物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

梁海波+張巧

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)是近幾年來(lái)科學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一，隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，其在石油化工行業(yè)中有了更廣闊的應(yīng)用。針對(duì)油田鉆井監(jiān)控系統(tǒng)的需求，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)，分析物聯(lián)網(wǎng)在鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控中各個(gè)層次中的應(yīng)用情況，并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中可大力發(fā)展的幾個(gè)方面作了探討。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);鉆井;實(shí)時(shí)監(jiān)控;感知

中圖分類號(hào)：TP273 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things ，IOT）是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，將用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物與物之間或人與物之間，進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)任何物與互聯(lián)網(wǎng)信息的相互聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[1]。

石油行業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要行業(yè)，尤其是石油生產(chǎn)環(huán)節(jié)的油氣鉆井工程，其對(duì)于鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)施安全優(yōu)快鉆井技術(shù)、降低鉆井事故率、提高鉆井時(shí)效、縮短鉆井周期的要求，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆井工程中的應(yīng)用和發(fā)展帶來(lái)了重要契機(jī)。

油氣鉆井是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，鉆井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備眾多，流動(dòng)性大，生產(chǎn)危險(xiǎn)性大。整個(gè)鉆井過(guò)程要得到有效的控制和管理，實(shí)現(xiàn)安全高效，現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員就需要對(duì)鉆井的每一個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施科學(xué)設(shè)計(jì)與施工，并對(duì)鉆井全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)防和及時(shí)預(yù)警可能的復(fù)雜情況與鉆井事故。然而鉆井現(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)控的設(shè)備和監(jiān)控點(diǎn)眾多，有線系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)布線困難，成本高，而且可靠性較差，維護(hù)困難，費(fèi)用高。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以向全時(shí)空、全過(guò)程、全狀態(tài)的多維度泛在感知和透明化發(fā)展為目標(biāo)，能夠?qū)?shù)量眾多、形式各樣、具有感知能力的傳感設(shè)備通過(guò)各樣的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，形成超大規(guī)模的海量數(shù)據(jù)感知、傳輸、處理和存儲(chǔ)，由此而滿足了鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工程要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鉆井工程信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸，現(xiàn)場(chǎng)工況的實(shí)時(shí)分析，以及對(duì)復(fù)雜情況與工程事故的實(shí)時(shí)警示、處理，從而達(dá)到對(duì)鉆井施工過(guò)程有效監(jiān)控的目的，為鉆井生產(chǎn)作業(yè)者作出科學(xué)決策、提高鉆井時(shí)效與井身質(zhì)量、降低鉆井成本提供依據(jù)和信息服務(wù)。

1 ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 ?物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)概念是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Ashton教授于1999年提出的，定義為依托射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的識(shí)別、跟蹤和管理的物流網(wǎng)絡(luò)[2]。早期的物聯(lián)網(wǎng)概念僅限于物流跟蹤和優(yōu)化物流供應(yīng)鏈。隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用的需求，至今物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已發(fā)生了較大的改變。在新時(shí)代，我們認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計(jì)算能力或執(zhí)行能力的各種信息感知設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)廣域或特定范圍的人與人、人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。從系統(tǒng)角度看，物聯(lián)網(wǎng)可劃分為一個(gè)由感知互動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層組成的三層體系[2]。

過(guò)去的傳統(tǒng)思維一直把物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開(kāi)的，而物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)三層體系的架構(gòu)將物理系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接了起來(lái)，即將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施整合在一起，從而使人類能夠更加精細(xì)和智慧地控制物理世界的運(yùn)行。世界上的任何物體，在任何位置、任何環(huán)境之中，只要使其嵌入具有感知和識(shí)別功能的設(shè)備，就能通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)、激光掃描、全球定位和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)和裝置，使之與網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而由智能分析和信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界及其變化的全面、透徹感知，以及智能反饋和決策。

