数字化石油钻井系统框架研究
杨传书
在信息技术迅猛发展、市场竞争日益激烈的今天，国内外大公司、大企业纷纷加强信息化建设，优化工作流程，提高技术和管理水平，以期达到提高核心竞争力、创新增效的目的。信息化如何带动石油勘探开发这个传统的工业完成新一轮的革命,我国很多石油企业纷纷开始了数字油田的研究与建设。而石油钻井作为上游业务中耗费投资最大又对石油勘探开发水平产生重大影响的工程技术服务板块，其信息化也已经得到石油企业的高度重视。在数字油田建设的大背景下，数字化石油钻井系统建设也已经成为了石油钻井行业信息化的代名词。 石油钻井行业的特点及面临的形势
石油钻井是石油勘探开发业务流程中最重要的环节之一。它是最直接的勘探手段，只有通过钻井才能最终确定油气藏的存在。它是实现石油开发（开采）的惟一途径，油气只有通过钻井井眼才能输送到地面。钻井施工作业大多在荒郊野外，而且大多没有进行过大规模的基础设施建设，地理条件复杂，对施工现场的管理和技术支持极为不便。
目前，世界石油钻井行业面临着以下严峻的形势：
1．技术上，要在越来越复杂的地质条件下达到越来越高的中靶精度；管理上，石油企业需要大幅度降低成本，要求钻井管理更加精细化、决策更加科学化。
2．石油钻井工程涉及到多个学科领域，是一个人员与技术高度密集，集技术、管理与经济运营等为一体的系统工程，也是融合多学科技术知识的一项综合工程，要提高整体水平难度很大。
3．钻井工程投资大、风险高，钻井过程中所使用的技术方法和专业技术人员、管理人员所做出的各项决策、制定的方案等都直接关系到钻井施工的效益和成败。
全世界的钻井服务商都面临着前所未有的来自经济与技术两个方面的巨大挑战。国外很多油公司和钻井工程承包商在这方面走在了我们的前面，他们已经逐步建立起了先进的钻井信息系统，实现了数字化施工。 国外钻井信息系统的发展情况及特点
国外钻井服务商早在20世纪80年代开始就将信息技术应用到生产指挥中，取得了巨大的经济效益。到90年代，开始研究建立集钻井数据采集、数据信息传输、钻井数据库、钻井工程设计、钻井施工监测和钻井生产指挥为一体的钻井信息系统。钻井参数自动采集，生产信息及时送入现场计算机，通过通讯网络实时传送到总部信息中心，经过专家会诊做出决策，反馈到钻井现场进行实时监督，指挥钻井生产。
国外比我们提前近10几年进行钻井信息技术的开发利用。由于采用了先进的技术及与其相对应的应用系统、应用软件，将信息技术很好地应用到了钻井生产中，充分发挥了计算机的优势，使得钻井水平、速度有了很大提高。可以说国外钻井信息技术应用比较成功的国家，钻井队已到了离开计算机就无法打井的水平。
美国兰德马克(LANDMARK)钻井数据管理平台实现了钻井、完井和老井维修数据资料的一体化管理。意大利阿吉朴(AGIP)公司的钻井信息系统是一套非常先进的钻井信息系统，其特点是实现了钻井数据资料的实时采集和处理。整个系统包括数据采集、卫星通讯和数据处理系统三大部分，数据处理系统的开发技术实现了数学模型和人工智能技术的有机结合，对与钻井工程关系密切的、影响钻井安全的、经济的几个方面作了高水平的开发。BPAmoco，Texaxo
1 和EnterpriseOil等著名石油公司都已实现了一体化的数据管理和决策支持信息系统，有力地支持了公司决策，大大提高了生产效率，有效地降低了生产成本。
国外钻井信息系统普遍存在以下特点： 1．信息量大，信息覆盖面广 2．网络健全，应用系统丰富
3．信息系统充分利用石油钻井最新技术成果 4．软件与生产实际结合紧密
5．钻井信息系统基于一体化的解决方案
因为信息化建设的投入产生了良好的效益，因此许多大公司敢于不断加大信息化投资力度，从而产生更大的效益，使得信息化建设已经进入了良性发展轨道。 我国石油钻井信息化建设的差距
