带压数字化平台建设及应用研究

张雨平?黄微?尹晓煜

摘要：川庆钻探工程有限公司（以下简称川庆公司）在带压作业信息建设方面，初步完成带压作业现场工程、生产数据的采集，但并未搭建带压作业数字化应用平台，且对数据的应用功能开发较少，无法有效支撑公司带压作业工程管理和现场应用。因此，有必要建设带压工作数字化现场，搭建带压作业数字化平台，利用大数据挖掘、物联网等技术开展带压数据应用分析，实现带压作业全过程的实时跟踪、现场作业辅助决策、施工预警、远程技术支撑等功能，提高管理人员指挥效率，降低故障复杂发生率，以提升川庆钻探带压作业信息化水平。

关键词：带压作业；数字化；工作平台；数据应用

一、前言

随着油气勘探开采逐渐向深层、盐下及页岩油气等非常规资源迈进，油气勘探开采的难度和成本随之增大，数字经济正开启一次重大的时代转型，新一代信息技术与实体经济深度融合，引领产业变革，促进传统业务转型升级，激发新产业、新业态和新模式。目前国内各大油田、钻探公司都在逐步向信息化转型，纷纷开始了数字油田的研究与建设，利用信息化手段达到优化工作流程、提高工程技术水平、降低事故复杂率的目的。川庆公司工程技术一体化平台[1]已开展近两年的带压作业工程数据采集，涵盖了带压作业的工程数据和生产数据，但目前仅限于数据的采集、传输和存储[2]，带压数据应用功能开发较少。对此，根据川庆公司信息化建设总体布局及带压作业现场的实际需求，需要构建带压数字化现场，搭建数据应用平台，开展带压作业实时数据监控、施工预警、工程计算、远程支持等功能应用，为川庆公司监控技术支持中心提供技术支撑，提高管理人員的指挥决策效率，降低现场作业施工故障复杂率，保障生产作业安全、高效。

二、带压数字化现场建设

（一）现场网络建设

带压作业现场大多地处偏远山区，网络信号差，铺设光纤电缆的有线组网方式存在成本大、容易遭到机械破损、铺设于低空与地面的线缆管理麻烦等一系列问题。通过调研及现场实验，在带压施工现场搭建无线网，采取无线路由器组网模式实现井场网络更加便捷、稳定、安全、高效。

井场的无线组网模式，具有以下三个特点[3]：

1.便捷的组网模式

首先这种组网模式无需更多配置，客户端可根据SSID自动匹配AP端/中心端，自动选择频率及协议。其次是多协议支持，2.4G频段支持802.11b/g/n，5.8G频段支持802.11a/n/ac，或选择Nv2、Nstreme私有协议为数据保驾护航。此外，是虚拟AP，可根据不同的用户类型分离不同的带宽和密码，并指示它们连接到不同的无线网络中。最后，该模式是多工具支持，支持Ping、traceroute路由跟踪，支持看门狗，支持PTP吞吐量测试，支持各网络接口抓包功能。

2.多种技术保障传输的稳定性

这种组网模式研究用到的关键技术有四个。第一是多信道抗干扰技术，采用无线扩频技术，更多可用信道，使用频谱扫描技术，有效避免干扰。第二是Frame Aggregation帧聚合技术，多帧重组合发送，减少协议开销，有效提高传输带宽和减低数据延迟和丢包率。第三是Beam Forming波束成形，该技术可补偿空间损耗、多径效应等因素引起的衰落与失真，降低同信道用户间的干扰。第四是RTS/CTS帧保护技术，802.11标准提供了使用RTS/CTS协议保护传输免受其他设备传输的干扰。帧保护有助于对抗“隐藏节点”问题。

3.多方式保障无线接入的安全

这种组网模式研究涉及接入认证和数据认证及过滤问题，其中包含以下七类协议。第一是私有协议，Nv2/Nstreme私有协议可避免其他设备的扫描和连接。第二是MAC地址绑定，支持MAC地址控制，双向MAC绑定。第三是WEP加密，支持40/104bit WEP。第四是WPA加密，支持WPA/WPA2 PSK EAP加密。第五是虚拟专用网络VPN，支持创建IPsec、PPP、PPTP、SSTP、L2TP、OVPN。第六是端口保护，可启用/禁用/修改端口服务，或允许指定网段访问端口。第七是防火墙功能，IP地址过滤、病毒过滤，Layer7协议过滤。Web代理功能对http内容进行控制。例如，禁止访问特定网站、文件下载、含有关键字符的网站。

（二）现场采集建设

1.实时数据采集

为提升带压作业现场感知度，科学地为带压施工提供完善的决策依据，提高带压作业远程支持、及时预警能力，现场安装58项传感器，实时采集施工所需工程、装备数据，丰富带压作业过程中的实时数据项，精细化管理装备数据，提高工程数据质量，为智能施工决策提供重要依据（见表1）。

