据采集系统可自动采集斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等13种主流随钻仪器以及18种录井及钻参仪的各类参数，同时能够为现场所有型号的综合录井仪和随钻仪器进行数据采集接口开发工作。实时数据在现场通过局域网络将采集的数据先保存到本地采集机数据库中，网络畅通的情况下可以直接将本地数据直接发送到服务器数据库中，支持断点续传。3.2.5数据质量审核机制制定海外数据质量审核标准，定制数据质量自角色定义权限分配角色对象对象信息录人对象名称对象类型外项目部每日审核、完井后井史数据审核3层审核模式，保证数据质量。3.2.6数据传输解决方案应用Socket异步通信技术、CRC32校验技术、MD5加密技术以及多核编程传输技术，建立以海外项目基地为数据中心的数据链路，实时同步至国内外数据应用中心，实现现场实时数据、动态数据的压缩加密与远程传输。海外数据采集传输流程如图8 所示。卫星+光缆信息网络录井仪/参数仪工程计算报表处理井场通讯设备Server录井仪/参数仪SQL工程计算报表处理井场通讯设备图8 海外数据采集传输流程图专家诊断信息中心OraclelADOSQLServer3.3井筒数字化管理解决方案3.3.1应用架构根据海外应用场景，以DrillingAnywhere系统为基础，搭建了集客户端自动更新、多单位制转换、多语言转换，表格控件封装的井筒数字化管理系统（海外版）。可实现中英语言切换、单位制显示定制、报表定制。并以图表统计、指标统计、报表等方式展示钻井工作量、钻机动态和全年完成井指标，推送重点井、复杂井施工动态等功能。3.3.2单井数据管理功能单井功能实现查询与下载单井的钻井信息，包含了单井DDR、D MR、D WR、工程地质设计,钻井，录井，钻井液，随钻,测井，固井数据。通讯设施统计行挖基地3.3.3多井数据管理功能多井功能实现多维度钻井数据的统计分析。包括多井DDR、钻井周期统计分析、时效统计分析、钻头螺杆统计分析、钻井事故复杂统计分析、钻机运转统计、区块钻机技术指标对比，多井井径、井斜、钻井液统计。固化项目、区块完成井KPI分析模板和算法，实现了单日成本、井深&机械钻速、单井工况时效，多井工况时效等部分关键KPI自动统计分析。3.3.4实时数据管理功能实时数据实现单井实时施工跟踪查看。包括工程参数、曲线、随钻测井数据、历史数据回放。3.3.5报表管理功能对各项工作进行多维度统计分析，定期统计并李兴财等：海外钻完井数字化技术研发与应用发布数据质量报告，同时支持各种标准规范及研究成果的发布管理，实现了中油国际生产运行报表及各项目部生产运行报表的自动生成导出。3.3.6电子井史功能根据尼日尔、乍得井史版本要求，定制了钻井井史自动生成模块。可自动提取现场日常采集数据，按照井史模板生成井史文件，截至目前已为尼日尔、乍得项目自动生成36 口井井史文档。3.3.7井控管理功能形成了以井控日常数据管理模块、井控装备管理模块、溢流信息收集模块、溢流压井计算模块、风险监测模块、井控突发事件应急指挥模块、钻完井井控技术支持模块为基础的井控综合管理平台，为各级单位领导专家在远程应急救援时直观把控井场设备布局、一一以尼日尔、乍得为例井口井控装备、井下实时钻具钻合和井身结构，快速制定应急抢险措施奠定基础。3.3.8技术支持功能远程专家利用音视频通信、移动应用等技术进行即时的技术支持，将缩短服务响应时间，提高支持协同效率，降低跑井风险；各级管理者利用移动端进行现场安全巡检，提高现场安全管控水平。3.3.9设计与优化功能通过系统数据库共享调用，技术专家可利用配套的WelIPlan、C O MP A S S 等专业软件，对重点的正钻井进行设计轨迹优化分析、实钻轨迹分析、摩阻扭矩分析、水力学分析等工作，可以有效规避潜在风险，实现钻井的提质提效。设计与优化功能流程如图9 所示。