基于物联网的钻井远程支持系统应用现状及发展方向

葛云华 周 波 张彦龙

（中国石油集团工程技术研究院有限公司规划与支持研究所）

“深、低、海、非”是油气储量与产量新的增长点，随着新增油气资源品质不断劣化，迫使油公司大量采用超深井、长水平井、丛式井、大位移井等更为复杂的井以提高开发效果。钻井是认识油气层、建成油气产能的核心环节，钻井投资占油气上游投资的50%以上。针对复杂井风险高、施工难度大、周期长、能胜任设计施工的专家有限等难题，亟待通过技术革新助推钻井工程提质提效。大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术正在深刻影响着世界油气工业发展，成为油气行业持续提质降本增效的有效途径和必由之路[1-3]。紧紧把握这一发展趋势，顺应发展潮流，抓住发展机遇，实现传统行业转型升级，是建设新型服务型企业的必由之路。

1 RTOC核心要素

钻井远程支持系统（Real Time Operation Center，简称 RTOC）是利用物联网技术，将现场作业数据实时传输到作业中心，通过中心多学科专家团队监测诊断分析，前后方协同，实现对现场作业的实时监测、预警与优化，大幅减少作业风险，提高作业效率。该系统为专家提供了一个从工程设计、实时施工优化到效果评估一体化的协同作业平台，可实现对来自多个数据源的钻井和完井等数据的全面捕捉、查看和分析，通过对数据流实时统计计算，可警告存在的潜在问题、辅助指导运营决策、基于情景适时启动工作流，减少非生产时间，降低作业风险和综合成本[4-9]。其核心要素主要包括数据、技术、人员3个部分。

数据是远程支持系统运行的基础、科学决策的依据[10]。从钻井远程支持系统监测、预警和分析优化等应用出发，在钻井作业过程中提供钻前优化、钻中监测预警、钻后分析评估，不同业务应用阶段配套共享相应的数据。其中，钻前，根据目标井所属区块，从油田获取地震体、地层剖面、地质解释成果、邻井测井解释成果，开展地学和压力建模；从钻探公司获取邻井井史、录井、试油成果，开展工程建模。钻进过程中，从仪器自动截取实时数据，从工程技术企业获取静态数据，从井场监控视频库共享监控视频信息，开展关键节点操作分析、回顾和实钻分析与方案优化；钻后，共享工程技术总结、钻井液技术总结、固井施工总结、定向井施工总结和井史等资料，开展作业施工质量、效率和投资回报率分析（图1）。

技术是共享服务的手段，钻井远程支持系统技术主要集中在数据共享平台、专业计算软件和音视频交互等。得益于计算机、高性能图形工作站、物联网、大数据、云计算等技术的快速发展，该系统实现了由以工程监测与生产管理为主向以风险管控、作业优化、实时决策支持为主的升级转变，最大限度挖掘作业潜力和专家作用，实现对生产业务的支持[11]。

人员是钻井远程支持系统运行的核心，各业务领域专业人员通过对数据分析、应用，实现不同专业、不同区域的协同作业，达到资源优化配置。为保障系统正常运行，并有效执行生产活动监测、异常情况预警、复杂事故应急支持等职能任务，需要配备生产值班人员、重点井监测人员、分专业技术支持人员、重大事故应急支持资深专家和IT支持人员。钻井远程支持系统充分共享专家资源，专家由现场作业指导转变为后方远程技术支持，远程支持模式由单人单井、多人单井转变为单人多井、多人多井。

图1 钻井远程支持系统数据采集、传输、输出示意图

2 RTOC国外最佳实践

国外远程作业支持中心建设始于20世纪80年代，经过十几年的发展，壳牌、哈里伯顿、斯伦贝谢等国际油公司、服务公司纷纷开始建设集工程数据采集、信息传输、数据管理、工程设计、施工监测和生产指挥于一体的工程技术信息远程传输与专家诊断系统，支撑了复杂井筒条件和复杂作业环境下的工程作业。到21世纪初，随着随钻测量、信息采集、网络通信和应用软件技术的不断进步，先后建成集钻前设计、钻中监测、钻中优化、钻后评估、远程决策指挥、模拟培训于一体的共享、实时、优化、协同工作平台。目前，正在向智能远程实时决策指挥和跨学科跨平台决策发展，成为提供咨询服务的有效手段。

壳牌公司自2002年起先后在北美、亚洲、欧洲等地区建成6个钻井自动化和远程技术中心（Drilling Automation and Remote Technology，简称DART）。采用统一的标准、流程、规则及协议，所有的技术专家可以在一个中心支持壳牌全球钻探工作，可同时远程协同管理多个钻井平台，实现钻前设计、分析预测、全天候监控优化等，在深水和页岩气领域取得了很好的应用效果。

