耿黎東

中國石化石油工程技術(shù)研究院

隨著油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的爆炸式增長，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、分析手段已經(jīng)無法快速、有效地收集和處理復(fù)雜、海量的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)依托新的數(shù)據(jù)處理模式，憑借更強的數(shù)據(jù)管理力、決策力、洞察力和流程優(yōu)化能力，為油氣行業(yè)海量、高增長率的多樣化信息處理提供了前所未有的空間和潛力。

鉆完井作業(yè)的工作對象是不可見的地下巖石和流體，因此對數(shù)據(jù)的依賴性更強。將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于鉆完井領(lǐng)域，不僅僅在于收集、存儲海量的鉆完井數(shù)據(jù)，更重要的是利用科學(xué)算法對有價值的數(shù)據(jù)進行分析和挖掘以具有洞察力和預(yù)測力［1-3］。鉆完井大數(shù)據(jù)除了具有常規(guī)的體量大、種類多、處理速度快、真實性和低價值密度的5V特征外［4-5］，還有其獨特的特征。由于鉆完井數(shù)據(jù)類型繁多、綜合業(yè)務(wù)復(fù)雜，只有將大數(shù)據(jù)技術(shù)與鉆完井數(shù)據(jù)的特征緊密結(jié)合，才能針對性地找到鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用的方向和突破口［6］。筆者主要分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)在鉆完井領(lǐng)域的需求，介紹了大數(shù)據(jù)在鉆完井領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡明了鉆完井大數(shù)據(jù)的特點，并針對性地提出基于大數(shù)據(jù)的鉆完井優(yōu)化應(yīng)用方案，旨在加速大數(shù)據(jù)技術(shù)在鉆完井領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

1 大數(shù)據(jù)在鉆完井領(lǐng)域的需求分析

“ 十三五”以來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和對油氣需求的穩(wěn)步提升，我國鉆完井技術(shù)、工具和裝備快速發(fā)展，鉆完井作業(yè)的規(guī)模和整體技術(shù)水平取得很大進步，特別是深井超深井鉆井、長水平段水平井鉆完井、深水鉆井等技術(shù)取得重大突破，拓寬了油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，實現(xiàn)了深層深水、頁巖油氣、致密油氣等資源的有效開發(fā)［7-9］。但總體而言，我國鉆完井領(lǐng)域仍存在以下難題。

(1)增儲上產(chǎn)任務(wù)艱巨。我國石油資源品位劣質(zhì)化，特、超低滲透、致密儲層等低品位資源占比超過70%，主力老油田普遍進入特高含水后期開發(fā)階段，油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域逐漸從常規(guī)油氣向非常規(guī)能源發(fā)展，從淺水向深水、超深水發(fā)展，從中淺層向深層、超深層發(fā)展，作業(yè)環(huán)境日趨惡劣，技術(shù)和安全環(huán)保要求越來越高，現(xiàn)有的鉆完井技術(shù)無法適應(yīng)當前增儲上產(chǎn)的需要。

(2)降本難度增大。新冠疫情和低油價雙重影響下，油氣上游利潤大幅下降。隨著油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的擴大，鉆完井難度提升，技術(shù)成本也相應(yīng)上升。同時，人工成本、固定資產(chǎn)成本等均在上升，加劇了上游的成本壓力，降本難度進一步增大。

(3)部分關(guān)鍵技術(shù)依賴進口，受制于人。當前我國部分鉆完井工程關(guān)鍵技術(shù)仍然存在“卡脖子”瓶頸，高性能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、儲層精準壓裂改造、地質(zhì)工程一體化決策等短板技術(shù)主要依賴于進口，一定程度上制約了我國油氣行業(yè)的快速發(fā)展。

大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)為各個行業(yè)提供了一種以經(jīng)濟、廉價的方式從超大容量、多樣化數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和提取價值的新途徑。大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)不僅僅改變了石油公司傳統(tǒng)的思維模式和作業(yè)理念，而且為石油行業(yè)的信息化發(fā)展提供了新的驅(qū)動力，具體表現(xiàn)在：(1)大數(shù)據(jù)技術(shù)可以幫助作業(yè)者快速、全面地實時分析、挖掘鉆完井數(shù)據(jù)，快速做出正確的決策和預(yù)測，真正實現(xiàn)最大限度發(fā)現(xiàn)和開發(fā)剩余油；(2)大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠降低鉆完井作業(yè)成本。利用大數(shù)據(jù)對海量歷史、實時數(shù)據(jù)進行分析，可識別和洞察難以發(fā)現(xiàn)的潛在非生產(chǎn)時間，有效降低鉆完井成本，提高作業(yè)效率；(3)大數(shù)據(jù)技術(shù)有助于降低數(shù)據(jù)治理成本。大數(shù)據(jù)高容錯性和強異構(gòu)數(shù)據(jù)適應(yīng)能力的特點，能夠幫助石油公司在不使用統(tǒng)一的各級數(shù)據(jù)模型的情況下管理數(shù)據(jù)資產(chǎn)，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用收益。