1.2 ?物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的核心能力。作為一個(gè)龐大、復(fù)雜的綜合信息系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的各個(gè)層面都涉及許多關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)可以歸納為“感知、傳送、處理”，從而實(shí)現(xiàn)“及時(shí)、精確、全面地獲取和處理信息，達(dá)到科學(xué)決策、降低成本、提高效率、保護(hù)環(huán)境、增強(qiáng)安全等目標(biāo)，更加有利于人類的可持續(xù)性發(fā)展”[3]。其中，傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)以及云計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了相應(yīng)基礎(chǔ)。

2 ?鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，鉆井工程仍然存在著一些亟待解決的問(wèn)題：如何精確確定復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆井位置，減小鉆井工程的井下事故發(fā)生率，提高鉆井工程的安全性，減少鉆井工程的成本與開(kāi)銷，建立健全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)來(lái)及時(shí)傳送鉆井過(guò)程中的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)鉆井事故的預(yù)警及分析處理，在專業(yè)技術(shù)人員、管理人員不在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程事故分析及相關(guān)控制操作。這一系列工程要求為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了巨大的空間。

2.1 ?系統(tǒng)框架

通過(guò)對(duì)鉆井工程的的需求分析，并基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念，將鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)分為包含感知層、傳輸層和應(yīng)用層的三層架構(gòu)，其框架圖如圖1所示。感知層由井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息采集裝置（如傳感器標(biāo)簽、智能傳感器、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、攝像頭和GPS等各種感知設(shè)備）與鉆參儀、司鉆操控臺(tái)、頂驅(qū)設(shè)備、隨鉆系統(tǒng)地面儀等控制設(shè)備組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井工程相關(guān)信息的全面感知和各種設(shè)備的控制;根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的地域特點(diǎn)和無(wú)線通信的技術(shù)水平，傳輸層由無(wú)線傳感網(wǎng)、專用和公用無(wú)線技術(shù)（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛(wèi)星等無(wú)線傳輸技術(shù)）組成的無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4]，可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?yīng)用層則具備鉆井設(shè)計(jì)、鉆進(jìn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，井下工況仿真、遠(yuǎn)程專家會(huì)診、生產(chǎn)調(diào)度指揮管理等功能，以滿足鉆井工程需求。

2.2 ?實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)

在石油鉆井過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，并且必須將這些監(jiān)測(cè)記錄實(shí)時(shí)傳送給基地總控制臺(tái)。同時(shí)，總控制臺(tái)也需要將控制命令實(shí)時(shí)傳送給各子系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備，以便對(duì)鉆井過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)主要依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的傳感器技術(shù)和識(shí)別技術(shù)等，而取得的大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)則需要依靠物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)、組網(wǎng)與泛在接入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)短距離相互通信，及整個(gè)異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)從感知層到網(wǎng)絡(luò)層再到應(yīng)用層的無(wú)縫互聯(lián)。

在鉆井施工過(guò)程中所涉及到的復(fù)雜問(wèn)題和事故類型有：井漏、井涌（溢流）、井塌、砂橋、泥包、縮徑、鍵槽、鉆具刺漏、鉆頭牙輪卡、鉆頭水眼刺、鉆頭水眼堵、鉆頭水眼掉、地層蠕變、鉆井液污染、有害氣體溢出[5];鉆具斷落、卡鉆、井噴、井下落物等。需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的包括鉆進(jìn)、起下鉆、測(cè)斜、打水泥塞等鉆井工況。由此需要獲得的工程參數(shù)包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（井號(hào)、油田名稱、鉆深、鉆遇地層、事故發(fā)生時(shí)間、井深、井底壓力、過(guò)平衡壓力、巖石類型及其含量、夾層厚度、泥包趨勢(shì)等），鉆井液性能（密度、粘度、切力、濾失量、濾餅、含砂量、pH值等），井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（套管名稱、套管尺寸、套管頂部深度、套管鞋深度等），泵工作狀態(tài)（開(kāi)啟狀態(tài)、沖數(shù)、上水效率、計(jì)算排量等），泥漿參數(shù)（泥漿池體積、泥漿溫度、泥漿密度），扭矩變化（轉(zhuǎn)盤扭矩、吊鉗扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速），硫化氫濃度、流量差值、立壓變化、卡鉆系數(shù)、鉆壓變化、鉤載變化量（大鉤負(fù)荷、大鉤高度），鉆柱裸眼靜止時(shí)間等。