自20世纪末期，我国石油企业开始了以钻井资料管理系统应用为代表的钻井信息化建设。经过多年的探索和实践，大部分企业都建立了钻井数据库，研发或配套了部分应用软件。这些系统促进了钻井技术水平的提高，一定程度上降低了钻井成本，但与国外钻井信息系统相比仍然存在很大差距，与我们国内钻井行业的自身要求仍然不相适应。主要表现在：
1．钻井数据的自动采集率低、实时性差。目前虽然在自动采集软件和远程网络技术方面取得了很好的进展，但就全国而言应用覆盖率仍然很低。
2．各企业的钻井数据库建设良莠不齐，都还没有涵盖钻井信息系统相关的全部数据，比如钻前数据、固井数据、管具数据、HSE数据、专家知识数据以及勘探开发等关联业务数据等等，使得钻井信息应用难以得到全面的信息支持。
3．现有应用系统的集成度和深度不够。虽然现有的系统在网络建设、数据采集和数据的查询、数据处理、钻井调度等方面都做了不少工作，但是缺乏对数据的更深层次分析处理、综合利用以及对钻井全过程的协同管理与指挥功能，钻井的智能化程度还很低，这些都是胜利钻井信息系统需要重点解决的问题。
4．对钻井信息化的管理滞后。虽然各企业或多或少地建立了相应的考核体系和奖惩制度，但由于管理体制改革力度不够，导致系统的推广应用效果不尽人意，尤其是数据不能按规定及时、准确、完整地采集入库，使得整个系统效率难以充分发挥，这就给后续的许多深层次的信息应用造成很大的阻碍。
5．基础设施不能满足应用需求。我国石油钻井企业的服务器配置和网络建设等方面不能满足不断增长的数据管理和应用的需求。
数字化石油钻井系统目标及框架
数字化石油钻井系统是包括钻井数据库、钻井应用软件和钻井基础设施在内的钻井综合信息系统，是在数字油田的大背景下提出的。数字化石油钻井系统的建设目标是：建设一套与国际接轨的具有国际先进水平的钻井信息系统，形成集钻井基层队、钻井专业公司（研究院）、油田总部为一体的，能够满足市场开拓、生产、管理、科研、经营、HSE管理等需求的信息体系，提升我国钻井行业和钻井企业的核心竞争力。
石油钻井的主流程是从市场信息的收集与分析开始，经过地质设计、工程设计、钻前以及钻井施工过程，其中钻井施工过程还包括管具及井控、欠平衡、泥浆、固井、定向井及取心服务等子流程和录井、测井、试油（或中途测试）等关联业务，流程所涉及的单位除了钻井队外，还有钻井设计单位、钻前施工队、固井队、定向技术服务队、欠平衡服务队、泥浆服务队、录井队、测井队、试油队，以及上层的钻井公司、钻井研究机构和技术服务等单位。 在全面考虑钻井全过程所涉及到的数据以及各单位从事生产经营活动所需要的应用功能，从钻井数据的采集与管理、上层应用、网络与基础设施配套等三方面提出数字化石油钻
2 井的总体框架设计，见图1。
上层应用专业辅助应用系统（数据挖掘等深层次）生产、经营管理应用系统基础保障数据发布与检索系统数据质量监控与管理系统管理制度与考核措施档案培训生产科研钻井设计钻井工程钻井实时标准规范专家知识数据存储系统经营管理基建装备生产财务HSE市场企管网络与基础设施后勤支撑钻前管具泥浆定向固井供应运输维修人力资源组织劳资工会团委计生外部关联勘探开发录井测井测试地面数据中心 数据采集系统（软件）图1 数字化石油钻井总体技术框架
1.数据采集与管理体系
数据采集体系是从满足钻井生产业务需求的角度出发，通过数据采集软件和硬件，将钻井生产科研、经营管理、后勤支撑、人力资源以及关联业务等5大类源头数据按照统一的标准规范进行采集管理，做到各种数据在数据发生的第一时间以统一的格式一次性入库并通过校验，直接进入钻井数据中心集中管理，同时支持上层各类业务管理的应用和数据的深层次处理应用。这些数据在逻辑上构成一个统一的库，称为石油钻井数据中心，其内容构成如图2所示。
数据发布与检索系统数据质量监控与维护系统生产科研钻井设计钻井工程钻井实时标准规范专家知识数据存储系统经营管理基建装备生产财务HSE市场企管后勤支撑钻前管具泥浆定向固井供应运输维修档案培训人力资源组织劳资工会团委计生外部关联勘探开发录井测井测试地面数据采集系统（软件） 图2 “数字化石油钻井”数据中心构成