2.视频数据采集

为快速查看施工现场作业情况，在施工现场前后场、重点施工部位安装摄像头，包括操作台、上工作闸板防喷器、下工作闸板防喷器、固定卡瓦、井场前后场共计6个视频监控点，实时监控现场情况，并存储在本地，为事故快速响应和施工规范性监控提供重要数据支持。

3.作业数据实时填报

为了实现各岗位及时汇报各自工作内容和进展，在各岗位配备智能手持终端8台，利用手持机巡检，自动推送巡检路线和巡检内容，清单式巡检大幅提高自动化采集水平，减少重复劳动强度。通过RFID巡检点自动识别、现场图片实时采集，实现巡检记录无纸化、高效化。系统自动推送、共享问题情况和处理情况，技术负责人确认形成问题处理闭环管理。开工条件智能判断，根据巡检情况及实时数据智能分析，判断是否符合开工条件，未处理问题自动推送，提醒巡检人员整改，避免遗漏导致故障发生，提高现场精准操作能力。岗位巡检路线自由组合，适应试修队伍作业不同井时，岗位、人员、设备种类和数量不同的情况。

三、带压数字化平台建设

（一）平台架构

本文根据带压作业数字化现场建设的需求和设计目标，以分层设计[4]思想为基础，提出带压专业数据管理集成融合机构。层次化设计方法[5]是按照数据的流程，即自数据采集开始到数据应用结束，将带压作业数字化现场架构共分为数据采集层、集成层和应用层3个层次，通过该架构实现带压作业现场生产情况动态管理和应用。

（二）平台关键技术

带压作业数字化平台基于川庆一体化信息平台开发建立，集数据采集、远程监控、预警、远程技术支持与决策为一体，是信息技术与带压作业的最优结合方案，也是大数据在带压作业中应用的最新实践，助力川庆公司实现降本增效、转型升级。带压作业监控平台功能模块主要包括生产管理、工作平台、装备管理、井控管理、实时数据、值班室、资料管理和队伍管理八大功能模块。确保施工全过程动态监控，为现场提供更多技术支撑，显著提升现场生产效率、风险管控能力，实现提质提速。

（三）平台功能

1.生产管理

带压作业数字化平台基于川庆一体化信息平台开发建立，生产流程可以调用川庆一体化信息平台数据，成功打通川庆公司内部、跨处级单位生产流程管理通道，实现要车、要料等生产组织活动线上进行，确保生产要素信息全程跟踪，组织过程留痕。同时，开发配套手机审核功能，为节假日、周末等休息日审核要车流程提供便利，提高工作效率，避免处理不及时导致的生产滞后等问题。通过车辆动态模块全程掌握车、料物流信息，生产运行更加高效，提高了协同能力。

2.工作平台

建立了一套以“数据”驱动工作流程的现场工作模式，搭建工程师工作平台，增强工程师对现场的感知度，及时获取预警提示，指导工程师更好地进行下一步工作。与EISC专家、主操手联动，快速科学地制定措施，形成决策，推进作业现场标准化、规范化管理，保证作业安全受控。

（1）管鞋实时深度计算。通过液缸行程传感器采集数据，结合算法，实时计算管鞋深度。结合入井单根记录，实现实时管鞋深度校核功能，方便现场校核。实时工况判断，结合管鞋深度数据，自动判别起钻、下钻工况。

（2）井口冰堵自动判断。通过传感器实时采集的井口温度，集成水合物生成临界温度算法，结合实时井口压力数据，系统自动计算当前井口压力下的水合物生成临界温度，准确判断井口水合物生成情况，避免井口冰堵造成故障复杂发生。

（3）动态模拟。实时计算管鞋深度，结合管鞋实时深度、井身结构数据和管柱结构数据，实时展示管柱下入动态，动态模拟管柱在井筒中下入的全过程，展示造斜点、最大井斜角、最大井斜角位置等关键数据。方便现场施工在管柱下入关键井段时观察管柱通过情况，避免发生故障复杂。

（4）试坐挂/完井后坐挂可视化。对试坐挂和完井后坐挂全过程实现可视化，技术负责人和EISC专家在电脑上或手持机上均可以直观看到油管挂从井口到特殊四通移动、油管挂副密封反向试压、送入油管倒扣的坐挂全过程，便于技术负责人在指挥过程中直观掌握坐挂全过程，实现精准施工、科学施工、高效施工、安全施工。

