霍宏博,謝 濤,劉海龍,李 進(jìn),林 海,陳 卓
(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 300459;2.海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300459)
伴隨著大數(shù)據(jù)掀起的信息革命浪潮,國(guó)際知名石油企業(yè)已經(jīng)將信息技術(shù)引入鉆完井行業(yè),數(shù)字化、科學(xué)化、大數(shù)據(jù)化是未來(lái)鉆完井服務(wù)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。由于海洋鉆完井風(fēng)險(xiǎn)性高,鉆完井投資在油氣勘探開發(fā)投資中占比大,海洋石油公司更熱衷于采用新技術(shù)為鉆完井作業(yè)提高效率和降低風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)渤海油田也已初步將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于海洋鉆完井中。渤海油田開發(fā)已經(jīng)超過40年,積累了大量的鉆完井實(shí)鉆數(shù)據(jù),擁有4000 余口鉆完井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ),具備進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘的潛力,已開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的鉆完井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、作業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、鉆井專家在線決策系統(tǒng)、鉆完井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、成本精細(xì)化管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)管理等應(yīng)用,也對(duì)一些困擾鉆完井專業(yè)的難點(diǎn)(如井壁失穩(wěn)、提高機(jī)械鉆速等)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究,形成了一些理論基礎(chǔ)。但如何利用好地面、地下傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室理論分析深入挖掘和利用這些數(shù)據(jù),以指導(dǎo)后期鉆完井工作仍需要進(jìn)行探索和實(shí)踐。
大數(shù)據(jù)的起源通常認(rèn)為是谷歌的三篇文章——GFS、MapReduce 和 BigTable[1-3],以及亞馬遜的Dynamo[4]。Google 以大數(shù)據(jù)技術(shù)贏得了在廣告業(yè)務(wù)上的成功,隨后雅虎、微軟、阿里巴巴、Facebook、LinkedIn、Twitter 等公司也加入到了大數(shù)據(jù)研究中?;ヂ?lián)網(wǎng)行業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析?;ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)目前在精準(zhǔn)客戶定位、個(gè)性化服務(wù)、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、檢測(cè)感染性疾病、提高運(yùn)動(dòng)技能等方面都有應(yīng)用,并取得了較好的效果。國(guó)內(nèi)外政府部門亦逐漸認(rèn)識(shí)到大數(shù)據(jù)發(fā)展研究的重要性。2012年3月起美國(guó)奧巴馬政府宣布以2 億美元啟動(dòng)大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)在2012年10月成立了中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)大數(shù)據(jù)專家委員會(huì)[5]。
大數(shù)據(jù)在油氣田相關(guān)企業(yè)服務(wù)中已有諸多應(yīng)用,例如,殼牌是較好地運(yùn)用了大數(shù)據(jù)模式的石油企業(yè),利用大數(shù)據(jù)使上游業(yè)務(wù)的提高開采成功率和下游業(yè)務(wù)中的降低成本、提升銷售都得到了改善[6]。IBM 采用決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別與卡鉆相關(guān)的征兆以預(yù)測(cè)和避免事故發(fā)生,降低鉆井風(fēng)險(xiǎn),準(zhǔn)確度達(dá)到85%[7]。部分知名國(guó)際公司如哈里伯頓(Halliburton)、斯倫貝謝(Schlumberger)公司等,已開始在鉆完井信息采集與數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域應(yīng)用大體量數(shù)據(jù)處理,在鉆完井分析系統(tǒng)中應(yīng)用效果顯著[8]。在國(guó)內(nèi),地質(zhì)專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用hadoop大數(shù)據(jù)平臺(tái)集成非結(jié)構(gòu)化地質(zhì)數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)、挖掘數(shù)據(jù)已取得了較好的效果,正在向智能化地質(zhì)方向發(fā)展[9]。中石油川慶鉆探工程有限公司建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、調(diào)用系統(tǒng),并在快速鉆井、安全鉆井、壓力預(yù)測(cè)方面得以應(yīng)用[10]。中石油塔里木油田公司運(yùn)用“大數(shù)據(jù)”資源,為試油設(shè)計(jì)提供了一體化平臺(tái)[11]。2018年中海油建立智慧鉆井應(yīng)用示范項(xiàng)目團(tuán)隊(duì),組織20 多位專家建立大數(shù)據(jù)模型,利用南海東部的近70 口井建立鉆井工程與地質(zhì)數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)建模,預(yù)留井位的真實(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)完全一致[12]。
