钻井生产远程指挥物联网系统设计研究

1 引言

自动化与信息化技术在数字油田建设中一直起着重要的作用。在油气生产领域，港西模式的建立开创了自动化、信息化与核心生产业务的充分融合，实现了“数字”对油气生产的增值作用^[1]。在油田工程技术领域的数字化建设，因受到技术、体制、观念等因素所局限，一直以传统应用为主，特别是其中的钻井工程业务，因技术体系复杂、生产成本高企、安全要求苛刻，目前仍以传统方式进行相对粗放的管理运作。近年来，物联网技术以其全面感知、可靠传输与智能应用的突出特点为数字油田的进一步发展提供了重要的技术基础^[2,3]，因此，依托物联网技术实现钻井生产的数字化与智能化是当前一项非常紧迫的任务。

根据目前钻井业务需求分析，钻井的物联网系统主要立足于以下目标的实现：

（1）提供基于物联网的现代化基础设施平台，满足专家与各级决策者异地远程协同工作需求，充分发挥专家的作用；（2）可对井位地质信息中有错误的信息进行核对，保证钻井方案设计依据的原始数据更加准确；（3）产生规范化、标准化的钻井工程数据库，同时高效地管理、存储和共享这些数据；（4）形成标准化的管理流程，方便查询和重新核算历史数据；（5）专家组对现场实施过程中存在的问题进行分析，得出快速而准确的答案，实时做出优化决策，提高钻井效率和钻井成本效益；（6）实际案例的量化分析与自学习，自动更新专家知识库，不断提高钻井方案设计的有效性。

2钻井生产远程指挥物联网系统总体设计

钻井生产远程指挥物联网系统是北京雅丹石油技术开发有限公司联合中国石油大学（北京）在智慧油田体系总体指导下研发的包括钻井相关的各类基础设施、数据库和钻井专业应用软件有机融合的数字智能化钻井系统平台。该系统基于物联网技术，可以实现一体化实时信息采集、专家会诊、优化设计、远程指挥调度、智能应用，能够满足精细化生产管理、精确化科学研究、实时化调度运营决策、人性化安全管理等需求的智能化平台。

钻井生产远程指挥物联网系统按照物联网的技术体系，从钻井信息的全面采集与管理、传输网络与设备管理、远程智能化综合应用等三方面确定总体框架设计，如图2-1所示。

图2-1  钻井生产远程指挥物联网系统总体技术框架

3 钻井生产远程指挥物联网系统功能模块设计

根据钻井生产远程指挥物联网系统的总体框架，功能模块被设计为分布在三个层面的五大系统。在感知层部署了井场实时信息采集系统和信息综合管理系统；在传输层部署了信息传输系统和物联网网络与设备管理系统；在应用层部署了专业智能应用和生产经营管理系统。如图3-1所示。

图3-1  钻井生产远程指挥物联网系统功能组成图

3.1 感知层

钻井生产远程指挥物联网系统感知层主要实现钻井生产相关信息的全面感知，在该层主要部署井场实时信息采集系统。

该系统（如图3-2所示）主要根据钻井生产的总体需要和技术特点，对生产现场信息进行采集和处理。

（1）井场实时信息采集系统主要的计算处理分析工作在现场钻井队的移动式远程监控平台完成，实际上可以满足钻井物联网网关和处理计算机同在一个现场处置指挥车内；

（2）需要开发完善的变化报警和实时分析功能，以协调通讯数据量大和耗电量大的问题；

（3）物联网仪表设备因为满足移动和拆装方便性的要求，需要开发无线低功耗的发射和供电模式^[4]；

（4）井场实时信息采集系统配备数据上传优化模块，以实现整个平台通讯成本的动态控制。

图3-2 井场实时信息采集系统示意图

3.2传输层

该层由信息传输与物联网网络设备管理系统两个系统组成。

3.2.1信息传输系统

基于物联网技术的蓬勃发展，根据钻井现场的地域特点与无线通讯的技术水平，该系统采用无线传感网、专网和公网无线技术（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、卫星等无线传输技术）组成无线异构网络来进行数据传输，如图3-3所示。

