1 引言

自動化與信息化技術在數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了自動化、信息化與核心生產業務的充分融合，實現了“數字”對油氣生產的增值作用^[1]。在油田工程技術領域的數字化建設，因受到技術、體制、觀念等因素所局限，一直以傳統應用為主，特別是其中的鉆井工程業務，因技術體系復雜、生產成本高企、安全要求苛刻，目前仍以傳統方式進行相對粗放的管理運作。近年來，物聯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字油田的進一步發展提供了重要的技術基礎^[2,3]，因此，依托物聯網技術實現鉆井生產的數字化與智能化是當前一項非常緊迫的任務。

根據目前鉆井業務需求分析，鉆井的物聯網系統主要立足于以下目標的實現：

（1）提供基于物聯網的現代化基礎設施平臺，滿足專家與各級決策者異地遠程協同工作需求，充分發揮專家的作用；（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的原始數據更加準確；（3）產生規范化、標準化的鉆井工程數據庫，同時高效地管理、存儲和共享這些數據；（4）形成標準化的管理流程，方便查詢和重新核算歷史數據；（5）專家組對現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網系統總體設計

鉆井生產遠程指揮物聯網系統是北京雅丹石油技術開發有限公司聯合中國石油大學（北京）在智慧油田體系總體指導下研發的包括鉆井相關的各類基礎設施、數據庫和鉆井專業應用軟件有機融合的數字智能化鉆井系統平臺。該系統基于物聯網技術，可以實現一體化實時信息采集、專家會診、優化設計、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網系統按照物聯網的技術體系，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網系統總體技術框架

3 鉆井生產遠程指揮物聯網系統功能模塊設計

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

圖3-1  鉆井生產遠程指揮物聯網系統功能組成圖

3.1 感知層

鉆井生產遠程指揮物聯網系統感知層主要實現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。

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

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

（2）需要開發完善的變化報警和實時分析功能，以協調通訊數據量大和耗電量大的問題；

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

（4）井場實時信息采集系統配備數據上傳優化模塊，以實現整個平臺通訊成本的動態控制。

圖3-2 井場實時信息采集系統示意圖

3.2傳輸層

該層由信息傳輸與物聯網網絡設備管理系統兩個系統組成。

3.2.1信息傳輸系統

基于物聯網技術的蓬勃發展，根據鉆井現場的地域特點與無線通訊的技術水平，該系統采用無線傳感網、專網和公網無線技術（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、衛星等無線傳輸技術）組成無線異構網絡來進行數據傳輸，如圖3-3所示。

圖3-3 鉆井生產遠程指揮物聯網系統信息傳輸

3.2.2物聯網網絡設備管理系統

該子系統主要包括物聯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、路由等物聯網終端設備的狀態和運行情況的監控。主要實現功能：

1）拓撲發現：現場設備自動拓撲發現，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控節點狀態。

2）節點管理：實時監控網絡拓撲圖上的節點狀態，如節點標識、聯網狀態、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據鏈路狀態等。

4）設備監控：自動采集物聯網中設備運行的實時工作狀態，包括持續運行時間、設備溫度、設備工況。

5）智能預警：根據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

應用層由專業應用系統與經營管理應用系統組成。

3.3.1專業智能應用系統

專業智能應用系統是利用人工智能、專家系統、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和井場實時信息采集系統的支持下，進行鉆井工程計算機建模及數據挖掘，以最大程度地發揮信息整合的優勢。它主要包括鉆井優化設計子系統、鉆井數據綜合處理子系統、鉆井地質環境描述及實鉆軌跡描述子系統、鉆井專家知識庫、鉆井計算機模擬子系統、隨鉆地震信息處理子系統等等（如圖3-4）。該子系統的功能主要以集成經過行業多年應用檢驗的第三方軟件（如Landmark、Sysdrill等）來實現。

圖3-4專業智能應用系統

3.3.2生產經營管理系統

生產經營管理系統主要由遠程調度指揮子系統、鉆井管具管理子系統、鉆井基層隊資質管理子系統、鉆井HSE管理子系統、鉆井質量綜合評價子系統、鉆井物流成本管理子系統、鉆井企業綜合業務管理子系統等構成，該系統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

（1）鉆井協同調度指揮子系統是以GIS為基礎，整合各種采集、通訊、數據分析處理技術，實現對整個鉆井工作的智能協同指揮。

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

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

（2）鉆井管具管理子系統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實現對鉆井基層隊伍的規范、量化管理。

（4）鉆井HSE管理子系統實現對HSE及執行情況進行動態管理與監控。

（5）鉆井質量綜合評價系統是對鉆井施工質量進行系統性綜合評價。

（6）鉆井物流成本管理系統實現對鉆井物流和鉆井成本管理。

（7）綜合業務管理系統主要處理鉆井各相關單位的日常辦公和管理業務。

4 結束語

鉆井生產遠程指揮物聯網系統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．油井在線監控計量分析系統技術研究及應用[J].工業計量,2008,18(5):1-4.

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

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