斯伦贝谢公司在全球建立了38个作业支持中心（Operation Support Center，简称OSC），部署于各地区的中心位置，为该地区提供技术支持。OSC实现了钻井数据实时监测、跨专业协同工作和远程作业管理，优化了钻井作业流程，降低了安全风险。

哈里伯顿公司在全球建立了约50个钻井远程支持系统，集成实时数据、计算机技术和运行工作流程，实现对生产过程的远程监测、支持与控制（图2），在降低非生产时间、延长钻头寿命及缩减现场人力资源投入等方面取得了很大成绩[12-15]。

BP、道达尔、威德福、国民油井华高等国际油公司和服务公司均在研究开发更加智能的新一代钻井远程支持系统，以更好地支持自动化钻井，进一步推动钻井智能化。

国外公司钻井远程支持系统建设呈现几大特点[16-17]：一是构建统一的资源平台，全球范围内实现共享，如哈里伯顿公司在美国休斯敦建设了总部级钻井远程支持中心，作为公司统一共享资源平台，负责支持美国本土和墨西哥湾作业项目，其他地区级远程支持中心分布在全球作业区域，支持所在区域的现场作业，各司其职，当地区级远程支持中心遇到解决不了的问题时，可申请总部级远程支持中心给予技术咨询和支持，充分发挥公司统一共享资源平台的作用；二是组建稳定的多学科专家团队，集中利用专家智慧，为每一个作业项目提供远程技术支持；三是建设强大的专家知识库，实现远程实时决策指挥、跨学科跨平台决策；四是建立了多学科专家团队高效、协同工作流程，规范每个专家的工作任务目标，保障一体化解决方案的快速制订；五是注重技术支持和决策支持软件功能开发，满足油公司和油服公司不同的服务需求。

图2 哈里伯顿公司完全互联的建井作业示意图（据哈里伯顿网站）

3 中国石油RTOC建设进展与应用实践

3.1 系统部署进展

中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）自2014年起开始建设基于工程技术物联网的多级远程技术支持中心，以实现多专业协同的统一工作平台，打通前后方协同的统一工作流程，共同保障生产安全，提高施工质量和作业效率（图3）。

图3 RTOC总体架构图

目前中国石油共建有钻井远程支持中心39个，其中集团总部1个、局级7个、处级28个、项目部级3个，覆盖16家油气田2482支物探、钻井、录井、测井、井下作业队伍。其中，集团总部主要开展远程支持系统的建设规划研究、功能搭建完善、重点井监测、典型井分析、应急技术支持、三级RTOC巡检、数据质量考核，配备全套工作流程；局级中心、中国石油集团长城钻探工程有限公司（简称长城钻探）和中国石油集团川庆钻探工程有限公司（简称川庆钻探）RTOC以生产调度为主、应急远程指挥为辅；中国石油集团西部钻探工程有限公司（简称西部钻探）和中国石油集团渤海钻探工程有限公司（简称渤海钻探）以生产指挥为主、复杂井支持为辅，配备全套工作流程；中国石油集团测井有限公司（简称中油测井）和中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司（简称东方物探）以生产指挥为主，配套日常监督管理。

3.2 典型应用实践

集团总部：充分利用远程监控指挥中心增强生产技术安全支持和管理能力。集团总部钻井远程支持中心对中国石油集团油田技术服务有限公司（简称中油油服）下达的约70口重点井实行监测，利用大数据预警软件和阈值报警模块实现25种工况监测与预警，对现场工程异常情况进行处置和及时提醒。

长城钻探：监控覆盖辽河油区、长庆油区、四川页岩气项目，截至2019年3月，累计监测到异常情况575次，平均1.5次/d。管理者通过钻井远程支持中心监控室和手机APP客户端可监测掌握各施工井队的实时曲线和静态数据，有效地提高了生产时效、降低了事故复杂率。

西部钻探：实现了对新疆玛湖、青海狮子沟、新疆塔里木、四川长宁页岩气等重点区块130口井现场作业的实时监控，利用钻井远程支持中心监控现场钻井风险，优化参数措施，及时向现场提供远程技术指导。

川庆钻探：实现井控预警及处置功能，截至2019年3月，监控中心累计启动井控突发事件应急预案Ⅱ级响应4次，指导处级单位Ⅲ级井控突发事件处置12次，进行井控突发事件应急演练4次。

