现代信息技术在石油钻井中的应用研究——关于钻井信息工程学的探讨<br/>

现代信息技术在石油钻井中的应用研究——关于钻井信息工程学的探讨

2014-03-03马鹏鹏中国石油勘探开发研究院北京100083中国石油集团钻井工程技术研究院北京102206

石油天然气学报 2014年7期

马鹏鹏（中国石油勘探开发研究院，北京 100083；中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 102206）

周英操，蒋宏伟，连志龙，赵庆，赵亦朋（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 102206）

石油钻井工程投资巨大，风险性很强。据统计，钻井费用一般要占油气勘探开发总费用的40%左右［1］。为了有效地控制钻井施工成本，获取更多利益，国内外致力于研究各种新技术［2，3］来提高钻井效率、降低钻井成本。近年来，随着现代信息技术的发展，其在钻井工程中的应用越来越多，比如随钻测量工具、井下闭环钻井系统、钻井工程设计和风险控制软件和生产运行管理系统等都是以现代信息技术为核心所研发。现代信息技术能够大幅提高石油钻井水平和降低钻井风险，钻井工程的发展也越来越依赖于信息技术。鉴于此，国家科技重大专项设立专项课题，旨在促进我国钻井信息化进程。在课题开展和攻关阶段，发现我国缺乏大量兼具钻井工程和现代信息技术交叉知识的人才。因此，在分析现代信息技术的内涵、钻井工程技术发展历程和信息技术在钻井工程中的应用的基础上，笔者探索性提出了建立“钻井信息工程学”这一学科分支的构想，以求培养大量具备钻井和信息技术复合知识的人才，满足行业的强烈需求。笔者着重介绍了钻井信息工程学基础理论、基本问题、学科框架和主要研究内容。

1 钻井信息工程学产生的背景

1.1 现代信息技术的内涵

信息技术是指信息的获取、整理、加工、存储、传递和利用过程中所采用的技术和方法。现代信息技术自20世纪60年代开始发展［4，5］，主要包括电子技术、信息处理技术、信息传递技术和信息技术应用方法。发展历程包括：信息处理、网络和通信技术发展，信息获取技术发展，依赖信息技术应用提高现实生产力的信息化阶段。

现代信息技术的应用主要包括计算机硬件和软件技术、网络和通讯技术、应用软件开发工具等。软件技术是现代信息技术应用的核心，已成为推进信息化的核心技术，特别是嵌入式软件的发展使软件走出了传统的计算机领域，促进了智能化的发展，例如井下闭环钻井技术中所应用的自动控制系统。

随着现代信息技术在基础学科中的应用及和其他学科的融合，促进了新兴学科（如计算物理、计算化学等）和交叉学科（如人工智能、电子商务等）的产生和发展。而现代信息技术在石油钻井工程中的应用，促进了钻井信息工程技术的逐步发展，使得石油行业对掌握现代信息技术和油气井工程交叉知识的专业人才的需求也越来越强烈。

1.2 现代信息技术在石油钻井工程中的发展应用

1.2.1 石油钻井信息技术的主要成就

目前为止，石油钻井信息化成就主要包括2个方面［6～12］：一是新技术的配套软件，包括井下信息实时采集工具（如CGDS－Ⅰ近钻头地质导向钻井系统）的嵌入式软件和水平井钻井、多分支井钻井、控压钻井等新技术的配套软件；二是钻井工程管理、设计和监测软件系统，包括生产运行管理系统，钻井数据采集、储存和管理软件系统，钻井工程设计软件，仿真监测软件等，比如美国哈里伯顿公司开发的Landmark，斯伦贝谢公司开发的Osprey Drilling，BP与斯伦贝谢公司的无意外风险钻井技术（NDS），挪威的eDrilling系统等。

1.2.2 从钻井的生命周期看现代信息技术的应用

1）现代信息技术在钻井设计阶段的应用设计阶段的主要内容包括：地层压力预测、井身结构设计、套管柱设计、井眼轨迹设计、水力分析计算、井眼稳定性分析、固井设计与模拟、钻井液分析与设计、钻具组合设计、摩阻扭矩计算、定向井水平井计算等。

开发相应软件系统进行计算，辅助完成钻井方案设计，可以大幅提高工作效率，降低时间成本和人工成本。然后，借助钻井风险控制软件系统对钻井方案进行仿真分析，预测可能遇到的井下风险，并采取措施规避风险来避免损失。

