修井作業現場數字化轉型需求研究

摘要：近年來川慶公司鉆井作業數字化轉型持續投入，修井作業還未進行數字化轉型，主要表現在修井作業工程技術等基礎資料仍然采用原始手工記錄、現場工程參數依靠人工記錄、工程參數實時模擬和計算主要依靠人員經驗。但是數字化轉型在提高現場作業安全性和作業現場效率中發揮著越來越重要的作用，故需開展修井作業數字化轉型需求研究，進一步加快川慶公司修井作業數字化轉型的進度，真正實現生產業務數字化，全面提高公司的核心競爭力，為油氣生產提供數據保障。

關鍵詞：修井作業；數字化轉型；需求研究

一、前言

21世紀初加拿大首先建立了全國修井作業的基礎數據庫，在此基礎上研發了井下作業遠程專家決策系統。通過互聯網將井參數、井筒狀況、設備運轉情況遠傳至管理平臺，一方面現場可以隨時獲取遠程專家的技術支持，另一方面管理層可隨時監督修井過程，高效決策。目前國際上越來越多的油服公司已建成大數據自動采集、分析、遠程控制系統，建成了數十個井下作業遠程支持決策中心，大幅提高作業安全性和作業現場效率，加強了企業的核心競爭力。但國內油田和油服企業開展數字化建設仍處于起步階段，目前國內川慶公司走在數字化油田建設前列，成功打造了國內首支數字化鉆井隊。對鉆井作業管理上的數字化改造，建立了EISC井場版，通過豐富的應用模塊，從生產運行、工程管理、井控管理、裝備管理、資料減負等方面打造出全新的數字化工作模式，但是修井作業還未進行數字化轉型，故本文重點開展修井作業數字化轉型需求研究[1]。

二、業務需求研究

系統目標用戶包括試修公司修井專家、前后方生產組織人員、現場設備管理人員、HSE管理人員、數據管理及監督人員。現場崗位人員包括帶隊領導、技術干部、生產班組人員。不同崗位的用戶對系統的需求各不相同，用戶及需求描述見表1。

（一）業務需求

針對修井業務和試修公司交流確定修井業務流程，構成如下修井業務架構，見表2。

1.作業前階段業務需求

在修井作業前需要接收修井作業施工任務，生產運行部將任務下派給試修公司，再由試修公司將作業任務下派給作業隊。

（1）修井工程設計

由甲方下達修井工程設計指令，設計中心按照要求進行修井工程設計。

（2）現場辦公

由甲方組織施工相關方人員一同前往井場開展現場聯合辦公，主要討論落實施工時間工作進度安排、現場勘查情況（管匯走向、設備安裝等）、材料準備情況（調油管、壓井液、井下工具、采油樹等）、人員安排等注意事項。

（3）現場準備

作業現場進行安全、技術交底，并成立現場安全領導小組。施工作業前制定安全應急預案及本井修井作業的特殊要求。清點準備施工所需的主設備、輔助設備、應急設備，進行作業主機的檢查、維護，井口裝置的檢查、地面流程的準備、管材及井下工具的準備、環空準備。人員在入場前必須穿戴好勞保用品，作業前辦理作業許可。之后在井場進行前期設備的擺放、接電、轉水等準備工作[2]。

（4）井場布置

根據現場準備情況，繪制井場二維井場布置圖和地面管匯連接圖，用于指導現場施工。

（5）開工驗收

完成所有準備工作后，由試修公司根據西南油氣田井下作業開工井控驗收申請書提出開工驗收申請，甲方組織開工驗收，若滿足條件，則出具開工井控批準書；若不滿足開工條件，則整改后再由試修公司提出開工申請，驗收合格后開工。

2.施工階段業務需求

修井施工階段主要進行修井施工作業并掌握發生的工程參數。

（1）井筒準備

現場準備就緒后，進入井筒準備階段，根據作業井實際情況進行泄壓、觀察、壓井、換裝井口、起原井管柱、通井、刮削、輔助等井筒準備工作，需要掌握的工程參數包括出口情況、井口壓力、壓井液性能、壓井液數量、管柱下深、管柱速度等。

（2）起下管柱作業

根據修井工程設計和井筒實際情況進行打撈、磨銑、射孔、起下工具等修井工作，在施工作業過程中特別需要掌握起下管柱數據（設備深度、懸重、起管柱速度）、起管柱曲線（含設備深度、懸重、起管柱速度信息），以及預警提示：遇阻卡預警（遇阻卡噸位、遇阻卡井段）、起下管柱速度的控制；提前提示（對具體操作人員）：提示大井斜、特殊井段（回接筒、喇叭口、射孔井段等位置）。

（3）酸化作業

在修井結束后進行增產作業時需要實時掌握酸化施工曲線和數據，并將相關工程計算進行實時展示，設備數據需要掌握主壓車、泵酸裝置和液位的實時數據，同時需要關注鄰井壓力變化、監測B/C環空油套壓、管柱受力情況，進行施工預警和施工提示[3]。