生产科研类数据包括钻井设计、钻井工程、钻井实时、钻井技术标准与规范、钻井专家知识等5小类。
经营管理类数据包括基建、装备、生产统计、财务、HSE管理、市场信息、企管合同等7小类。
后勤支撑类数据可分为钻前、管具、泥浆、定向、固井、物资供应、运输、维修、档案、培训等10小类。
人力资源类数据包括组织、劳资、工会、团委、计生等5小类。
外部关联业务类数据包括勘探、开发、录井、测井、测试、地面建设等6小类。 2.上层应用体系
数字化石油钻井系统还包括很多数据应用型软件，这些是真正发挥钻井信息效率的系统，主要分为生产经营管理和专业辅助应用2类，如图3所示。
专家咨询决策中心钻井数据综合处理系统钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统钻井专家系统钻井计算机模拟系统随钻地震信息处理系统„ „专业辅助应用系统（数据挖掘等深层次）生产、经营管理应用系统钻井设计系统钻井协同调度指挥系统钻井管具管理系统钻井基层队资质管理系统钻井HSE管理系统钻井质量综合评价系统钻井物流及成本管理系统综合业务管理系统钻井财务网上结算系统„ „生产运营组织中心 图3 数字化石油钻井上层应用软件构成
生产经营管理类软件主要由钻井设计系统、钻井协同调度指挥系统、钻井管具管理系统、钻井基层队资质管理系统、钻井HSE管理系统、钻井质量综合评价系统、钻井物流成本管理系统、钻井企业综合业务管理系统等MIS系统构成，该类应用主要是围绕钻井生产运营组织工作进行的。
（1）钻井设计系统功能主要包括钻井工程设计和管理、钻井轨迹设计、固井工艺优化设计、钻具受力分析、欠平衡钻井优化设计等。系统应该采用网络化协同设计思路进行设计，设计结果实现网上共享。
（2）钻井协同调度指挥系统是以GIS为基础，通过网络方式将钻井生产与管理的所有单位和部门组织在一个虚拟办公室内，通过信息的实时采集和指令的实时传递，实现网络协同调度，从而提高信息的准确性和调度效率。
（3）钻井管具管理系统功能主要包括钻井管具（管材、钻具、井控设备等）的准备、跟踪与管理也是钻井大流程中的重要组成部分，它几乎贯穿钻井全过程。管具管理的效率直接关系到现场管具供应质量和速度，也直接影响整个钻井质量和速度。钻井管具管理系统是对管具公司所有管具的整个生命周期进行管理，提高管理水平和服务水平。
（4）钻井基层队资质管理系统实现对钻井基层队伍的规范、量化管理。 （5）钻井HSE管理系统实现对HSE及执行情况进行动态管理与监控。
（6）钻井质量综合评价系统是对钻井质量进行综合评价，主要包含井身质量评价、固井质量评价、井口质量评价、取芯质量评价等。
（7）钻井物流及成本管理系统实现对钻井物流和钻井成本管理。
（8）综合业务管理系统主要处理钻井各单位的日常办公和管理业务，比如生产动态、公文管理、车辆管理、内部交流、党政事务等等，各单位的管理方式不同，所要求的功能也不尽相同，但业务项大体相同。
专业辅助应用是利用人工智能、专家系统、神经网络、模糊逻辑、进化计算等新理论与技术同室内试验相结合，进行钻井工程计算机建模及数据挖掘，以最大程度地发挥信息资源的优势。它主要包括钻井数据综合处理系统、钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统、钻井专家系统、钻井计算机模拟系统、随钻地震信息处理系统等等，该类应用主要是围绕钻井技 5 术专家咨询决策进行的。各系统的主要功能简介如下：
（1）钻井数据处理系统主要包括以下部分：钻井数据分析技术研究；钻井综合成本分析；底部钻具分析；时效分析；与勘探开发数据库、油藏描述数据库、测井数据库、地质录井数据库的接口；井身结构和套管的优化设计；对实钻数据的分析和优化设计；钻井施工措施实时优化；井眼轨迹设计、预测和监控。