圖1 ?鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

2.3 ?智能應(yīng)用系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆井工程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)油水井海量信息的智能分析與相應(yīng)控制，其關(guān)鍵技術(shù)包含有云計(jì)算技術(shù)、信息挖掘技術(shù)、智能管理和控制技術(shù)等。

鉆井綜合應(yīng)用平臺(tái)根據(jù)現(xiàn)代鉆井工藝技術(shù)的特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通過(guò)對(duì)鉆井工程的各過(guò)程的機(jī)理、模型和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等方面的研究，主要能實(shí)現(xiàn)以下功能：

鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括信息管理（數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)）、邏輯推理（專家系統(tǒng)、人工智能）、方法設(shè)計(jì)（方法庫(kù)）以及鉆井工程設(shè)計(jì)、井下工況仿真和井下復(fù)雜情況實(shí)時(shí)診斷與處理等內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)能夠按照用戶要求完成數(shù)據(jù)的分類與轉(zhuǎn)貯，為模型庫(kù)和方法庫(kù)等推理系統(tǒng)和鉆井工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)流并貯存相應(yīng)的結(jié)果。鉆井生產(chǎn)管理系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，集實(shí)時(shí)參數(shù)、鉆井工程數(shù)據(jù)庫(kù)、工況實(shí)時(shí)診斷決策多智能體為一體，使井場(chǎng)、基地和總部，乃至更廣泛的范圍下，相互共享資源、數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化鉆井，及時(shí)有效的控制鉆井事故和復(fù)雜情況，提高鉆井效率的目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 ?鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

對(duì)于石油工業(yè)而言，目前正是借助物聯(lián)網(wǎng)這一信息技術(shù)大力革新的最佳契機(jī)，實(shí)現(xiàn)以較低的投資和使用成本實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無(wú)法在線監(jiān)測(cè)的重要工業(yè)過(guò)程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制，來(lái)達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。因此在鉆井過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控方面，可以從以下幾個(gè)方面更加完善的解決傳統(tǒng)鉆井監(jiān)控系統(tǒng)存在的各種問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程的自動(dòng)優(yōu)化控制：

（1）云計(jì)算、云存儲(chǔ)技術(shù)的使用。云計(jì)算和云存儲(chǔ)是一種通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)方式提供的動(dòng)態(tài)可伸縮虛擬化資源的計(jì)算和存儲(chǔ)模式。本文有提到通過(guò)使用該模式在鉆井綜合應(yīng)用平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)對(duì)油水井海量信息的智能分析與挖掘以及各架構(gòu)層次之間的數(shù)據(jù)交換和處理，防止本地?cái)?shù)據(jù)丟失，保證實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的安全和長(zhǎng)期性。

圖3 ?鉆井生產(chǎn)管理系統(tǒng)

（2）多網(wǎng)融合技術(shù)的使用。鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)控的參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，而與其相關(guān)聯(lián)的整個(gè)鉆井生產(chǎn)管理系統(tǒng)中則有一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)需要處理決策，因此包含電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)在內(nèi)的相互滲透和兼容的多網(wǎng)融合技術(shù)，可以形成一個(gè)統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的互相結(jié)合，將使鉆井工程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控更加快捷、便利。

（3）人工智能的使用。人工智能是使用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的某些思維過(guò)程和智能行為，主要包括計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能的原理來(lái)制造類似于人腦智能的計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)更高層次的應(yīng)用。在鉆井故障實(shí)時(shí)診斷中，采用人工智能，可以使系統(tǒng)具有針對(duì)異常鉆井狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別的能力，并且能夠使故障預(yù)判行為更加合理和科學(xué)。

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