雖然石油行業(yè)對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行了一些嘗試,但其在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的數(shù)據(jù)規(guī)模和運(yùn)用能力,對(duì)于大數(shù)據(jù)的理解和認(rèn)識(shí)也未達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的高度。本研究團(tuán)隊(duì)所在的中海油渤海油田建立了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了鉆井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過對(duì)鉆井工程數(shù)據(jù)分析處理、深入挖掘,初步實(shí)現(xiàn)了基地輔助決策系統(tǒng)遠(yuǎn)程技術(shù)支持鉆井現(xiàn)場(chǎng),并在渤中19-6 油田鉆井作業(yè)得以實(shí)現(xiàn)[13],雖然通過油田信息化建設(shè)實(shí)現(xiàn)了鉆完井大數(shù)據(jù)的初期階段,但未來(lái)鉆完井大數(shù)據(jù)建設(shè)仍需持續(xù)推進(jìn)。
鉆完井大數(shù)據(jù)是基于大量的鉆完井實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和調(diào)用處理,并從中找出規(guī)律性,以實(shí)現(xiàn)鉆完井技術(shù)的優(yōu)化提升。
地面和地下數(shù)據(jù)的采集為渤海油田鉆完井大數(shù)據(jù)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。海洋鉆井多參數(shù)儀可采集鉆修井過程中的 鉆壓、扭矩、立壓、泵速、游車高度、泥漿罐體積等鉆井實(shí)時(shí)參數(shù),并傳輸至中控室和陸地指揮中心[14]。
渤海油田建立的鉆井決策系統(tǒng)將井軌跡資料與三維地質(zhì)模型結(jié)合,并由各專業(yè)專家綜合分析決策下達(dá)指令,變“盲打”為“可視化”作業(yè),解決了傳統(tǒng)油田開發(fā)模式在油藏、地質(zhì)專業(yè)信息與鉆井過程中數(shù)據(jù)不對(duì)稱的問題。
早在90年代初綏中36-l 油田開始,鉆完井過程中就應(yīng)用隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向設(shè)備識(shí)別地層并指導(dǎo)鉆完井作業(yè)[15],這一技術(shù)在哈里伯頓(圖1)、斯倫貝謝、貝克休斯(Baker Hughes)等國(guó)際服務(wù)公司的隨鉆設(shè)備都有所應(yīng)用。2015年中海油田服務(wù)股份有限公司自主研發(fā)的Welleader 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和Drilog隨鉆測(cè)井系統(tǒng)在渤海的成功應(yīng)用標(biāo)志著我國(guó)全尺寸隨鉆定向、測(cè)井工具的研發(fā)成功[16]。隨鉆測(cè)井工具以泥漿正脈沖發(fā)生器傳輸信息,可將井斜、方位、井徑、環(huán)空壓力、振動(dòng)、沖擊、電阻率、自然伽馬實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸,并通過地質(zhì)分析軟件和專業(yè)人員遠(yuǎn)程隨鉆,達(dá)到對(duì)井軌跡的精確控制,實(shí)現(xiàn)勘探開發(fā)一體化決策。應(yīng)用隨鉆地震、隨鉆核磁工具提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),對(duì)于儲(chǔ)層邊界識(shí)別、壓力控制和潛山卡層起到了至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是保證數(shù)據(jù)同步性的關(guān)鍵,渤海油田使用Wits Server 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器,將提取的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)輸送處理器,并通過Gweb服務(wù)器將格式轉(zhuǎn)換后的Wits ML數(shù)據(jù)加載到地質(zhì)油藏模型。
圖1 哈里伯頓的3D 地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)
2004年起,渤海油田引入PELOTON 公司的Wellview 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)鉆完井資料實(shí)時(shí)入庫(kù)并對(duì)渤海所有老井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)錄,結(jié)構(gòu)化保存了渤海油田4000 余口井史資料,可實(shí)現(xiàn)對(duì)渤海所有已鉆井資料的快速查詢統(tǒng)計(jì)。引入康斯伯格公司Discovery Web 系統(tǒng)在陸地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)曲線,輔助現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。2017年,搭建基于成本分析SAP 和Wellview 系統(tǒng)的精細(xì)化管理平臺(tái)(圖2),使成本數(shù)據(jù)與作業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)接,利用數(shù)據(jù)庫(kù)建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)成本的高效化及智能化管理,達(dá)到成本精細(xì)化管理的全覆蓋,實(shí)時(shí)了解在作業(yè)井成本,提升了成本控制綜合管理水平。
圖2 渤海油田鉆完井?dāng)?shù)據(jù)傳輸管理
本文基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)已鉆井資料分析,抽取軟件中的設(shè)計(jì)參數(shù),運(yùn)用Landmark、DrillWorks、CementPro 等專業(yè)軟件,進(jìn)行力學(xué)分析、鉆頭優(yōu)選、軌跡設(shè)計(jì)等方案設(shè)計(jì)優(yōu)化。