（4）排液測試

排液測試過程中需要掌握油壓、溫度、套壓、B環空壓力、C環空壓力、氣級節流壓力和溫度、分離器壓力、分離器液位、流量計參數、氣產量、排液量等工程數據，進行分離器超壓預警和智能圖像識別（高壓區刺漏預警、火焰高度自動監測、燃燒池外植被引燃預警、排液口竄氣監測）。

（5）封閉作業

封閉過程中需要掌握懸重、注水泥塞管柱深度、橋塞管柱深度、下橋塞速度、配漿量、密度、灌漿量、注入量、頂替量、泵壓、排量、反洗井深度及用液量等參數。

3.完井階段

完井階段主要進行資料上交和資料結算等工作。

（二）功能需求研究

依據業務需求，功能需求涉及修井現場物聯網的搭建、生產運行、裝備管理、修井平臺數字化遠程支持中心、三維井場、系統平臺的搭建等，支持多單位用戶多設置需求、統一的支持多種終端的用戶訪問入口需求、移動化需求、現場網絡功能需求、數據管理需求和集成需求。

1.現場物聯網建設需求

在現場進行物聯網建設，主要增加現場無線局域組網、現場增加傳感器采集工程數據項，安裝監控出口、井場、井口、鉆臺的視頻，如圖1所示。

（1）井場信息化采用多種組網方式：有線局域網（通過網線等）、無線局域網（Wi-Fi等），同時提供測井、井下等非主體作業的熱點接入。例如，根據井場的實際情況，井場現場采用Wi-Fi無線組網方式實現從各類儀器與傳感設備到井場一體化采集器內的數據傳輸，可以建成修井現場數據多點匯入，穩定遠傳的井場網絡通信匯聚傳輸中心。

（2）遠傳網絡支持各類廣域接入方式：包括衛星、鐵塔微波、3G、LTE、光纖傳輸、MSTP、ADSL等。因此，要求出口路由器具備各類豐富的業務接口，可適應各類業務接入。井場各類出口路由器可根據各井場情況部署，并能支持網絡的動態調節，臨時調配某個井場區域的網絡帶寬。

2.裝備管理需求

通過現有技術手段對裝備相關的實時數據進行采集，包括提升系統、節控箱、儲備罐、循環罐、高低壓管匯閥門狀態等實時數據。

3.修井數字化決策中心需求

相關專家通過系統的實時監控、工程預警發現工程異常問題，利用應用平臺進行診斷分析、參數優化，組織專家會診，提供現場技術保障，輔助生產決策。

（1）即時通信

業務需求：前后方交互的即時通信工具，具有實時的專家在線答疑功能。

功能需求：技術支持。

功能模塊：專家通訊錄、案例推送、消息提醒、討論組、即時協同、案例知識。

功能描述：通過專家通訊錄，建立討論組或直接和專家進行即時通信共同制定解決方案。案例知識上傳后，將消息推送給相關人員，通過討論組、即時通信工具與現場或后方專家溝通，共同制定解決方案。

參與崗位：現場作業人員、技術專家。

（2）音視頻交互

功能需求：視頻會議、語音通話，重大施工應急指揮。

功能描述：在生產過程中，作業人員可以利用移動設備對現場作業情況以視頻的形式回傳給支持中心，能夠利用通訊錄發起遠程協助請求，與支持中心、專家、管理人員等建立實時智能連接，獲取對方推送的語音消息、文字消息、標注等信息，在遠程協助指導下解決現場作業難題。修井隊可以作為管理端實時監控與直播作業隊現場工作情況，能夠接收現場發送的遠程協助請求，可以通過語音、文字、圖形標注等形式協助現場工作人員解決問題。作業公司對現場回傳的所有視頻文件與交互過程進行存儲和歸檔管理，形成知識庫，用于其他地方的知識共享和歷史文檔查閱。

功能實現：依靠作業現場局域網，集成視頻監控系統、即時通信與視頻會議系統。在服務器上部署數據采集傳輸存儲系統與現場應用。

參與崗位：前端技術人員、技術專家、后方管理人員。

（3）融合通信系統

通過融合通信系統實現現場技術人員與遠程支持中心利用防爆手持終端進行可視化對講。

遠程支持中心專家實時遠程查看現場人員作業情況，并對現場作業人員的作業過程進行實時的語音指導、指揮。

現場技術人員的防爆手持終端融合接入視頻會議系統，使參會人員也可通過會議系統實時監督現場人員作業情況，并進行遠程指揮。

4.三維井場

需要開展修井隊工程技術、生產運行、設備管理和安全環保數字信息設備的數據接口的開發工作，并建立數字修井隊孿生展示平臺，實現修井作業現場數字化、可視化，提升作業現場管控能力。在虛擬世界中搭建井場布局、井場主體設備的3D模型，有助于提高井場的把控能力，更加直觀有效地實現井場設備、工程、安全的監控與管理。