2）现代信息技术在钻井施工阶段的应用 ①硬件方面：在随钻采集工具和技术发展的基础上，钻井信息系统可以自动采集处理实时的井下钻井数据。在地面还有地质综合录井仪和钻井参数仪两大类信息采集工具。这些硬件技术是钻井数字化施工的基础，是安全高效快速钻井的信息保障。另外，可以通过在井场建立局域网，连接到钻井数据采集工具和系统上，并通过卫星与基地相连接，建立虚拟办公环境，实现在基地对钻井现场的监督、管理与决策。②软件方面：应用软件系统实现随钻实时数据的采集、数据库的管理，数据的网络传输、钻井信息的三维可视化和钻井风险控制，配合钻井专家的分析来指导钻井施工。还有更先进的闭环自动钻井技术，将软件嵌入到井下钻进工具中，最大限度地避免井下复杂情况的发生。

3）现代信息技术在钻后评估阶段的应用完钻后，将钻井设计和施工阶段采取的措施和相应的效果及钻井中发生的其他信息采集到数据库中，进行综合分析处理并回顾学习，总结经验教训，评估项目效率和效益，生成辅助决策信息，并更新钻井模型数据库和专家知识库，为将来的钻井工程提供参考。

1.2.3 从钻井的发展阶段看现代信息技术的应用

钻井技术的发展主要经历了4个阶段［13，14］：第1阶段为1920年以前的经验钻井阶段；第2阶段为随后30年（即20世纪50年代之前）的钻井发展阶段；第3阶段为20世纪50年代～20世纪80年代的科学化钻井前期阶段，主要发展了喷射钻井技术、优选参数钻井技术、平衡压力钻井技术、丛式井钻井技术及高效钻头技术、井控技术、保护油气层技术等先进技术；第4阶段为20世纪80年代中期至目前为止的科学化钻井后期阶段，以钻井信息化、可视化、智能化为特点向全自动化钻井方向发展。

钻井发展的现阶段，以全自动化钻井为目标的钻井关键技术中对信息技术的应用主要包括：钻井信息的实时检测、传输技术，包括最新的地质导向、地面和随钻测量技术等；钻井信息的实时处理和分析技术，包括钻井信息的数据库管理和网络共享、信息的三维可视化等技术；钻井过程计算机智能控制、决策技术，将人工智能和专家系统应用于计算机自动控制，实现钻井的全自动化。

1.2.4 我国石油钻井软件的发展现状

目前，我国自主开发的钻井软件体系［15］分散、生命周期短、影响范围小、规模水平低，存在重复开发现象，不同系统之间多相互独立，由于标准不统一等造成信息数据很难甚至根本不能进行交流和共享；对国外的同类应用软件存在重复引进现象，造成资金、人员等的浪费。

1.2.5 发展石油钻井信息技术的必要性

钻井工程从钻井数据采集、传输、存储、数据分析、实时决策和钻井风险分析等整个钻井过程，都需要在软件的支撑下才得以实现，是实现自动化钻井的必要手段。钻井软件支持了从设计、施工到总结的整个钻井过程，使钻井工程设计和钻井施工实时优化对钻井软件的依赖逐步增强。对于复杂井的各种钻井风险控制技术，需要大量的钻井软件提供支持。另外，钻井新技术、新装备的发展对专用软件的需求逐步增强，如欠平衡钻井、控压钻井、地质导向钻井、连续管钻井等均需要配套的专用软件。将信息技术应用于钻井工程数据库、钻井工程生产及技术管理、钻井工程设计和钻井决策控制系统等方面，可以大幅度缩短设计周期，提高设计质量，有效控制并避免钻井风险，提高钻井生产经济效益。

钻井信息是钻井技术进步的基础，创新性钻井技术的发展都必须依赖于信息采集和处理技术的进步和突破。发展石油钻井信息技术必须从3个角度出发：①坚持不懈地开展钻井基础理论研究，这是实现钻井信息化、自动化、智能化和科学钻井的基础。②研究测量工具的应用，应该了解各种测量工具的基本原理和性能，研究对所有可测钻井参数进行处理的理论方法，建立一系列的处理各钻井参数的理论分析模型。③开发一体化、自动化的钻井软件系统，实现钻井信息采集实时化、钻井信息传输集成化和钻井过程可视化；利用现代信息技术、专家知识经验和人工智能方法实现钻井决策智能化。