渤海油田大數(shù)據(jù)工作已開展多年,在以科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)改革的大背景下,渤海油田致力于建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化、智能化的海油云平臺(tái)(圖3),將鉆完井參數(shù)、鉆完井決策、大數(shù)據(jù)分析融入其中,并在實(shí)際工作得以應(yīng)用。渤海油田正向智能油田、綠色油田發(fā)展。
圖3 渤海油田大數(shù)據(jù)云平臺(tái)建設(shè)結(jié)構(gòu)
2015年,渤海油田專家在線系統(tǒng)啟用,包括:鉆井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控系統(tǒng);鉆井專家在線輔助決策系統(tǒng);鉆井仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[17]。2018年7月,渤海油田成立“鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)工作組”,以持續(xù)推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)在鉆完井領(lǐng)域的科學(xué)引領(lǐng)作用,取得了較好效果。2018年10月,渤海油田與康菲石油交流大數(shù)據(jù)應(yīng)用成果并合作建立蓬萊油田鉆完井大數(shù)據(jù)中心。
蓬萊油田從2018年起引入康菲石油大數(shù)據(jù)支持,應(yīng)用于蓬萊油田單井壓裂設(shè)計(jì)。針對(duì)渤海的壓裂充填作業(yè)量較大、高頻小型壓裂、多層多級(jí)壓裂,壓力復(fù)雜、低液體效率、高砂比的特點(diǎn),結(jié)合已有的大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),開發(fā)新的可視化模塊和分析模塊,研發(fā)基于成本的管理分析工具,并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)集成。此研究篩選出了一系列具有物理指導(dǎo)意義的完井參數(shù),為多元變量分析奠定了基礎(chǔ),在預(yù)先篩選的完井參數(shù)中,進(jìn)一步選取了對(duì)產(chǎn)量有最大影響的兩個(gè)完井參數(shù):每個(gè)射孔簇的支撐劑總量和射孔簇間距。上述成果在蓬萊油田8 口井的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中取得了較好的應(yīng)用效果。
渤中19-6 區(qū)域探井鉆井中應(yīng)用遠(yuǎn)程輔助進(jìn)行決策支持。將井場(chǎng)傳感器參數(shù)與模擬器計(jì)算參數(shù)匯入服務(wù)器,由衛(wèi)星信號(hào)與基地服務(wù)器交換,以 Witsml 格式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)更新,非實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)(如鉆具表、鉆井液流變性能參數(shù))以結(jié)構(gòu)化報(bào)表傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了海上鉆完井現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程模擬同步,整合了動(dòng)態(tài)模擬、可視化、遠(yuǎn)程監(jiān)控,成功輔助了專家決策。
通過該系統(tǒng),對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)摩阻扭矩值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比,分析差異產(chǎn)生的原因,并及時(shí)調(diào)整,避免了卡鉆事故的發(fā)生;對(duì)比水力 學(xué)參數(shù)的模擬值和實(shí)際值,優(yōu)化了水力學(xué)模型,精細(xì)調(diào)節(jié)壓耗,輔助了鉆井起鉆循環(huán)清潔井眼等措施;利用隨鉆模擬地層壓力,根據(jù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)地層壓力,精確度達(dá)到97%。渤中19-6 區(qū)域遠(yuǎn)程輔助支持系統(tǒng)取得了非常好的效果,也為后期遠(yuǎn)程決策提供了依據(jù)[18]。
自動(dòng)提取數(shù)據(jù)庫(kù)中單井信息、生成鉆完井月報(bào)系統(tǒng)替代人工統(tǒng)計(jì),成為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)分析和效率統(tǒng)計(jì)對(duì)比的基礎(chǔ)。依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息化手段及現(xiàn)代化多媒體技術(shù)支撐,開發(fā)可視化智能庫(kù)存管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了物資快速查詢及物資3D 可視化管理,還實(shí)現(xiàn)了庫(kù)存物資大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析。
通過大數(shù)據(jù)技術(shù),平臺(tái)物資實(shí)現(xiàn)了共享互聯(lián)。以往,應(yīng)急物資由各平臺(tái)單獨(dú)配備;通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,實(shí)現(xiàn)了海洋物資區(qū)域化,應(yīng)急物資多個(gè)平臺(tái)區(qū)域配備,總準(zhǔn)備量降低15%,且應(yīng)急物資調(diào)配速度較傳統(tǒng)調(diào)度方式大大提高。大數(shù)據(jù)技術(shù)也使得船舶使用效率更高,區(qū)域船舶航行總距離節(jié)省21%。上述成果表明大數(shù)據(jù)在海洋物資調(diào)度中的應(yīng)用起到了良好的效果。