5.系統搭建

在上述現場改造和完善后，開發系統平臺，納入所有現場工作人員在平臺上開展工作，并進行相應數據管理。建設模塊主要包括數字井場、生產管理、工作平臺、裝備管理、HSE、資料管理、實時數據和隊伍管理。

（1）數字井場：主要利用3D建模等技術，真實再現井場布局與周邊環境，集成實時參數和關鍵位置視頻監控，多維度展示現場工作狀態，可遠程實時掌握現場實際情況，包括現場作業車、高壓管匯、設備等三維模型構建，展示設備運行狀態。

（2）生產管理：生產組織實行流程管理，訂單式保障，組織過程留痕，考核精準透明，物資配送更加有序，生產組停自動預警，生產運行更加高效[4]。

（3）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[5]。

（4）裝備管理：基于EISS已建立的設備管理系統，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。

（5）井控管理進行井控資料和井控設備管理。井控資料包括演習記錄、檢查保養記錄、井控領導小組和應急預案。

（6）HSE管理主要為智能辨別系統、環境監理和HSE資料庫。

（7）資料管理主要是匯總各類資料，包括工程和生產資料、設備資料、HSE資料和隊伍資料。

（8）實時數據為集中展示工程數據、裝備數據和視頻數據。

（9）隊伍管理主要包括黨建信息、隊伍信息和生產小秘書等功能。

6.數據管理需求

系統的數據管理需以數據源頭為切入點，建立完善的數據標準化體系、科學的運維保障體系，從而達到數據質量控制的目的，保障入庫數據質量。具體需滿足以下功能需求：

（1）具備流量負載的反饋控制能力，尤其是對于實時數據，需要根據數據特點進行過濾及抽取，兼顧數據質量和網絡流量。

（2）完備的數據質控功能，完善的數據資產質量、使用、申請及發布等管控功能，即時生效的離線數據處理及數據斷點續傳功能。

（3）良好的、可擴展的數據服務架構，實時數據、結構化數據以及文檔數據需要分拆成基礎的數據單元，終極目標為分解成原始數據。

（4）多種手段保證數據服務接口的安全訪問機制，根據數據服務接口種類的不同，區分不同的安全訪問手段（用戶令牌、安全簽名等）。

（5）保證數據服務接口的一貫性，確保其使用者（調用數據服務的應用）不受系統內部調整的影響。數據服務接口必須保證單向輸出，確保數據使用者只能讀取，保證系統內數據不受使用者影響（即服務者與使用者只有單向數據服務，且互不影響）。

（6）數據服務質量統計分析及靈活調整，具有數據服務的用戶群體、訪問頻度、數據準確率等情況的統計分析功能，根據相應的數據服務情況可以靈活進行數據服務調整。

7.集成需求

系統需滿足下列集成需求：

（1）快捷集成。成熟的專業軟件僅需最少的改造即可集成到平臺上，即專業軟件仍是一個有機整體，只需增加少量與系統通信的接口，包括數據接口、消息接口等。

（2）多樣化集成。系統需支持不同平臺、不同開發語言、不同部署方式的專業軟件的集成。系統需保證專業軟件的運行環境相對獨立，不會出現軟件之間互相沖突的情況。

（3）有權限的數據共享。系統需提供標準數據接口，可將各專業軟件產生的數據進行統一存儲和應用。系統需對敏感數據提供加密存儲，對重要數據提供備份策略。各專業軟件之間可進行數據有權限的共享，達到數據一次錄入、多處可用的目的。

（4）統一管理。系統需提供統一的軟件許可管理方式、軟件升級維護管理方式，以及軟件計算資源池的統一管理方式。

三、結語

在前期鉆井作業數字化研究基礎上，修井數字化作業主要開展修井作業數據庫搭建、作業現場物聯網建設、修井工程師工作平臺搭建、修井工程作業智能支持中心搭建等方面的研究，最終建立一套基于EISC平臺的能夠實現對修井作業現場施工數據實時收集和監控的軟件系統，實現修井作業數字化、智能化管理。

參考文獻

[1]陳勇峰.修井技術現狀分析與發展趨勢展望[J].化工設計通訊，2023，49（10）：28-30+33.

[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，2012，28（04）：17-20.

[3]王亞瓊.基于大數據時代鉆井工程技術一體化平臺的建設[J].中國管理信息化，2021，24（12）：110-111.

[4]張帆.中國石油集團第一支數字化鉆井隊亮相[J].鉆采工藝，2021，44（06）：143.

[5]張雨平，黃微，尹曉煜.帶壓數字化平臺建設及應用研究[J].信息系統工程，2024（03）：101-104.

作者單位：川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

責任編輯：王穎振 鄭凱津