综上所述，为了实现自动化钻井，在发展日益加快的钻井信息采集工具的基础上，需要加快研究工具的应用和研发钻井一体化软件系统，加深对信息采集、处理和分析的基础理论和工程模型的研究，而这一切都需要专门的交叉性人才来完成，因此可以预见，钻井信息工程学将对钻井自动化的发展提供重要的理论基础支持和专业的人才，对新时期石油的勘探开发生产有着重要的意义。

1.3 钻井工程中涉及到现代信息技术的问题

钻井信息工程学将涉及钻井信息采集工具的研发、钻井信息的管理、钻井工程的设计和钻井过程的控制等问题（图1）。

图1 钻井信息工程学涉及的问题

如图1所示，钻井信息工程学涉及到现代信息技术的问题主要包括：①钻井数据信息采集与处理技术，即对钻井数据的采集、传输、处理和应用的技术；②开发软件完成钻井设计与施工过程中复杂的分析计算工作，比如力学分析、方案设计、实时监测等；③钻井信息管理所需硬件设备的配置，如测量工具、传输设备和接收设备等。

2 钻井信息工程技术国内研究进展

2.1 钻井工程理论基础研究

钻井工程的计算主要涉及到管柱力学、流体力学和岩石力学等内容。近些年，各石油公司研究院和石油高校在这一领域的理论基础方面做了大量的研究。对于井下管柱［16～18］在压扭作用下的力学行为、钻头的造斜力计算进行了深入的研究，用有限元、加权余量等数值分析方法进行定量求解，为井眼轨迹的预测创造了理论基础。在钻井流体的单相流、液气两相流、油气水三相流等方面都有了一定的进展［19，20］。而对于岩石力学方面［21～23］，已经由力学分析向着力学与化学耦合研究的方向发展。

这些理论方面的研究进展为发展钻井信息工程技术提供了前提条件，将最新的理论模型应用于相关的软件系统中，提高了软件的实用性与准确性。

2.2 钻井信息化的数据分析技术

钻井数据包括钻井历史数据和实时采集数据，主要来源于地面测量数据，井下测量数据（地质数据、轨迹数据、钻进数据等）和外部数据（邻井数据、区块数据、经验性数据、工具特性数据、人员情况数据、工况数据）等。目前，国外的石油公司都建立了自己的信息数据库，充分利用钻井数据提高钻井水平。而对国内来讲，虽然对钻井数据的分析利用技术已经由传统的统计分析向着深层次的建立数据仓库进行数据挖掘的方向发展，在数据挖掘理论体系，数据挖掘算法的效率和处理能力，分布式挖掘和实时挖掘，半结构和无结构等数据类型的挖掘等几个方面都进行了大量的研究工作［24～29］。但是，由于缺乏统一的数据标准和数据共享机制，使得不同油田之间、科研单位和油田之间的数据共享困难，不利于科研工作的进行，在一定程度上掣肘了研究工作进展。

2.3 在钻井风险控制方面的研究

国内从20世纪80年代开始研究利用计算机分析钻井事故，进行钻井复杂诊断与处理的应用。众多学者在这一领域要解决的许多难题方面进行了大量的研究工作，取得了一系列的阶段性成果［30～36］，其中包括对逆向推理、不确定反向推理、案例推理、规则推理、模糊推理、神经网络等钻井复杂与事故类型的诊断理论，还研究了远程钻井事故诊断的实现技术，特别是对钻井参数特征和钻井风险因素的提取方法做了理论研究。为利用钻井实时数据，对钻井井下风险的实时动态预测分析创造了非常有利的条件。

虽然国内也取得了一定的成就，但在利用钻井实时数据分析技术形成完整的钻井软件进行钻井现场施工指导方面，距国外的技术水平还有相当大的差距。因此还需投入大量人力物力去开发一体化的钻井软件系统。

2.4 在产品开发应用方面的一些成果

近些年，国内的一些软件公司和高校在钻井工程设计系统、钻井信息采集与传输系统、钻井信息管理系统、钻井信息可视化处理系统和钻井实时监测系统等方面都做了一定的工作，取得了一些成果。比如，钻井工程设计一体化系统、Navigator定向井水平井轨迹设计及计算分析系统、井场信息集成平台系统、井场信息远程传输及网络发布系统、钻井信息管理系统软件、钻井信息管理与工程服务系统、石油工程技术服务信息管理平台、三维地质模型软件系统、钻井事故复杂远程实时预警系统、钻井工程监测与辅助决策系统、欠平衡钻井压力控制监测系统、欠平衡钻井动态计算软件等。

