鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置的研制

冉桂東，陳星瑋，劉 洋

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

0 引言

隨著油田行業(yè)數(shù)字化的快速推進(jìn)，該行業(yè)誕生了一個新的概念，并快速蔓延到全世界的整個石油行業(yè)，這就是“數(shù)字油田”（Digital Oil Field，DOF）。數(shù)據(jù)采集作為“數(shù)字油田”的基石，對其發(fā)展發(fā)揮著不可替代的作用，但由于各種石油儀器數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，油田信息服務(wù)一體化平臺的建設(shè)也對數(shù)據(jù)傳輸格式的規(guī)范化和傳輸方式的統(tǒng)一提出了要求。因此，基于以上需求研制一種新型的鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置，能夠兼容多種儀器數(shù)據(jù)，將不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和傳輸，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、鉆井現(xiàn)場組網(wǎng)、視頻監(jiān)控、視頻會議、VoIP 語音對講、遠(yuǎn)程運(yùn)維管理等多種功能，將大大減輕現(xiàn)場作業(yè)者的負(fù)擔(dān)，同時也是油田增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力的有效手段，因此具有極其重要的意義。

1 鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集概況

鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式一般分為人工錄入和儀器自動采集兩種。人工錄入主要是指各作業(yè)崗位根據(jù)軟件填報系統(tǒng)要求，在各自的鉆井現(xiàn)場客戶機(jī)上按照規(guī)則填報各種報表、記錄鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)。儀器自動采集主要是指綜合錄井儀、鉆井參數(shù)儀和隨鉆測量（Measure While Drilling，MWD）/隨鉆測井（Logging While Drilling，LWD）所采集的實時數(shù)據(jù)，它可通過建立一個實時數(shù)據(jù)采集模塊截取鉆井參數(shù)儀和MWD/LWD 的實時數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星將實時數(shù)據(jù)打包上線傳輸?shù)交財?shù)據(jù)管理層。

2 裝置結(jié)構(gòu)

裝置集配電、數(shù)據(jù)采集、通信于一體，鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置構(gòu)成

3 裝置模塊

鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置采用模塊化設(shè)計，整合當(dāng)前鉆井現(xiàn)場已建立的板塊子系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、鉆井現(xiàn)場組網(wǎng)、視頻監(jiān)控、視頻會議、VoIP語音對講、遠(yuǎn)程運(yùn)維管理等功能將各個不同的專業(yè)系統(tǒng)融合集成在一起統(tǒng)一管理，從而提高工作效率。鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置作為集鉆井現(xiàn)場綜合信息采集、傳輸、應(yīng)用于一體的主要設(shè)備，可以進(jìn)行模塊設(shè)計，集合了采集模塊、組網(wǎng)模塊等多個模塊。

3.1 采集模塊

鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集一般分為人工錄入和儀器自動采集兩種。人工錄入主要指需要進(jìn)行人工填報的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)根據(jù)鉆井、錄井、測井、試油井下各專業(yè)用戶數(shù)據(jù)錄入，規(guī)范安裝相應(yīng)的現(xiàn)場填報軟件至數(shù)字化集成裝置，各專業(yè)通過井場局域網(wǎng)可遠(yuǎn)程登錄填報軟件填寫對應(yīng)的數(shù)據(jù)。儀器自動采集主要是指綜合錄井、鉆井參數(shù)儀等采集設(shè)備所采集的實時數(shù)據(jù)，隨著鉆井現(xiàn)場數(shù)字化、智能化程度提高，自動采集的數(shù)據(jù)項越來越多，各個廠家會布置采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，導(dǎo)致設(shè)備配置臃腫。為實現(xiàn)鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)的及時傳輸，避免大量部署設(shè)備，鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置，搭載當(dāng)前先進(jìn)的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)實時數(shù)據(jù)采集軟件，采用WitsML 國際標(biāo)準(zhǔn)格式對作業(yè)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和傳輸。該軟件包含5 個功能：數(shù)據(jù)采集功能、配置/監(jiān)視功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、手工錄入功能、鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲功能。其中，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸客戶端是后臺進(jìn)程，不帶用戶界面，其配置通過配置/監(jiān)視功能實現(xiàn)。配置/監(jiān)視程序是一個帶界面的應(yīng)用程序，這個應(yīng)用能實現(xiàn)對采集儀器的配置和對傳輸客戶端的配置，并且負(fù)責(zé)啟動和停止采集程序和傳輸客戶端。人工錄入是一個獨(dú)立的應(yīng)用，人工錄入工具錄入的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，傳輸客戶端從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并傳輸，從而實現(xiàn)錄井、鉆井、測井、固井、精細(xì)控壓、定向井、壓裂酸化、試油等8 類儀器共94 個型號246 項的數(shù)據(jù)采集。同時，人工錄入工具開發(fā)了鉆井、鉆井液、錄井等不同客戶端，不同客戶端填報進(jìn)入現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫，然后傳輸?shù)骄补こ虜?shù)據(jù)一體化平臺，實現(xiàn)跨專業(yè)數(shù)據(jù)共享，消除“信息孤島”，避免了數(shù)據(jù)重復(fù)填報、系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)、數(shù)據(jù)無法共享的問題。鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置數(shù)據(jù)采集項如圖2所示。

