1 引言

自動化與信息化技術在數(shù)字油田建設中一直起著重要的作用。在油氣生產領域，港西模式的建立開創(chuàng)了自動化、信息化與核心生產業(yè)務的充分融合，實現(xiàn)了“數(shù)字”對油氣生產的增值作用^[1]。在油田工程技術領域的數(shù)字化建設，因受到技術、體制、觀念等因素所局限，一直以傳統(tǒng)應用為主，特別是其中的鉆井工程業(yè)務，因技術體系復雜、生產成本高企、安全要求苛刻，目前仍以傳統(tǒng)方式進行相對粗放的管理運作。近年來，物聯(lián)網技術以其全面感知、可靠傳輸與智能應用的突出特點為數(shù)字油田的進一步發(fā)展提供了重要的技術基礎^[2,3]，因此，依托物聯(lián)網技術實現(xiàn)鉆井生產的數(shù)字化與智能化是當前一項非常緊迫的任務。

根據(jù)目前鉆井業(yè)務需求分析，鉆井的物聯(lián)網系統(tǒng)主要立足于以下目標的實現(xiàn)：

（1）提供基于物聯(lián)網的現(xiàn)代化基礎設施平臺，滿足專家與各級決策者異地遠程協(xié)同工作需求，充分發(fā)揮專家的作用；（2）可對井位地質信息中有錯誤的信息進行核對，保證鉆井方案設計依據(jù)的原始數(shù)據(jù)更加準確；（3）產生規(guī)范化、標準化的鉆井工程數(shù)據(jù)庫，同時高效地管理、存儲和共享這些數(shù)據(jù)；（4）形成標準化的管理流程，方便查詢和重新核算歷史數(shù)據(jù)；（5）專家組對現(xiàn)場實施過程中存在的問題進行分析，得出快速而準確的答案，實時做出優(yōu)化決策，提高鉆井效率和鉆井成本效益；（6）實際案例的量化分析與自學習，自動更新專家知識庫，不斷提高鉆井方案設計的有效性。

2鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)總體設計

鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)是北京雅丹石油技術開發(fā)有限公司聯(lián)合中國石油大學（北京）在智慧油田體系總體指導下研發(fā)的包括鉆井相關的各類基礎設施、數(shù)據(jù)庫和鉆井專業(yè)應用軟件有機融合的數(shù)字智能化鉆井系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網技術，可以實現(xiàn)一體化實時信息采集、專家會診、優(yōu)化設計、遠程指揮調度、智能應用，能夠滿足精細化生產管理、精確化科學研究、實時化調度運營決策、人性化安全管理等需求的智能化平臺。

鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)按照物聯(lián)網的技術體系，從鉆井信息的全面采集與管理、傳輸網絡與設備管理、遠程智能化綜合應用等三方面確定總體框架設計，如圖2-1所示。

圖2-1  鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)總體技術框架

3 鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)功能模塊設計

根據(jù)鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)的總體框架，功能模塊被設計為分布在三個層面的五大系統(tǒng)。在感知層部署了井場實時信息采集系統(tǒng)和信息綜合管理系統(tǒng)；在傳輸層部署了信息傳輸系統(tǒng)和物聯(lián)網網絡與設備管理系統(tǒng)；在應用層部署了專業(yè)智能應用和生產經營管理系統(tǒng)。如圖3-1所示。

圖3-1  鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)功能組成圖

3.1 感知層

鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)感知層主要實現(xiàn)鉆井生產相關信息的全面感知，在該層主要部署井場實時信息采集系統(tǒng)。

該系統(tǒng)（如圖3-2所示）主要根據(jù)鉆井生產的總體需要和技術特點，對生產現(xiàn)場信息進行采集和處理。

（1）井場實時信息采集系統(tǒng)主要的計算處理分析工作在現(xiàn)場鉆井隊的移動式遠程監(jiān)控平臺完成，實際上可以滿足鉆井物聯(lián)網網關和處理計算機同在一個現(xiàn)場處置指揮車內；

（2）需要開發(fā)完善的變化報警和實時分析功能，以協(xié)調通訊數(shù)據(jù)量大和耗電量大的問題；

（3）物聯(lián)網儀表設備因為滿足移動和拆裝方便性的要求，需要開發(fā)無線低功耗的發(fā)射和供電模式^[4]；

（4）井場實時信息采集系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)上傳優(yōu)化模塊，以實現(xiàn)整個平臺通訊成本的動態(tài)控制。

圖3-2 井場實時信息采集系統(tǒng)示意圖

3.2傳輸層

該層由信息傳輸與物聯(lián)網網絡設備管理系統(tǒng)兩個系統(tǒng)組成。

3.2.1信息傳輸系統(tǒng)

基于物聯(lián)網技術的蓬勃發(fā)展，根據(jù)鉆井現(xiàn)場的地域特點與無線通訊的技術水平，該系統(tǒng)采用無線傳感網、專網和公網無線技術（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛(wèi)星等無線傳輸技術）組成無線異構網絡來進行數(shù)據(jù)傳輸，如圖3-3所示。

圖3-3 鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)信息傳輸

3.2.2物聯(lián)網網絡設備管理系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要包括物聯(lián)網網絡管理和網絡設備管理。主要是負責對網絡化的壓力儀表、流量計、轉速、攝像頭、有害氣體檢測儀和RFID讀寫器、網關、路由等物聯(lián)網終端設備的狀態(tài)和運行情況的監(jiān)控。主要實現(xiàn)功能：