通过这些成果调研发现，我国钻井软件存在体系分散、重复开发的特点，缺乏统一的管理与推广应用，影响钻井信息化水平的发展，且造成了资金和人员等的浪费。

鉴于这种现象，中国石油集团钻井工程技术研究院联合众多钻探公司及石油院校，共同开展攻关，发展我国钻井信息技术，并取得了阶段性研究成果。开发了钻井工程设计软件；钻井工程设计软件平台；钻井数据库管理系统；钻井工程设计和工艺专用软件系统；钻井实时监控与技术决策系统。经过大量实钻井的实例验证，这些软件系统符合率和实用性较高，取得了初步成果。

3 钻井信息工程学的学科框架与基本问题

3.1 若干基本问题

3.1.1 定义

钻井信息工程学是以钻井工程技术为基础，以现代信息技术为核心，研究钻井工程中信息的采集、传输、储存、处理与应用以及信息数据挖掘的所有技术和方法的一个学科分支。这一定义包含着两方面的内容，一是为钻井工程数据的采集、传输、储存、管理提供技术，主要是将数据收集到数据库中以备应用；二是对钻井数据的分析处理技术，在对数据分析的基础上，进行钻井工程设计、钻井过程控制、钻后总结评价等钻井各阶段的工作。

它是现代信息技术和油气井工程相结合的产物，是一个多学科交叉的应用技术领域。它可以作为油气井工程下属的一个新的学科分支。它涉及到整个钻井过程中钻井信息采集、处理、存储、传输和应用的基础理论及相关软件产品的开发。

3.1.2 研究对象、目的和性质

钻井信息工程学的研究对象是涉及钻井工程各个阶段的现代信息技术的应用问题。它主要基于先进的测量工具，研究钻井信息的处理技术和应用方法。

研究钻井信息工程学的主要目的是为了认清现代信息技术应用于钻井工程的方法，从理论上研究钻井信息的处理、分析和应用，从实践上开发可靠稳定的软件系统，从经济上和技术上高快好省地解决工程问题。

复杂的勘探开发地质条件和现代信息技术的飞速发展决定了钻井信息工程学的难度、复杂性和特点，也决定了钻井信息工程学这一分支学科的研究性质，即是一门理论性、应用性都很突出的站在时代前沿的多学科交叉的工程应用技术领域。

3.1.3 学科特点

综上所述，钻井信息工程学是集理论研究、实验研究、软件开发和现场应用于一体的工程技术领域。现代信息技术和钻井技术的结合与交叉是其主要的特点。主要特征为：以钻井自动化为目标，以现代信息技术为核心，以钻井基础理论为基础，以钻井测量技术为基准，以室内实验和现场试验为手段。

3.2 钻井信息工程学的学科框架

钻井信息工程学由以下4个基本部分组成。

1）理论基础这一学科分支的理论基础是钻井信息采集和处理的技术、钻井工程的理论模型和算法实现、钻井实时数据的分析处理方法。

由于井下作业的复杂性，必须研究对采集到的钻井信息的质量管理技术，以确定各钻井参数的正确性和适用性。进行钻井工程设计必须进行一系列的钻井工程设计计算模型（包括岩石力学分析、摩阻扭矩分析、机械钻速分析、井壁稳定分析、钻柱振动分析等）的研究。还要研究对钻井实时数据进行分析的技术和方法，结合实时钻井信息、专家经验知识和人工智能技术实现钻井过程的风险诊断与自动决策控制，最终实现钻井全自动化。

2）技术基础这一学科分支的技术基础是现代信息技术和先进的钻井信息采集与传输工具。钻井测量工具的发展日新月异，要紧跟时代前沿技术，研究各种测量工具的可测参数的处理方法，以及这些参数在进行钻井工程设计、施工和钻后总结阶段的用途。

3）产品开发这一学科分支的目的是为了研究开发钻井各阶段应用的各种新的钻井装备嵌套所需要的各种设计、监测、分析和控制的软件系统，以实现钻井的全过程自动化。软件系统的广阔应用范围和钻井工程的实际需求，决定了钻井信息工程学这一分支必将具有重大的经济效益和社会效益，并可望以此为基础形成一条完整的技术产业链。

