帶壓數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)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(jiǎn)稱川慶公司）在帶壓作業(yè)信息建設(shè)方面，初步完成帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工程、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，但并未搭建帶壓作業(yè)數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)，且對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用功能開發(fā)較少，無法有效支撐公司帶壓作業(yè)工程管理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此，有必要建設(shè)帶壓工作數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)，搭建帶壓作業(yè)數(shù)字化平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)開展帶壓數(shù)據(jù)應(yīng)用分析，實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)全過程的實(shí)時(shí)跟蹤、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)輔助決策、施工預(yù)警、遠(yuǎn)程技術(shù)支撐等功能，提高管理人員指揮效率，降低故障復(fù)雜發(fā)生率，以提升川慶鉆探帶壓作業(yè)信息化水平。

關(guān)鍵詞：帶壓作業(yè)；數(shù)字化；工作平臺(tái)；數(shù)據(jù)應(yīng)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(guī)資源邁進(jìn)，油氣勘探開采的難度和成本隨之增大，數(shù)字經(jīng)濟(jì)正開啟一次重大的時(shí)代轉(zhuǎn)型，新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革，促進(jìn)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，激發(fā)新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式。目前國(guó)內(nèi)各大油田、鉆探公司都在逐步向信息化轉(zhuǎn)型，紛紛開始了數(shù)字油田的研究與建設(shè)，利用信息化手段達(dá)到優(yōu)化工作流程、提高工程技術(shù)水平、降低事故復(fù)雜率的目的。川慶公司工程技術(shù)一體化平臺(tái)[1]已開展近兩年的帶壓作業(yè)工程數(shù)據(jù)采集，涵蓋了帶壓作業(yè)的工程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，但目前僅限于數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)[2]，帶壓數(shù)據(jù)應(yīng)用功能開發(fā)較少。對(duì)此，根據(jù)川慶公司信息化建設(shè)總體布局及帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，需要構(gòu)建帶壓數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)，搭建數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，開展帶壓作業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、施工預(yù)警、工程計(jì)算、遠(yuǎn)程支持等功能應(yīng)用，為川慶公司監(jiān)控技術(shù)支持中心提供技術(shù)支撐，提高管理人員的指揮決策效率，降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)施工故障復(fù)雜率，保障生產(chǎn)作業(yè)安全、高效。

二、帶壓數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)

（一）現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大多地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差，鋪設(shè)光纖電纜的有線組網(wǎng)方式存在成本大、容易遭到機(jī)械破損、鋪設(shè)于低空與地面的線纜管理麻煩等一系列問題。通過調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，在帶壓施工現(xiàn)場(chǎng)搭建無線網(wǎng)，采取無線路由器組網(wǎng)模式實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)更加便捷、穩(wěn)定、安全、高效。

井場(chǎng)的無線組網(wǎng)模式，具有以下三個(gè)特點(diǎn)[3]：

1.便捷的組網(wǎng)模式

首先這種組網(wǎng)模式無需更多配置，客戶端可根據(jù)SSID自動(dòng)匹配AP端/中心端，自動(dòng)選擇頻率及協(xié)議。其次是多協(xié)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(xié)議為數(shù)據(jù)保駕護(hù)航。此外，是虛擬AP，可根據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(cè)試，支持各網(wǎng)絡(luò)接口抓包功能。

2.多種技術(shù)保障傳輸?shù)姆€(wěn)定性

這種組網(wǎng)模式研究用到的關(guān)鍵技術(shù)有四個(gè)。第一是多信道抗干擾技術(shù)，采用無線擴(kuò)頻技術(shù)，更多可用信道，使用頻譜掃描技術(shù)，有效避免干擾。第二是Frame Aggregation幀聚合技術(shù)，多幀重組合發(fā)送，減少協(xié)議開銷，有效提高傳輸帶寬和減低數(shù)據(jù)延遲和丟包率。第三是Beam Forming波束成形，該技術(shù)可補(bǔ)償空間損耗、多徑效應(yīng)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(hù)技術(shù)，802.11標(biāo)準(zhǔn)提供了使用RTS/CTS協(xié)議保護(hù)傳輸免受其他設(shè)備傳輸?shù)母蓴_。幀保護(hù)有助于對(duì)抗“隱藏節(jié)點(diǎn)”問題。

3.多方式保障無線接入的安全

這種組網(wǎng)模式研究涉及接入認(rèn)證和數(shù)據(jù)認(rèn)證及過濾問題，其中包含以下七類協(xié)議。第一是私有協(xié)議，Nv2/Nstreme私有協(xié)議可避免其他設(shè)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(wǎng)絡(luò)VPN，支持創(chuàng)建IPsec、PPP、PPTP、SSTP、L2TP、OVPN。第六是端口保護(hù)，可啟用/禁用/修改端口服務(wù)，或允許指定網(wǎng)段訪問端口。第七是防火墻功能，IP地址過濾、病毒過濾，Layer7協(xié)議過濾。Web代理功能對(duì)http內(nèi)容進(jìn)行控制。例如，禁止訪問特定網(wǎng)站、文件下載、含有關(guān)鍵字符的網(wǎng)站。