中国石油钻井远程支持中心建设应用总体起步较晚，虽已实现区域部署，在实时监测、生产运行管理方面发挥了一定作用，但与国外公司相比，在构建统一的共享资源平台、建设稳定的多学科专家团队等方面还有较大差距，技术层面上还存在数据质控、数据融合、工程建模等诸多难题亟待解决。未来集团公司钻井远程支持中心应是一个拥有功能强大的知识库（数据库）和专业应用软件，集地质、工程、经济评价等多专业多学科且实践经验丰富的专家于一体，各钻井远程支持中心之间既有分工、又相互协作互动的一体化远程作业支持与决策平台。

平台统一设计、分级建设、分工协作，其中总部钻井远程支持中心侧重知识库和专业应用软件建设，侧重集团公司级钻井远程支持中心多学科专家团队建设，形成集团公司集中统一共享的资源平台，并对集团公司重点勘探区、重点建产区和老油田重点试验区的重点井实施监测与决策优化支持；地区公司钻井远程支持中心按照局处两级建设，其中局级钻井远程支持中心侧重本公司生产运行管理和重点项目、重点井的监测，处级钻井远程支持中心主要负责本作业区现场作业数据采集与监测。集团公司钻井远程支持中心实现三级联动，网络稳定畅通、数据实时共享、前后方实时互动，集中利用专家智慧和强大的知识库，跨学科跨平台决策指挥，最大限度共享集团公司资源。通过钻井远程支持中心的建设和实施，促进现场施工由传统作业方式向实时作业方式转变，显著提升施工动态的实时掌控能力、作业风险的分析预判能力、多专业专家协同作业远程支持能力、现场安全的管理控制能力、突发事件的应急处置能力、经验智慧的积累传承能力。

4 RTOC发展方向

伴随大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的快速发展，钻井远程支持系统将向着“全面感知、自动操控、预测趋势、优化决策”持续发展，具体体现在如下方面[18-21]：

（1）沉浸式数字化仿真。为进一步提高区块优化和生产运行效率，油气领域的领先企业在物联网、云计算、移动应用、自动化和智能分析5项关键技术方面逐步推进应用。在此基础上，借助数字孪生、3D可视化建模、AR/VR技术的快速发展，创造身临其境的数字业务环境，实现全面感知，建立企业生产运行操作流程的新模式。

（2）自动化钻井。基于网络信息通信技术、自动控制技术和全方位视频监控的远程司钻技术，可随着不确定环境、地面和井下数据的变化实时调整司钻参数，并进行自动送钻。

（3）在线预警及诊断。基于振动测试、计算机信息等技术和故障模式识别理论来实现对井场机械系统的检测与诊断，规避设备故障停钻带来的重大经济损失甚至是重大事故。

（4）地质工程一体化。从地质、力学和工具的相互关系出发，通过大数据手段分析、评估、预测井下工程变化情况，结合地质和工具的实时监测结果反向预测工程变化趋势，最终实现钻完井工程技术核心要素动态互补监视与预测。

5 认识与建议

（1）正如现代医学对病人的诊断由传统的“一对一”模式向远程专家“多对一”“多对多”会诊转变一样，通过建立物联网远程作业支持中心，实现业务专家对现场问题的会诊决策，是油气工程技术物联网发展的必然产物，将有力地助推钻井工程技术服务业务和支持模式转型升级。

（2）国内远程作业支持中心建设起步晚，在网络环境、数据链路建设、专家到位情况、专业软件和数据库系统建设等方面与国外相比还有较大差距。通过“业务主导、信息支撑、以用促建”的工作理念，目前中国石油钻井远程支持中心建设应用在现场监测、早期预警及异常处理等方面，对生产安全和提速提效业务上取得了明显成效，建议有关部门坚持这种行之有效的工作方式，加大钻井远程支持中心实体化运作力度，使其建设与应用常态化。

（3）随着深井、水平井增多，工程复杂程度和不确定因素增多，单纯从工程角度解决诸如探区地层压力预测、关键层位跟踪卡层、水平井井轨迹导向和分层分段精准压裂等关键工程问题面临着较大困难，需要工程及地质专家共同研究提出优化解决方案，规避作业风险。打造集地质工程数据成果于一体的地质工程专家协同工作的钻井远程支持中心，实现由以工程监测与生产管理为主向以风险管控、作业优化、实时决策支持为主的升级转变，最大限度挖掘作业潜力和专家作用，将是中国石油钻井远程支持中心下步建设的重要方向。

（4）工程技术物联网需要稳定的网络条件保障，建议油田公司加快油田网络条件建设，为工程技术物联网的推进创造有利条件。