基于物聯網的鉆井遠程支持系統應用現狀及發展方向

葛云華 周 波 張彥龍

（中國石油集團工程技術研究院有限公司規劃與支持研究所）

“深、低、海、非”是油氣儲量與產量新的增長點，隨著新增油氣資源品質不斷劣化，迫使油公司大量采用超深井、長水平井、叢式井、大位移井等更為復雜的井以提高開發效果。鉆井是認識油氣層、建成油氣產能的核心環節，鉆井投資占油氣上游投資的50%以上。針對復雜井風險高、施工難度大、周期長、能勝任設計施工的專家有限等難題，亟待通過技術革新助推鉆井工程提質提效。大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術正在深刻影響著世界油氣工業發展，成為油氣行業持續提質降本增效的有效途徑和必由之路[1-3]。緊緊把握這一發展趨勢，順應發展潮流，抓住發展機遇，實現傳統行業轉型升級，是建設新型服務型企業的必由之路。

1 RTOC核心要素

鉆井遠程支持系統（Real Time Operation Center，簡稱 RTOC）是利用物聯網技術，將現場作業數據實時傳輸到作業中心，通過中心多學科專家團隊監測診斷分析，前后方協同，實現對現場作業的實時監測、預警與優化，大幅減少作業風險，提高作業效率。該系統為專家提供了一個從工程設計、實時施工優化到效果評估一體化的協同作業平臺，可實現對來自多個數據源的鉆井和完井等數據的全面捕捉、查看和分析，通過對數據流實時統計計算，可警告存在的潛在問題、輔助指導運營決策、基于情景適時啟動工作流，減少非生產時間，降低作業風險和綜合成本[4-9]。其核心要素主要包括數據、技術、人員3個部分。

數據是遠程支持系統運行的基礎、科學決策的依據[10]。從鉆井遠程支持系統監測、預警和分析優化等應用出發，在鉆井作業過程中提供鉆前優化、鉆中監測預警、鉆后分析評估，不同業務應用階段配套共享相應的數據。其中，鉆前，根據目標井所屬區塊，從油田獲取地震體、地層剖面、地質解釋成果、鄰井測井解釋成果，開展地學和壓力建模；從鉆探公司獲取鄰井井史、錄井、試油成果，開展工程建模。鉆進過程中，從儀器自動截取實時數據，從工程技術企業獲取靜態數據，從井場監控視頻庫共享監控視頻信息，開展關鍵節點操作分析、回顧和實鉆分析與方案優化；鉆后，共享工程技術總結、鉆井液技術總結、固井施工總結、定向井施工總結和井史等資料，開展作業施工質量、效率和投資回報率分析（圖1）。

技術是共享服務的手段，鉆井遠程支持系統技術主要集中在數據共享平臺、專業計算軟件和音視頻交互等。得益于計算機、高性能圖形工作站、物聯網、大數據、云計算等技術的快速發展，該系統實現了由以工程監測與生產管理為主向以風險管控、作業優化、實時決策支持為主的升級轉變，最大限度挖掘作業潛力和專家作用，實現對生產業務的支持[11]。

人員是鉆井遠程支持系統運行的核心，各業務領域專業人員通過對數據分析、應用，實現不同專業、不同區域的協同作業，達到資源優化配置。為保障系統正常運行，并有效執行生產活動監測、異常情況預警、復雜事故應急支持等職能任務，需要配備生產值班人員、重點井監測人員、分專業技術支持人員、重大事故應急支持資深專家和IT支持人員。鉆井遠程支持系統充分共享專家資源，專家由現場作業指導轉變為后方遠程技術支持，遠程支持模式由單人單井、多人單井轉變為單人多井、多人多井。

圖1 鉆井遠程支持系統數據采集、傳輸、輸出示意圖

2 RTOC國外最佳實踐

國外遠程作業支持中心建設始于20世紀80年代，經過十幾年的發展，殼牌、哈里伯頓、斯倫貝謝等國際油公司、服務公司紛紛開始建設集工程數據采集、信息傳輸、數據管理、工程設計、施工監測和生產指揮于一體的工程技術信息遠程傳輸與專家診斷系統，支撐了復雜井筒條件和復雜作業環境下的工程作業。到21世紀初，隨著隨鉆測量、信息采集、網絡通信和應用軟件技術的不斷進步，先后建成集鉆前設計、鉆中監測、鉆中優化、鉆后評估、遠程決策指揮、模擬培訓于一體的共享、實時、優化、協同工作平臺。目前，正在向智能遠程實時決策指揮和跨學科跨平臺決策發展，成為提供咨詢服務的有效手段。

殼牌公司自2002年起先后在北美、亞洲、歐洲等地區建成6個鉆井自動化和遠程技術中心（Drilling Automation and Remote Technology，簡稱DART）。采用統一的標準、流程、規則及協議，所有的技術專家可以在一個中心支持殼牌全球鉆探工作，可同時遠程協同管理多個鉆井平臺，實現鉆前設計、分析預測、全天候監控優化等，在深水和頁巖氣領域取得了很好的應用效果。