（二）現(xiàn)場(chǎng)采集建設(shè)

1.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

為提升帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)感知度，科學(xué)地為帶壓施工提供完善的決策依據(jù)，提高帶壓作業(yè)遠(yuǎn)程支持、及時(shí)預(yù)警能力，現(xiàn)場(chǎng)安裝58項(xiàng)傳感器，實(shí)時(shí)采集施工所需工程、裝備數(shù)據(jù)，豐富帶壓作業(yè)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)項(xiàng)，精細(xì)化管理裝備數(shù)據(jù)，提高工程數(shù)據(jù)質(zhì)量，為智能施工決策提供重要依據(jù)（見表1）。

2.視頻數(shù)據(jù)采集

為快速查看施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，在施工現(xiàn)場(chǎng)前后場(chǎng)、重點(diǎn)施工部位安裝攝像頭，包括操作臺(tái)、上工作閘板防噴器、下工作閘板防噴器、固定卡瓦、井場(chǎng)前后場(chǎng)共計(jì)6個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，并存儲(chǔ)在本地，為事故快速響應(yīng)和施工規(guī)范性監(jiān)控提供重要數(shù)據(jù)支持。

3.作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)填報(bào)

為了實(shí)現(xiàn)各崗位及時(shí)匯報(bào)各自工作內(nèi)容和進(jìn)展，在各崗位配備智能手持終端8臺(tái)，利用手持機(jī)巡檢，自動(dòng)推送巡檢路線和巡檢內(nèi)容，清單式巡檢大幅提高自動(dòng)化采集水平，減少重復(fù)勞動(dòng)強(qiáng)度。通過RFID巡檢點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別、現(xiàn)場(chǎng)圖片實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)巡檢記錄無紙化、高效化。系統(tǒng)自動(dòng)推送、共享問題情況和處理情況，技術(shù)負(fù)責(zé)人確認(rèn)形成問題處理閉環(huán)管理。開工條件智能判斷，根據(jù)巡檢情況及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能分析，判斷是否符合開工條件，未處理問題自動(dòng)推送，提醒巡檢人員整改，避免遺漏導(dǎo)致故障發(fā)生，提高現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)操作能力。崗位巡檢路線自由組合，適應(yīng)試修隊(duì)伍作業(yè)不同井時(shí)，崗位、人員、設(shè)備種類和數(shù)量不同的情況。

三、帶壓數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)

（一）平臺(tái)架構(gòu)

本文根據(jù)帶壓作業(yè)數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，以分層設(shè)計(jì)[4]思想為基礎(chǔ)，提出帶壓專業(yè)數(shù)據(jù)管理集成融合機(jī)構(gòu)。層次化設(shè)計(jì)方法[5]是按照數(shù)據(jù)的流程，即自數(shù)據(jù)采集開始到數(shù)據(jù)應(yīng)用結(jié)束，將帶壓作業(yè)數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)架構(gòu)共分為數(shù)據(jù)采集層、集成層和應(yīng)用層3個(gè)層次，通過該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況動(dòng)態(tài)管理和應(yīng)用。

（二）平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

帶壓作業(yè)數(shù)字化平臺(tái)基于川慶一體化信息平臺(tái)開發(fā)建立，集數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警、遠(yuǎn)程技術(shù)支持與決策為一體，是信息技術(shù)與帶壓作業(yè)的最優(yōu)結(jié)合方案，也是大數(shù)據(jù)在帶壓作業(yè)中應(yīng)用的最新實(shí)踐，助力川慶公司實(shí)現(xiàn)降本增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)。帶壓作業(yè)監(jiān)控平臺(tái)功能模塊主要包括生產(chǎn)管理、工作平臺(tái)、裝備管理、井控管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、值班室、資料管理和隊(duì)伍管理八大功能模塊。確保施工全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為現(xiàn)場(chǎng)提供更多技術(shù)支撐，顯著提升現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率、風(fēng)險(xiǎn)管控能力，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)提速。