圖2 鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置數(shù)據(jù)采集項

3.2 組網(wǎng)模塊

鉆井現(xiàn)場本地網(wǎng)絡(luò)采用無線方式，2.4 G/5.8 G 雙頻覆蓋，無線中心站采用全向天線，無線宏站使用定向天線。對于固定網(wǎng)絡(luò)接入終端，采用5.8 G 接入，具備無線頻段自動匹配功能，避免現(xiàn)場無線頻段的干擾造成無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定（常用無線頻段多為2.4 G），現(xiàn)場常用終端使用2.4 G 無線接入。鉆井現(xiàn)場數(shù)字化集成裝置還為流動作業(yè)設(shè)備終端提供接入熱點(diǎn)功能。鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯聚到集成裝置后，通過衛(wèi)星小站/營運(yùn)商寬帶將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)平臺。集成裝置集成了4 G 網(wǎng)絡(luò)模塊，在有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，可以作為備用數(shù)據(jù)傳輸通道。鉆井現(xiàn)場組網(wǎng)示意圖如圖3所示。

圖3 鉆井現(xiàn)場組網(wǎng)示意

3.3 視頻會議模塊

集成視頻會議模塊，視頻會議采用會話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）多媒體框架協(xié)議，以及H.264、H.264 HP視頻編解碼協(xié)議，G.711 A、G.711 U、 G.722.1 C、Opus 音頻編解碼協(xié)議，實現(xiàn)鉆井現(xiàn)場與基地的遠(yuǎn)程視頻會議功能。擴(kuò)展功能實現(xiàn)了與工程作業(yè)智能支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，可實現(xiàn)工程作業(yè)智能支持系統(tǒng)一鍵組合。

3.4 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊采用H.264 及H.265 視頻數(shù)據(jù)編碼協(xié)議，支持成本加保險費(fèi)加運(yùn)費(fèi)（Cost，Insurance，and Freight，CIF）、DI、720 P、1080 P 多種視頻碼流，支持主流網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接入，在本地配置4 TB 的視頻數(shù)據(jù)存儲單元，視頻數(shù)據(jù)存滿后循環(huán)覆蓋，視頻數(shù)據(jù)可壓縮上傳、遠(yuǎn)程回放。

3.5 運(yùn)行監(jiān)控模塊

配置運(yùn)行監(jiān)控模塊，實時監(jiān)測數(shù)字化集成裝置設(shè)備內(nèi)外溫度、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）電池電量、本地數(shù)據(jù)庫連接狀態(tài)、網(wǎng)橋主從站信號等工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行運(yùn)行統(tǒng)計和分析。支持將監(jiān)測參數(shù)上傳至后端管理平臺，實現(xiàn)對數(shù)字化集成裝置運(yùn)行狀態(tài)全程把控。

4 裝置特點(diǎn)

4.1 靈活組網(wǎng)：多種網(wǎng)絡(luò)接入、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)快速部署

鉆井現(xiàn)場局域網(wǎng)采用無線傳感器模式，便于安裝維護(hù)，成本低廉。與互聯(lián)網(wǎng)的連接可以采用營運(yùn)商寬帶、衛(wèi)星小站、4G 網(wǎng)卡，只需做簡單配置就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸。

4.2 多用戶支持：支持多用戶遠(yuǎn)程填報數(shù)據(jù)

用戶填報數(shù)據(jù)存儲在本地MYSQL 數(shù)據(jù)庫，不同用戶可以通過局域網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問客戶端填報軟件同時進(jìn)行數(shù)據(jù)填報，本地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增量，向基地數(shù)據(jù)庫上傳，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)安全傳輸。

4.3 運(yùn)行穩(wěn)定：在高低溫、沙塵等鉆井現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下滿足運(yùn)行要求

為滿足現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境，進(jìn)行了模擬環(huán)境溫度-20℃、60℃高低溫測試，運(yùn)行正常；高負(fù)荷運(yùn)行壓力測試溫度41.5℃（環(huán)境溫度22.6℃），硬盤讀寫速度性能良好；內(nèi)置UPS 電源保護(hù)，在斷電的情況下能支持系統(tǒng)工作30 min，支持固態(tài)硬盤鏡像至機(jī)械硬盤熱備，確保數(shù)據(jù)安全。

5 應(yīng)用情況

工程作業(yè)智能支持系統(tǒng)自2020 年開始在整個中油油服推廣使用以來，作為鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的集成裝置，目前已部署安裝631 臺，裝置運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)采集完整。