（2）钻井地质环境描述及实钻轨迹描述系统是对地层构造、设计轨迹、靶点、老井井眼轨迹、正施工井井眼轨迹等进行三维显示，供现场作业人员用于进行油井路径和钻头空间方位的观察与监视，并且与事先输入的钻井设计数据进行对比，可以为现场作业人员提供钻头的实际空间方位与设计空间方位之间的偏离信息，为操作人员控制钻头的走向提供可靠的依据，以便随时调整钻井工艺，实现可视化钻井。
（3）钻井专家系统主要是利用强大的数据资源（实钻数据和经验数据），结合先进的钻井技术，建立合理的模型，智能地处理钻井施工中的各种问题，达到预防和处理事故，提高钻井速度，降低钻井成本之目的。
（4）钻井计算机模拟系统在快速准确地提供信息的基础上，利用数理统计理论、人工智能方法等，建立数学模型，对工程施工提供可选择的最优方案。
（5）随钻地震的信息处理系统对钻头钻进过程中钻头与钻遇地层之间的撞击、摩擦所产生的微弱地震信号作为信号源进行处理，实现钻井过程时实监测的手段，及时为钻井工程师和决策者提供相关信息。 3.基础设施配套体系
基础设施保障方面，需要从钻井基层队—>钻井公司—>油田—>集团总部进行一系列的基础设施建设，建设内容包括数据采集仪器配备、网络建设、服务器配备以及其他相关设施的配套建设。钻井基层队需要配备钻井参数仪、数据采集计算机和无线上网设备（如GPRS/CDMA卡），在偏远山区、沙漠和海洋等地施工的钻井队还需要配备卫星地面站，以实现数据的远程传输和施工的远程指挥；钻井公司以上单位则重点是配备满足数据管理和应用软件运行所需的服务器，应该根据所需量力而行，不可盲目贪大。为了生产调度的方便，可以为钻井公司配备大屏幕等设施，真正实现数字化、可视化调度指挥。基础设施的逻辑部署如图4所示。
卫星摄像机GPRS/CDMA计算机钻井队参数仪钻井队软件应用软件应用计算机参数仪存储钻井分公司软件应用软件应用千兆网存储钻井技术公司千兆网存储钻井分公司软件应用存储固井公司千兆网存储管具公司千兆网主干网千兆网大屏幕(7）千兆网千兆网油田总部IBM软件应用软件应用存储钻井总公司存储
图4 数字化石油钻井基础设施逻辑结构
效益分析
对于石油钻井这个融合多学科技术知识、投资大、风险高的综合工程来说，所使用的技术方法以及中、高层专业技术人员和管理人员所做出的各项决策分析、制定的目标方案都直接关系到钻井施工的效益和成败。另外，钻井作业地区从陆地到海洋，从高原到沙漠，复杂多变，地域辽阔，有的自然条件极其恶劣，远离人烟，偏远、荒芜，给施工带来极大的不便，因此，若仍按石油工业的传统方式组织和指挥施工，将要耗费巨大的成本和代价。另外，由于地质情况的多变性和复杂性，钻井工艺技术的发展不仅需要多种理论知识的指导，而更重要的是通过钻井过程中产生的大量数据资料的分析处理，形成规律性的认识，完善和优化钻井工艺技术，达到提高钻井速度、降低钻井成本、减少钻井过程对油藏污染的目的。这些都离不开信息技术的应用。
数字化石油钻井系统建设能够将钻井实时数据不断采集、传输，经过软件处理，专家会诊后再把决策指令反馈到钻井队，实现实时最优化钻井施工。可以使钻井和油藏地质人员“透视”地下三维图像以实时地监督正钻和待钻的井身轨迹。系统将综合运用网络技术、信息技术、数据库技术、综合性软件集成技术和Internet技术，使钻井过程控制和优化钻井达到新水平，使石油钻井的信息共享和技术应用突破地域的界限，各学科专家组成的项目工作组远程协同工作成为现实。
数字化石油钻井系统的最终价值主要有四个方面：降低钻井成本；整体提高钻井技术水平，从而提高石油勘探开发效率；提高钻井安全性；提高钻井系统的核心竞争力，从而创造更高的效益。
作者简介：杨传书，男，胜利油田钻井工艺研究院钻井信息中心工程师。他长期从事石油软件研发与项目管理、石油企业信息化研究工作。现正在参加国家863科技攻关项目“PetroDW 关键技术研究”以及数字化石油钻井系统研究工作。