（三）平臺(tái)功能

1.生產(chǎn)管理

帶壓作業(yè)數(shù)字化平臺(tái)基于川慶一體化信息平臺(tái)開發(fā)建立，生產(chǎn)流程可以調(diào)用川慶一體化信息平臺(tái)數(shù)據(jù)，成功打通川慶公司內(nèi)部、跨處級(jí)單位生產(chǎn)流程管理通道，實(shí)現(xiàn)要車、要料等生產(chǎn)組織活動(dòng)線上進(jìn)行，確保生產(chǎn)要素信息全程跟蹤，組織過程留痕。同時(shí)，開發(fā)配套手機(jī)審核功能，為節(jié)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(shí)導(dǎo)致的生產(chǎn)滯后等問題。通過車輛動(dòng)態(tài)模塊全程掌握車、料物流信息，生產(chǎn)運(yùn)行更加高效，提高了協(xié)同能力。

2.工作平臺(tái)

建立了一套以“數(shù)據(jù)”驅(qū)動(dòng)工作流程的現(xiàn)場(chǎng)工作模式，搭建工程師工作平臺(tái)，增強(qiáng)工程師對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的感知度，及時(shí)獲取預(yù)警提示，指導(dǎo)工程師更好地進(jìn)行下一步工作。與EISC專家、主操手聯(lián)動(dòng)，快速科學(xué)地制定措施，形成決策，推進(jìn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理，保證作業(yè)安全受控。

（1）管鞋實(shí)時(shí)深度計(jì)算。通過液缸行程傳感器采集數(shù)據(jù)，結(jié)合算法，實(shí)時(shí)計(jì)算管鞋深度。結(jié)合入井單根記錄，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管鞋深度校核功能，方便現(xiàn)場(chǎng)校核。實(shí)時(shí)工況判斷，結(jié)合管鞋深度數(shù)據(jù)，自動(dòng)判別起鉆、下鉆工況。

（2）井口冰堵自動(dòng)判斷。通過傳感器實(shí)時(shí)采集的井口溫度，集成水合物生成臨界溫度算法，結(jié)合實(shí)時(shí)井口壓力數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前井口壓力下的水合物生成臨界溫度，準(zhǔn)確判斷井口水合物生成情況，避免井口冰堵造成故障復(fù)雜發(fā)生。

（3）動(dòng)態(tài)模擬。實(shí)時(shí)計(jì)算管鞋深度，結(jié)合管鞋實(shí)時(shí)深度、井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和管柱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示管柱下入動(dòng)態(tài)，動(dòng)態(tài)模擬管柱在井筒中下入的全過程，展示造斜點(diǎn)、最大井斜角、最大井斜角位置等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。方便現(xiàn)場(chǎng)施工在管柱下入關(guān)鍵井段時(shí)觀察管柱通過情況，避免發(fā)生故障復(fù)雜。

（4）試坐掛/完井后坐掛可視化。對(duì)試坐掛和完井后坐掛全過程實(shí)現(xiàn)可視化，技術(shù)負(fù)責(zé)人和EISC專家在電腦上或手持機(jī)上均可以直觀看到油管掛從井口到特殊四通移動(dòng)、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(shù)負(fù)責(zé)人在指揮過程中直觀掌握坐掛全過程，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施工、科學(xué)施工、高效施工、安全施工。

（5）工程計(jì)算。集成中和點(diǎn)、安全無支撐腿長(zhǎng)度、上頂力、摩擦力、最大下壓力等計(jì)算公式，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和管柱參數(shù)，自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算各參數(shù)控制值，為工程師在井口壓力發(fā)生變化的情況下，對(duì)快速?zèng)Q策各參數(shù)值調(diào)整提供支撐。集成卡點(diǎn)計(jì)算算法，管柱數(shù)據(jù)自動(dòng)提取，根據(jù)每次的上提拉力和上提長(zhǎng)度，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算卡點(diǎn)位置，為工程師處理卡鉆事故，提供支撐。

（6）預(yù)警提示。結(jié)合帶壓施工設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工程計(jì)算，融合“工程計(jì)算預(yù)警、閾限值設(shè)定、人工確認(rèn)”方式，開發(fā)預(yù)警模塊，建立13項(xiàng)診斷報(bào)警和提示，對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷，將人工提醒風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的低效模式轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警推送，為現(xiàn)場(chǎng)安全施工保駕護(hù)航，有效降低作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)事故復(fù)雜率。預(yù)警項(xiàng)目包括：遇阻遇卡、液缸舉升高度、下管柱操作方式、操作聯(lián)鎖預(yù)警、最大舉升力、最大下壓力、動(dòng)力源氣源壓力、動(dòng)力源先導(dǎo)油壓力、中和點(diǎn)卡瓦幅數(shù)預(yù)警。提示項(xiàng)目包括：中和點(diǎn)、套管A點(diǎn)、最大井斜角井深、造斜點(diǎn)。預(yù)警提示直達(dá)操作臺(tái)：操作臺(tái)增加擴(kuò)音器，預(yù)警提示直達(dá)主操作手，提前預(yù)警，減少施工作業(yè)復(fù)雜度。