29钻头选型钻井参数优化设计钻井液参数优化设水力参数优化设计井眼轨迹优化设计钻柱力学优化设计摩阻扭矩计算钻柱强度校核钻柱屈曲分析泥浆性能优化设计固井施工优化设计套管扶正器设计套管强度设计下套管摩阻预测注水泥优化设计久平衡井设计专业分析模块井身结构设计设计/实钻4尼日尔、乍得海外钻完井数字化建设成果2021年，中油国际联合长城钻探、集团工程院在乍得、尼日尔开展钻完井数字化转型试点，开展了钻井现场数据采传和项目公司井筒数字化管理系统定制与部署工作。一年多来,项目组完成数据库建设，服务器部署，数据采传系统、井筒数字化管理系统研发，建成了乍得、尼日尔钻完井工程技术生产管理系统，大大推进了中石油海外项目的工程技术生产运行管理进程，迈出了海外项目数字化转型坚实的一步。截至目前，系统在尼日尔、乍得累计部署11支队伍，开通应用账户34个（尼日尔2 7 个、乍得7 个），成功采集、传输、存储、展示10 6 口井（乍得54口、尼日尔52 口)钻完井动静态数据，与中油国际总部EISC数据实时共享9 1口井，实现了现场-项目基地-北京总部一体化数据实时共享，提升了海外工井眼轨迹设计轨迹数据赫巴流变模型钻具组合设计集成应用层套管结构钻具数据数据接口数据调用卡森流体模型幂律流体模型图9 设计与优化功能流程程技术的远程支持、管理与决策能力。5结束语1)统一标准是海外钻完井数字化建设的基础。应做到统一数据采集标准、数据储存标准；统一定制标准化报表格式和井史格式；统一数据技术标准、管理标准；明确传输、接口协议和组网标准，钻完井行业技术标准，统一数据资源管理标准，统一资源类别目录标准。2)功能突出是系统生命的源泉。形成自动生成报表井史，自动生成展示可视化数据和图像，协助技术人员进行分析优化，远程井控管理等适用于海外应用场景的特色功能，减轻海外人员工作量和工作风险。3)保持业务开放设计是系统扩展的必要元素。系统提供对外接口与其他系统集成,能针对新(下转第37 页）钻井液设计钻井液数据金尼克模型固井设计.田涛等：油田井下作业可视化安全管控技术研究与应用速度，评估作业质量和施工进度。3开发了集视频和作业动态的井下作业安全生产管控系统，实现了视频监控与业务系统共享融合。井下作业安全生产管控平台，实现了施工井“作业设计、施工动态、队伍管理、可视化监控”一体化的作业全流程管控。施工作业动态视频监控图像抓拍、违章问题在线上报，对井控安全等重复性、严重性问题系统备案整改。视频监控界面设置了图像抓拍、违章问题在线上报功能。手持终端和PC端具有实时通信功能，远程监督与现场监督（作业队伍）可在线互动。4)通过“视频监控+井下作业可视化安全生产管控新模式，累计现场应用8 9 0 6 井次，检查出重复性问题及隐患同比下降10%，单井问题数从2.6 7 降至2.10，提升了井下作业监管水平。5)通过研究智能识别技术，减少了人工监控成本，并能实现全天候2 4h监控，极大地提高了监督效率。目前长庆油田约30 0 0 人的安全监督队伍，通过智能监控手段至少能削减5%的人员成本，全年节省费用约30 0 0 万元。通过监控智能化手段，为安全监督作业、检维修作业等提供了远程监督能力，有效减少车辆配属费用，按每天减少出车10 4次消减16 辆监督配属车辆算，日节约56 0 0 元，年节约成本2 0 4.4万元。6)可视化监控及视频智能分析代替了传统的人37工町防监控方式,缓解井下作业工作量大与监管人员短缺的矛盾，同时系统融合有效提升了安全管控人员信息感知能力。并充分发挥可视化监控的威慢作用，防控风险、降低损失，树立良好的企业形象。参考文献：1李琰.多媒体数据压缩算法研究与实现 .计算机产品与流通,2 0 18(2):118.2王志丹.多媒体数据压缩技术 .科技资讯,2 0 13(33):31.3廖宏越,赵蓝兰,周武章.流媒体协议的研究与实现 计算机与数字工程,2 0 0 7(4):10 6-10 8.4霍龙社,甘震.移动流媒体协议综述 .信息通信技术,2010,4(4):6-13.5毕海霞.一种适用于自组网的流媒体协议设计 .火控雷达技术,2 0 15,44(3):46-50.6姜晓辉,郭久武,王博,等.分布式集群处理环境平台软件技术研究 J.吉林大学学报(信息科学版),2 0 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