4）实验室建设和实验方法配套的实验室是钻井信息工程学的重要手段和基础。对先进的测量工具的研究和试验性应用需要以实验室为环境，钻井模型算法的准确性需要进行实验验证，最终开发的软件系统的运行稳定性需要在实验室进行测试。

综上所述，产品开发是钻井信息工程学的主要目的，理论基础研究是开发稳定、可靠、实用且受客户欢迎的产品的前提条件，而实验室建设和实验研究又是理论研究和技术研究的基础和依托。

3.3 钻井信息工程学的主要研究内容

3.3.1 钻井实时信息采集处理技术研究

1）井下和地面测量工具的跟踪研究钻井信息化的发展离不开现代先进的测量工具，充分利用所有可测数据，并挖掘其深层含义，对钻井信息工程技术的发展有深远的意义。目前，对于国际最先进的井下测量工具，其测量参数究竟有何意义？如何应用？国内并没有研究透彻，因此需要专门的科研人员去跟踪研究。

2）钻井测量数据质量管理方法由于井下复杂状况下的各种干扰，导致实时测量的数据往往存在偏差甚至错误，应研究适用的数据修正、筛选、错误数据过滤等的技术。比如现在应用比较广泛的小波分析法，应用其对钻井实时数据进行处理后，是否可以有效消除噪声？是否会影响甚至消除特征信号？

3）信息采集和传输技术信息采集和传输要涉及到数据传输的加密解密技术、数据存储和传输格式、数据接口设计、数据的完整性等问题。如何应用这些技术来保证钻井实时信息的秘密性和完整性是钻井信息工程学亟待解决的问题。

3.3.2 钻井实时数据的分析和应用技术研究

1）钻井信息的可视化技术研究目前对于钻井参数的二维曲线显示技术已经相当成熟，只是需要设计更符合客户需求的界面就可以了。对于钻井信息的三维可视化技术，国内并没有成熟的技术产品，而国外的产品已经相当成熟，如挪威的eDrilling系统。对于国内来讲，如何实现三维显示，如何紧跟计算机技术的发展，开发未来几十年不落伍的三维显示系统都是当下必须要做的工作。需要研究的具体内容包括：与钻井相关的测井、地质、地震数据模型的通用接口技术；钻井交互式三维可视化技术研究；钻井信息与三维虚拟对象的实时关联技术研究。

2）钻井风险评估和预测数学方法研究通过监测钻井工程各项参数变化，选择合适的数学方法或模型，实时正确地判断井下状况，主要是对钻井风险评估方法的选择与应用效果分析。比如对模糊方法、神经网络法、贝叶斯分类法、专家系统、故障树诊断、模拟退火以及演化算法等数学方法的对比应用分析，建立相应的数学模型并从中选出最适合在钻井风险评估预测中应用的方法。

3）钻井智能化软件系统研发主要包括数据采集和解释软件开发、钻井风险诊断软件开发、钻井风险预测软件开发、钻井实时仿真分析技术等一系列软件系统的开发，最终集成为一体化、自动化的钻井软件系统。能够实现钻井信息采集实时化、钻井信息传输集成化、钻井过程可视化、钻井决策智能化、以及钻后经验总结等功能。

4 钻井信息工程学学科发展展望

1）钻井信息工程学除涉及钻井工程外，还涉及测量工具、测井录井数据、软件开发等方面的知识，更与现代信息技术的发展息息相关。而现代信息技术的发展非常迅速，基于现代信息技术测量工具的发展也是日新月异，如何紧跟时代的步伐，充分利用现代信息技术促进石油钻井水平的提高，是钻井信息工程学必须要解决的问题。

2）随着钻井向着深井、超深井及深海等复杂的地质环境钻进发展，对钻井信息工程技术的需求必然越来越多。建立钻井信息工程学，培养具备信息技术和钻井工程交叉知识的人才，研究钻井信息工程学所涵盖的信息采集、数据管理、工程设计和过程控制等技术和软件系统，对促进我国的钻井信息工程技术的发展有着深远的意义。

3）当前，世界各大石油公司都把信息化作为核心战略之一，而钻井技术的信息化也给各大石油公司带来了巨额的经济利益。可以预言，随着世界各国对油气需求量的不断增长和勘探开发难度的日益增大，钻井信息工程学也必将具有更大的发展潜力，这一领域将对未来的石油工业产生重大影响。

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