图3-3 钻井生产远程指挥物联网系统信息传输

3.2.2物联网网络设备管理系统

该子系统主要包括物联网网络管理和网络设备管理。主要是负责对网络化的压力仪表、流量计、转速、摄像头、有害气体检测仪和RFID读写器、网关、路由等物联网终端设备的状态和运行情况的监控。主要实现功能：

1）拓扑发现：现场设备自动拓扑发现，设备安装加电后自动注册到物理网络，在各级网络拓扑图上实时监控节点状态。

2）节点管理：实时监控网络拓扑图上的节点状态，如节点标识、联网状态、属性、能量等以及远程唤醒、控制、诊断、升级和维护等。

3）通信管理：实时监控网络服务质量，包括从不同的感知网络到接入上层网络的数据链路状态等。

4）设备监控：自动采集物联网中设备运行的实时工作状态，包括持续运行时间、设备温度、设备工况。

5）智能预警：根据设备的特性及时智能给出设备维护与更新建议。

3.3应用层

应用层由专业应用系统与经营管理应用系统组成。

3.3.1专业智能应用系统

专业智能应用系统是利用人工智能、专家系统、神经网络、模糊逻辑、进化计算等新理论与技术在信息综合管理系统和井场实时信息采集系统的支持下，进行钻井工程计算机建模及数据挖掘，以最大程度地发挥信息整合的优势。它主要包括钻井优化设计子系统、钻井数据综合处理子系统、钻井地质环境描述及实钻轨迹描述子系统、钻井专家知识库、钻井计算机模拟子系统、随钻地震信息处理子系统等等（如图3-4）。该子系统的功能主要以集成经过行业多年应用检验的第三方软件（如Landmark、Sysdrill等）来实现。

图3-4专业智能应用系统

3.3.2生产经营管理系统

生产经营管理系统主要由远程调度指挥子系统、钻井管具管理子系统、钻井基层队资质管理子系统、钻井HSE管理子系统、钻井质量综合评价子系统、钻井物流成本管理子系统、钻井企业综合业务管理子系统等构成，该系统主要是围绕钻井生产运营组织工作进行的（如图3-5所示）。

图3-5生产经营管理系统

（1）钻井协同调度指挥子系统是以GIS为基础，整合各种采集、通讯、数据分析处理技术，实现对整个钻井工作的智能协同指挥。

该子系统中集成了视频监控和网络会议模块，将井场关键视频信息根据需要优选通讯方式传输至指挥中心，在现场部署的移动式远程监控平台的支持下，通过视频、语音、短信息交流，实现虚拟会议，使得井场与指挥中心能够跨专业、跨平台、跨操作系统的远程协同工作，实现重点井场或紧急情况下的远程技术协作与指挥调度。

协同调度指挥子系统可以同时支持基于Windows系统的传统Pc接入和访问，也支持基于iOS、android等系统的智能手机、平板电脑等移动终端。

（2）钻井管具管理子系统功能主要包括钻井管具（管材、钻具、井控设备等）的准备、跟踪与管理。

（3）钻井基层队资质管理子系统实现对钻井基层队伍的规范、量化管理。

（4）钻井HSE管理子系统实现对HSE及执行情况进行动态管理与监控。

（5）钻井质量综合评价系统是对钻井施工质量进行系统性综合评价。

（6）钻井物流成本管理系统实现对钻井物流和钻井成本管理。

（7）综合业务管理系统主要处理钻井各相关单位的日常办公和管理业务。

4 结束语

钻井生产远程指挥物联网系统建设为油田工程技术单位提供了钻井生产全周期一体化的解决方案，可以大幅降低钻井安全风险和操作成本，整体提高钻井工程的指挥决策水平，为安全、优质、高效的钻井生产提供了有力保障。

参考文献

[1]檀朝东等．油井在线监控计量分析系统技术研究及应用[J].工业计量,2008,18(5):1-4.

[2]檀朝东等．油气水井生产物联网系统iPES的技术研究[J]．中国石油和化工，2012，3：61-64．

[3]闫学峰等．油田工程技术物联网系统功能设计[J].中国石油和化工，2013，4：59-61．