1）拓撲發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場設備自動拓撲發(fā)現(xiàn)，設備安裝加電后自動注冊到物理網絡，在各級網絡拓撲圖上實時監(jiān)控節(jié)點狀態(tài)。

2）節(jié)點管理：實時監(jiān)控網絡拓撲圖上的節(jié)點狀態(tài)，如節(jié)點標識、聯(lián)網狀態(tài)、屬性、能量等以及遠程喚醒、控制、診斷、升級和維護等。

3）通信管理：實時監(jiān)控網絡服務質量，包括從不同的感知網絡到接入上層網絡的數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)等。

4）設備監(jiān)控：自動采集物聯(lián)網中設備運行的實時工作狀態(tài)，包括持續(xù)運行時間、設備溫度、設備工況。

5）智能預警：根據(jù)設備的特性及時智能給出設備維護與更新建議。

3.3應用層

應用層由專業(yè)應用系統(tǒng)與經營管理應用系統(tǒng)組成。

3.3.1專業(yè)智能應用系統(tǒng)

專業(yè)智能應用系統(tǒng)是利用人工智能、專家系統(tǒng)、神經網絡、模糊邏輯、進化計算等新理論與技術在信息綜合管理系統(tǒng)和井場實時信息采集系統(tǒng)的支持下，進行鉆井工程計算機建模及數(shù)據(jù)挖掘，以最大程度地發(fā)揮信息整合的優(yōu)勢。它主要包括鉆井優(yōu)化設計子系統(tǒng)、鉆井數(shù)據(jù)綜合處理子系統(tǒng)、鉆井地質環(huán)境描述及實鉆軌跡描述子系統(tǒng)、鉆井專家知識庫、鉆井計算機模擬子系統(tǒng)、隨鉆地震信息處理子系統(tǒng)等等（如圖3-4）。該子系統(tǒng)的功能主要以集成經過行業(yè)多年應用檢驗的第三方軟件（如Landmark、Sysdrill等）來實現(xiàn)。

圖3-4專業(yè)智能應用系統(tǒng)

3.3.2生產經營管理系統(tǒng)

生產經營管理系統(tǒng)主要由遠程調度指揮子系統(tǒng)、鉆井管具管理子系統(tǒng)、鉆井基層隊資質管理子系統(tǒng)、鉆井HSE管理子系統(tǒng)、鉆井質量綜合評價子系統(tǒng)、鉆井物流成本管理子系統(tǒng)、鉆井企業(yè)綜合業(yè)務管理子系統(tǒng)等構成，該系統(tǒng)主要是圍繞鉆井生產運營組織工作進行的（如圖3-5所示）。

圖3-5生產經營管理系統(tǒng)

（1）鉆井協(xié)同調度指揮子系統(tǒng)是以GIS為基礎，整合各種采集、通訊、數(shù)據(jù)分析處理技術，實現(xiàn)對整個鉆井工作的智能協(xié)同指揮。

該子系統(tǒng)中集成了視頻監(jiān)控和網絡會議模塊，將井場關鍵視頻信息根據(jù)需要優(yōu)選通訊方式傳輸至指揮中心，在現(xiàn)場部署的移動式遠程監(jiān)控平臺的支持下，通過視頻、語音、短信息交流，實現(xiàn)虛擬會議，使得井場與指揮中心能夠跨專業(yè)、跨平臺、跨操作系統(tǒng)的遠程協(xié)同工作，實現(xiàn)重點井場或緊急情況下的遠程技術協(xié)作與指揮調度。

協(xié)同調度指揮子系統(tǒng)可以同時支持基于Windows系統(tǒng)的傳統(tǒng)Pc接入和訪問，也支持基于iOS、android等系統(tǒng)的智能手機、平板電腦等移動終端。

（2）鉆井管具管理子系統(tǒng)功能主要包括鉆井管具（管材、鉆具、井控設備等）的準備、跟蹤與管理。

（3）鉆井基層隊資質管理子系統(tǒng)實現(xiàn)對鉆井基層隊伍的規(guī)范、量化管理。

（4）鉆井HSE管理子系統(tǒng)實現(xiàn)對HSE及執(zhí)行情況進行動態(tài)管理與監(jiān)控。

（5）鉆井質量綜合評價系統(tǒng)是對鉆井施工質量進行系統(tǒng)性綜合評價。

（6）鉆井物流成本管理系統(tǒng)實現(xiàn)對鉆井物流和鉆井成本管理。

（7）綜合業(yè)務管理系統(tǒng)主要處理鉆井各相關單位的日常辦公和管理業(yè)務。

4 結束語

鉆井生產遠程指揮物聯(lián)網系統(tǒng)建設為油田工程技術單位提供了鉆井生產全周期一體化的解決方案，可以大幅降低鉆井安全風險和操作成本，整體提高鉆井工程的指揮決策水平，為安全、優(yōu)質、高效的鉆井生產提供了有力保障。

參考文獻

[1]檀朝東等．油井在線監(jiān)控計量分析系統(tǒng)技術研究及應用[J].工業(yè)計量,2008,18(5):1-4.

[2]檀朝東等．油氣水井生產物聯(lián)網系統(tǒng)iPES的技術研究[J]．中國石油和化工，2012，3：61-64．

[3]閆學峰等．油田工程技術物聯(lián)網系統(tǒng)功能設計[J].中國石油和化工，2013，4：59-61．