斯倫貝謝公司在全球建立了38個作業支持中心（Operation Support Center，簡稱OSC），部署于各地區的中心位置，為該地區提供技術支持。OSC實現了鉆井數據實時監測、跨專業協同工作和遠程作業管理，優化了鉆井作業流程，降低了安全風險。

哈里伯頓公司在全球建立了約50個鉆井遠程支持系統，集成實時數據、計算機技術和運行工作流程，實現對生產過程的遠程監測、支持與控制（圖2），在降低非生產時間、延長鉆頭壽命及縮減現場人力資源投入等方面取得了很大成績[12-15]。

BP、道達爾、威德福、國民油井華高等國際油公司和服務公司均在研究開發更加智能的新一代鉆井遠程支持系統，以更好地支持自動化鉆井，進一步推動鉆井智能化。

國外公司鉆井遠程支持系統建設呈現幾大特點[16-17]：一是構建統一的資源平臺，全球范圍內實現共享，如哈里伯頓公司在美國休斯敦建設了總部級鉆井遠程支持中心，作為公司統一共享資源平臺，負責支持美國本土和墨西哥灣作業項目，其他地區級遠程支持中心分布在全球作業區域，支持所在區域的現場作業，各司其職，當地區級遠程支持中心遇到解決不了的問題時，可申請總部級遠程支持中心給予技術咨詢和支持，充分發揮公司統一共享資源平臺的作用；二是組建穩定的多學科專家團隊，集中利用專家智慧，為每一個作業項目提供遠程技術支持；三是建設強大的專家知識庫，實現遠程實時決策指揮、跨學科跨平臺決策；四是建立了多學科專家團隊高效、協同工作流程，規范每個專家的工作任務目標，保障一體化解決方案的快速制訂；五是注重技術支持和決策支持軟件功能開發，滿足油公司和油服公司不同的服務需求。

圖2 哈里伯頓公司完全互聯的建井作業示意圖（據哈里伯頓網站）

3 中國石油RTOC建設進展與應用實踐

3.1 系統部署進展

中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中國石油）自2014年起開始建設基于工程技術物聯網的多級遠程技術支持中心，以實現多專業協同的統一工作平臺，打通前后方協同的統一工作流程，共同保障生產安全，提高施工質量和作業效率（圖3）。

圖3 RTOC總體架構圖

目前中國石油共建有鉆井遠程支持中心39個，其中集團總部1個、局級7個、處級28個、項目部級3個，覆蓋16家油氣田2482支物探、鉆井、錄井、測井、井下作業隊伍。其中，集團總部主要開展遠程支持系統的建設規劃研究、功能搭建完善、重點井監測、典型井分析、應急技術支持、三級RTOC巡檢、數據質量考核，配備全套工作流程；局級中心、中國石油集團長城鉆探工程有限公司（簡稱長城鉆探）和中國石油集團川慶鉆探工程有限公司（簡稱川慶鉆探）RTOC以生產調度為主、應急遠程指揮為輔；中國石油集團西部鉆探工程有限公司（簡稱西部鉆探）和中國石油集團渤海鉆探工程有限公司（簡稱渤海鉆探）以生產指揮為主、復雜井支持為輔，配備全套工作流程；中國石油集團測井有限公司（簡稱中油測井）和中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司（簡稱東方物探）以生產指揮為主，配套日常監督管理。

3.2 典型應用實踐

集團總部：充分利用遠程監控指揮中心增強生產技術安全支持和管理能力。集團總部鉆井遠程支持中心對中國石油集團油田技術服務有限公司（簡稱中油油服）下達的約70口重點井實行監測，利用大數據預警軟件和閾值報警模塊實現25種工況監測與預警，對現場工程異常情況進行處置和及時提醒。

長城鉆探：監控覆蓋遼河油區、長慶油區、四川頁巖氣項目，截至2019年3月，累計監測到異常情況575次，平均1.5次/d。管理者通過鉆井遠程支持中心監控室和手機APP客戶端可監測掌握各施工井隊的實時曲線和靜態數據，有效地提高了生產時效、降低了事故復雜率。

西部鉆探：實現了對新疆瑪湖、青海獅子溝、新疆塔里木、四川長寧頁巖氣等重點區塊130口井現場作業的實時監控，利用鉆井遠程支持中心監控現場鉆井風險，優化參數措施，及時向現場提供遠程技術指導。

川慶鉆探：實現井控預警及處置功能，截至2019年3月，監控中心累計啟動井控突發事件應急預案Ⅱ級響應4次，指導處級單位Ⅲ級井控突發事件處置12次，進行井控突發事件應急演練4次。