（7）井控工藝。實(shí)現(xiàn)精細(xì)化井控管理，實(shí)時(shí)掌握帶壓作業(yè)機(jī)、工作防噴器、安全防噴器、節(jié)流管匯、壓井管匯開關(guān)狀態(tài)及試壓情況，遠(yuǎn)控房、動(dòng)力源壓力，壓井液儲(chǔ)備等數(shù)據(jù)，全面井控管理活動(dòng)，提高現(xiàn)場(chǎng)井控管控水平。

（8）歷史作業(yè)情況。快捷查詢作業(yè)井前期試油、壓裂、地面測(cè)試作業(yè)情況，通過關(guān)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(cè)試作業(yè)的氣產(chǎn)量、排液情況。便于工程師快速了解作業(yè)井歷史作業(yè)和當(dāng)前地面測(cè)試隊(duì)的作業(yè)情況。

3.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器和采集器所收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中展示，數(shù)字化管理多項(xiàng)工程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、裝備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使現(xiàn)場(chǎng)情況更清楚明了。集成地面測(cè)試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，方便掌握當(dāng)前地面測(cè)試的作業(yè)情況，查詢帶壓作業(yè)和地面測(cè)試的歷史數(shù)據(jù)、其他井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（見圖1）。

4.井控管理

以動(dòng)畫形式，實(shí)時(shí)掌握帶壓作業(yè)機(jī)、工作防噴器、安全防噴器、節(jié)流管匯、壓井管匯開關(guān)狀態(tài)及試壓情況，遠(yuǎn)控房、動(dòng)力源壓力，壓井液儲(chǔ)備等數(shù)據(jù)，全面井控管理活動(dòng)，提高現(xiàn)場(chǎng)井控管控水平。

5.裝備管理

基于EISS已建立設(shè)備管理系統(tǒng)，開展設(shè)備從建檔、運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)保養(yǎng)、檢測(cè)、檢查、調(diào)撥、修理、更新、改造直至報(bào)廢的全生命周期管理，包括設(shè)備信息查詢、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)管理、設(shè)備調(diào)撥流程管理、設(shè)備檢查、設(shè)備維修流程管理、設(shè)備檢查管理。

6.資料管理

真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)資料減負(fù)。作業(yè)信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集和共享，減少現(xiàn)場(chǎng)資料重復(fù)填報(bào)，各崗位一次填報(bào)，自動(dòng)生成時(shí)效表、各類統(tǒng)計(jì)分析等生產(chǎn)、工程、裝備、安全等各部門的資料報(bào)表，以及作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)基礎(chǔ)資料，減小作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各崗位的資料填報(bào)工作量，實(shí)現(xiàn)資料填報(bào)減負(fù)，提升一線員工的工作效率。

7.隊(duì)伍管理

從五個(gè)方面進(jìn)行隊(duì)伍管理：第一，黨建信息。管理黨支部基本情況、優(yōu)秀共產(chǎn)黨員、近期黨建工作等黨建方面的信息。第二，人員基礎(chǔ)信息。管理隊(duì)伍的概況、本隊(duì)行政班人員、本隊(duì)生產(chǎn)班人員、相關(guān)方人員等隊(duì)伍的基礎(chǔ)信息。第三，人員證件信息。管理本隊(duì)人員的各類證件信息，實(shí)現(xiàn)隊(duì)伍人員證件的動(dòng)態(tài)管理和查閱，具備證件到期預(yù)警功能，合理安排人員取證，時(shí)刻了解隊(duì)伍人員動(dòng)態(tài)。第四，人員排班。對(duì)本隊(duì)行政班、本隊(duì)生產(chǎn)班人員進(jìn)行排班管理，詳細(xì)職責(zé)落實(shí)到具體人員，管理更加清晰。第五，構(gòu)建試修公司人員庫。試修作業(yè)人員變動(dòng)很大，調(diào)動(dòng)頻繁，建立試修公司人員庫，人員調(diào)動(dòng)修改自動(dòng)關(guān)聯(lián)（確保人員只在一個(gè)隊(duì)出現(xiàn)），并提示管理人員進(jìn)行設(shè)備巡檢等調(diào)整。

四、結(jié)語

目前，川慶公司已打造一支專業(yè)帶壓數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)隊(duì)伍，帶壓作業(yè)數(shù)字化平臺(tái)也已在川慶公司上線試運(yùn)行，各功能模塊運(yùn)行正常，應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了井筒全生命周期狀態(tài)可控可查，大前方，小后方的數(shù)字化業(yè)務(wù)模式為現(xiàn)場(chǎng)施工提供高效遠(yuǎn)程技術(shù)支撐，保障了施工作業(yè)安全高效進(jìn)行，大幅提升了帶壓作業(yè)數(shù)字化程度，為川慶公司信息化水平的全面提高提供助力。

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責(zé)任編輯：張津平