（5）工程计算。集成中和点、安全无支撑腿长度、上顶力、摩擦力、最大下压力等计算公式，结合实时数据和管柱参数，自动实时计算各参数控制值，为工程师在井口压力发生变化的情况下，对快速决策各参数值调整提供支撑。集成卡点计算算法，管柱数据自动提取，根据每次的上提拉力和上提长度，系统自动计算卡点位置，为工程师处理卡钻事故，提供支撑。

（6）预警提示。结合带压施工设计、实时数据、工程计算，融合“工程计算预警、阈限值设定、人工确认”方式，开发预警模块，建立13项诊断报警和提示，对作业过程进行实时监测和诊断，将人工提醒风险点的低效模式转化为系统自动预警推送，为现场安全施工保驾护航，有效降低作业现场事故复杂率。预警项目包括：遇阻遇卡、液缸举升高度、下管柱操作方式、操作联锁预警、最大举升力、最大下压力、动力源气源压力、动力源先导油压力、中和点卡瓦幅数预警。提示项目包括：中和点、套管A点、最大井斜角井深、造斜点。预警提示直达操作台：操作台增加扩音器，预警提示直达主操作手，提前预警，减少施工作业复杂度。

（7）井控工艺。实现精细化井控管理，实时掌握带压作业机、工作防喷器、安全防喷器、节流管汇、压井管汇开关状态及试压情况，远控房、动力源压力，压井液储备等数据，全面井控管理活动，提高现场井控管控水平。

（8）历史作业情况。快捷查询作业井前期试油、压裂、地面测试作业情况，通过关键字模糊查询功能，快速查询套变等井筒异常情况，以及地面测试作业的气产量、排液情况。便于工程师快速了解作业井历史作业和当前地面测试队的作业情况。

3.实时数据

对现场传感器和采集器所收集到的实时数据集中展示，数字化管理多项工程实时数据、装备实时数据，使现场情况更清楚明了。集成地面测试实时数据曲线，方便掌握当前地面测试的作业情况，查询带压作业和地面测试的历史数据、其他井的实时数据（见图1）。

4.井控管理

以动画形式，實时掌握带压作业机、工作防喷器、安全防喷器、节流管汇、压井管汇开关状态及试压情况，远控房、动力源压力，压井液储备等数据，全面井控管理活动，提高现场井控管控水平。

5.装备管理

基于EISS已建立设备管理系统，开展设备从建档、运转、维护保养、检测、检查、调拨、修理、更新、改造直至报废的全生命周期管理，包括设备信息查询、设备运行数据管理、设备调拨流程管理、设备检查、设备维修流程管理、设备检查管理。

6.资料管理

真正实现现场资料减负。作业信息实现自动采集和共享，减少现场资料重复填报，各岗位一次填报，自动生成时效表、各类统计分析等生产、工程、装备、安全等各部门的资料报表，以及作业现场的各项基础资料，减小作业现场各岗位的资料填报工作量，实现资料填报减负，提升一线员工的工作效率。

7.队伍管理

从五个方面进行队伍管理：第一，党建信息。管理党支部基本情况、优秀共产党员、近期党建工作等党建方面的信息。第二，人员基础信息。管理队伍的概况、本队行政班人员、本队生产班人员、相关方人员等队伍的基础信息。第三，人员证件信息。管理本队人员的各类证件信息，实现队伍人员证件的动态管理和查阅，具备证件到期预警功能，合理安排人员取证，时刻了解队伍人员动态。第四，人员排班。对本队行政班、本队生产班人员进行排班管理，详细职责落实到具体人员，管理更加清晰。第五，构建试修公司人员库。试修作业人员变动很大，调动频繁，建立试修公司人员库，人员调动修改自动关联（确保人员只在一个队出现），并提示管理人员进行设备巡检等调整。

四、结语

目前，川庆公司已打造一支专业带压数字化现场队伍，带压作业数字化平台也已在川庆公司上线试运行，各功能模块运行正常，应用效果良好，实现了井筒全生命周期状态可控可查，大前方，小后方的数字化业务模式为现场施工提供高效远程技术支撑，保障了施工作业安全高效进行，大幅提升了带压作业数字化程度，为川庆公司信息化水平的全面提高提供助力。

参考文献

[1]钱浩东，温馨，罗月.工程技术一体化信息平台建设研究与应用实践[J].中国信息化，2017（12）：59-60.

[2]朱海东.井下作业数据采集应用系统建设研究[J].石油工业技术监督，2012（04）：17-20.

[3]钱浩东，陈思锦，宋鑫.基于复杂电磁环境下的钻完井作业现场无线组网模式研究[J].信息系统工程，2020（12）：135-136.

[4]孙秋冬.软件系统的分层设计[J].计算机工程与用，2001（07）：110-112.

[5]张峻，徐卫东，钟华.数据库应用系统的层次化设计方法与实现[J].计算机工程与设计，2004（09）：1557-1559.

责任编辑：张津平