中國石油鉆井遠程支持中心建設應用總體起步較晚，雖已實現區域部署，在實時監測、生產運行管理方面發揮了一定作用，但與國外公司相比，在構建統一的共享資源平臺、建設穩定的多學科專家團隊等方面還有較大差距，技術層面上還存在數據質控、數據融合、工程建模等諸多難題亟待解決。未來集團公司鉆井遠程支持中心應是一個擁有功能強大的知識庫（數據庫）和專業應用軟件，集地質、工程、經濟評價等多專業多學科且實踐經驗豐富的專家于一體，各鉆井遠程支持中心之間既有分工、又相互協作互動的一體化遠程作業支持與決策平臺。

平臺統一設計、分級建設、分工協作，其中總部鉆井遠程支持中心側重知識庫和專業應用軟件建設，側重集團公司級鉆井遠程支持中心多學科專家團隊建設，形成集團公司集中統一共享的資源平臺，并對集團公司重點勘探區、重點建產區和老油田重點試驗區的重點井實施監測與決策優化支持；地區公司鉆井遠程支持中心按照局處兩級建設，其中局級鉆井遠程支持中心側重本公司生產運行管理和重點項目、重點井的監測，處級鉆井遠程支持中心主要負責本作業區現場作業數據采集與監測。集團公司鉆井遠程支持中心實現三級聯動，網絡穩定暢通、數據實時共享、前后方實時互動，集中利用專家智慧和強大的知識庫，跨學科跨平臺決策指揮，最大限度共享集團公司資源。通過鉆井遠程支持中心的建設和實施，促進現場施工由傳統作業方式向實時作業方式轉變，顯著提升施工動態的實時掌控能力、作業風險的分析預判能力、多專業專家協同作業遠程支持能力、現場安全的管理控制能力、突發事件的應急處置能力、經驗智慧的積累傳承能力。

4 RTOC發展方向

伴隨大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術的快速發展，鉆井遠程支持系統將向著“全面感知、自動操控、預測趨勢、優化決策”持續發展，具體體現在如下方面[18-21]：

（1）沉浸式數字化仿真。為進一步提高區塊優化和生產運行效率，油氣領域的領先企業在物聯網、云計算、移動應用、自動化和智能分析5項關鍵技術方面逐步推進應用。在此基礎上，借助數字孿生、3D可視化建模、AR/VR技術的快速發展，創造身臨其境的數字業務環境，實現全面感知，建立企業生產運行操作流程的新模式。

（2）自動化鉆井?；诰W絡信息通信技術、自動控制技術和全方位視頻監控的遠程司鉆技術，可隨著不確定環境、地面和井下數據的變化實時調整司鉆參數，并進行自動送鉆。

（3）在線預警及診斷。基于振動測試、計算機信息等技術和故障模式識別理論來實現對井場機械系統的檢測與診斷，規避設備故障停鉆帶來的重大經濟損失甚至是重大事故。

（4）地質工程一體化。從地質、力學和工具的相互關系出發，通過大數據手段分析、評估、預測井下工程變化情況，結合地質和工具的實時監測結果反向預測工程變化趨勢，最終實現鉆完井工程技術核心要素動態互補監視與預測。

5 認識與建議

（1）正如現代醫學對病人的診斷由傳統的“一對一”模式向遠程專家“多對一”“多對多”會診轉變一樣，通過建立物聯網遠程作業支持中心，實現業務專家對現場問題的會診決策，是油氣工程技術物聯網發展的必然產物，將有力地助推鉆井工程技術服務業務和支持模式轉型升級。

（2）國內遠程作業支持中心建設起步晚，在網絡環境、數據鏈路建設、專家到位情況、專業軟件和數據庫系統建設等方面與國外相比還有較大差距。通過“業務主導、信息支撐、以用促建”的工作理念，目前中國石油鉆井遠程支持中心建設應用在現場監測、早期預警及異常處理等方面，對生產安全和提速提效業務上取得了明顯成效，建議有關部門堅持這種行之有效的工作方式，加大鉆井遠程支持中心實體化運作力度，使其建設與應用常態化。

（3）隨著深井、水平井增多，工程復雜程度和不確定因素增多，單純從工程角度解決諸如探區地層壓力預測、關鍵層位跟蹤卡層、水平井井軌跡導向和分層分段精準壓裂等關鍵工程問題面臨著較大困難，需要工程及地質專家共同研究提出優化解決方案，規避作業風險。打造集地質工程數據成果于一體的地質工程專家協同工作的鉆井遠程支持中心，實現由以工程監測與生產管理為主向以風險管控、作業優化、實時決策支持為主的升級轉變，最大限度挖掘作業潛力和專家作用，將是中國石油鉆井遠程支持中心下步建設的重要方向。

（4）工程技術物聯網需要穩定的網絡條件保障，建議油田公司加快油田網絡條件建設，為工程技術物聯網的推進創造有利條件。