渤海油田對(duì)于鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行了嘗試,但對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展方向仍需進(jìn)行進(jìn)一步探索。目前,渤海油田對(duì)鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)劃和展望,為未來(lái)發(fā)展大數(shù)據(jù)做好了準(zhǔn)備。
目前渤海油田雖然已達(dá)到對(duì)鉆完井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集和傳輸?shù)哪芰Γ珜?duì)于數(shù)據(jù)的分析和評(píng)估仍然是基于人工分析,依靠經(jīng)驗(yàn)尋找各數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)。對(duì)于大數(shù)據(jù)的利用,應(yīng)向智能化方向發(fā)展,可依靠人工智能深度學(xué)習(xí)從海量數(shù)據(jù)中抽絲剝繭,尋找關(guān)聯(lián),突破經(jīng)驗(yàn)限制,作為今后智能油田的基礎(chǔ)。
鉆井液性能與鉆井復(fù)雜情況關(guān)系密切,多數(shù)復(fù)雜情況都?xì)w咎于鉆井液性能惡化。但受制于鉆井液測(cè)量依賴人工操作,鉆井液的流動(dòng)性性能參數(shù)還未達(dá)到實(shí)時(shí)傳輸?shù)乃健R蕾嚾斯な謩?dòng)測(cè)量并輸入數(shù)據(jù)庫(kù),無(wú)法達(dá)到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,也影響現(xiàn)場(chǎng)的決策。未來(lái)通過對(duì)泥漿泵及管匯改造,可增加鉆井液性能參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井液性能的把控。
國(guó)際石油公司都非常重視井筒工程數(shù)字化,提倡將鉆、錄、測(cè)、井下作業(yè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)共享,輔助專家決策,但是井壁狀態(tài)數(shù)字化還未開展研究。目前,井壁所處的狀態(tài)是基于鉆前鄰井測(cè)井資料、地震資料和實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析獲得的靜態(tài)數(shù)據(jù),而受鉆井液浸泡沖刷、鉆具撞擊刮削的井壁狀態(tài)是不斷變化的,隨時(shí)間增加,井壁掉塊或者縮徑導(dǎo)致鉆井復(fù)雜發(fā)生??梢砸源髷?shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析井壁狀態(tài)隨時(shí)間的變化,達(dá)到對(duì)復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)的提前預(yù)防(圖4)。
圖4 井壁狀態(tài)數(shù)字化設(shè)想
目前鉆頭的鉆壓、扭矩參數(shù)均為計(jì)算數(shù)據(jù),還無(wú)法獲取鉆頭在井下實(shí)際承受的鉆壓和扭矩,鉆頭的溫度、磨損等狀態(tài)信息也無(wú)法獲取。未來(lái) 可通過增加鉆頭狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭信息,反應(yīng)井下實(shí)時(shí)情況,獲得井底最及時(shí)的信息反饋。在此基礎(chǔ)上還可研發(fā)可視化、井底狀態(tài)分析設(shè)備輔助鉆井決策。
現(xiàn)代鉆完井作業(yè)過程管理及資源(鉆井船、船舶、人員、工具、物料等)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)依然主要靠傳統(tǒng)人工方式,缺乏統(tǒng)籌高效一體化的科學(xué)管理工具。而現(xiàn)有的WellView 鉆完井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)和3D可視化智能庫(kù)存管理系統(tǒng)已經(jīng)具備了在區(qū)域資源調(diào)度大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行智能調(diào)度的條件。未來(lái)結(jié)合鉆完井庫(kù)存數(shù)據(jù),結(jié)合勘探、工程、開發(fā)生產(chǎn)、財(cái)務(wù)等數(shù)據(jù),通過建立數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、挖掘和可視化功能,可實(shí)現(xiàn)由數(shù)字化管理推動(dòng)鉆井資源調(diào)配,實(shí)現(xiàn)管理價(jià)值的提升。
海上鉆完井作業(yè)是一項(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)和高技術(shù)水平的隱蔽性地下工程,渤海油田通過對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的探索,已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)利用大數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆完井的目標(biāo),但距離真正的大數(shù)據(jù)鉆完井仍很遙遠(yuǎn),未來(lái)發(fā)展中仍需完善。本文針對(duì)渤海油田鉆完井現(xiàn)狀,提出以下建議。
(1)增加石油各專業(yè)集成。目前,渤海數(shù)據(jù)庫(kù)還未達(dá)到物探、勘探、油藏、鉆完井、采油、海洋工程數(shù)據(jù)的共享,而大數(shù)據(jù)分析需要以多專業(yè)信息為基礎(chǔ)。
(2)增加專業(yè)化人才培養(yǎng)。當(dāng)前從事鉆完井?dāng)?shù)據(jù)研究人員基本由鉆完井專業(yè)轉(zhuǎn)型,思路局限。大數(shù)據(jù)鉆完井技術(shù)缺少大數(shù)據(jù)專業(yè)背景的人才,打破石油行業(yè)壁壘需要互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)石油行業(yè)的多專業(yè)融合。
(3)充分發(fā)揮人為作用。在大數(shù)據(jù)技術(shù)形成前,提高操作者主動(dòng)作為,增加靜態(tài)數(shù)據(jù)填報(bào)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性。