2 大數(shù)據(jù)在鉆完井領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

與互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、航空等行業(yè)相比，石油行業(yè)大數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用起步較晚。目前國內(nèi)外石油公司、科研院所已經(jīng)意識到低油價背景下，大數(shù)據(jù)技術(shù)將成為油氣行業(yè)提高勘探開發(fā)效率、降低勘探開發(fā)成本的新突破點［10-13］。因此，國際能源公司正在從大數(shù)據(jù)平臺和具體應(yīng)用場景兩個方面嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于鉆完井領(lǐng)域。

斯倫貝謝將勘探開發(fā)生產(chǎn)的16個數(shù)字化應(yīng)用程序進行整合，在微軟Azure云平臺上開發(fā)了DELFI勘探開發(fā)認知環(huán)境信息平臺［14］。通過將各類計劃、作業(yè)程序和軟件整合，存儲、收集歷史和實時數(shù)據(jù)資料，將地球物理、油藏工程、鉆完井工程、采油工程等多學(xué)科知識交叉融合，綜合利用大數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等最新數(shù)字化技術(shù)形成低成本、高效率的油氣勘探開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)；貝克休斯和哈里伯頓也分別依托Predix和DecisionSpace工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)實時獲取鉆完井數(shù)據(jù)，同時應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)鉆完井和生產(chǎn)優(yōu)化［15-16］；康菲石油公司開發(fā)了涉及多學(xué)科的集中式大數(shù)據(jù)存儲中心IDW［17］，其精髓在于將具有不同功能工作流程的數(shù)據(jù)庫整合，實現(xiàn)跨功能集成。應(yīng)用IDW后，不同業(yè)務(wù)部門的數(shù)據(jù)真正實現(xiàn)了一體化的存儲、管理和分析，數(shù)據(jù)體量、多樣性、傳輸速度和質(zhì)量均有大幅提升，顯著提高了從數(shù)據(jù)中獲取有效信息的效率。在美國Eagle Ford頁巖氣開發(fā)中應(yīng)用IDW后，每臺鉆機平均鉆探量增加80%，每口井平均鉆井時間從30 d縮短到12 d；中石油和中石化分別推出勘探開發(fā)夢想云平臺和EPBP勘探開發(fā)業(yè)務(wù)協(xié)同平臺，旨在搭建通用的協(xié)同研究環(huán)境，實現(xiàn)勘探開發(fā)管理、經(jīng)營和決策的一體化。

國際石油公司和科研單位正在嘗試將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于鉆井、壓裂等具體的應(yīng)用場景中，并已取得較好的應(yīng)用效果。道達爾公司提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的鉆井設(shè)計優(yōu)化流程，采用不同的模型表征不同的特征，利用聚類算法實現(xiàn)了不確定條件下復(fù)雜井況井位設(shè)計的優(yōu)化［18］；德州農(nóng)工大學(xué)將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于鉆速預(yù)測中［19］，通過建立包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液密度、層間厚度、流量、鉆井深度等參數(shù)的鉆速特征模型，利用主成分分析法對特征數(shù)量降維，基于特征分析得到每個特征屬性對機械鉆速影響的權(quán)重，并比較得到最優(yōu)的預(yù)測模型算法；BP公司運用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行鉆井作業(yè)的套管卡管預(yù)測，首先建立管柱靜摩擦事件發(fā)生的預(yù)測模型，再基于業(yè)務(wù)分析和優(yōu)化策略建立基于數(shù)學(xué)算法的概率模型，以近實時狀態(tài)識別與過去靜摩擦事件相關(guān)的230個屬性特征，確保5 s內(nèi)識別出套管卡管風(fēng)險事件；HESS公司基于“全數(shù)據(jù)”的長期頁巖氣井流體模擬，建立了壓裂模擬器運行“全數(shù)據(jù)”資產(chǎn)，通過分析影響壓裂效果的主要因素來設(shè)計更經(jīng)濟的壓裂方案；斯倫貝謝則利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，結(jié)合裂縫和儲層并行模擬技術(shù)，通過建立代理模型提供直接、實時的完井參數(shù)優(yōu)化策略［20］。

3 鉆完井大數(shù)據(jù)特點

鉆完井工程的范疇，涵蓋了一口油氣井從井位部署決策到建成井的過程。鉆完井工程是高技術(shù)密集型行業(yè)，涉及多種專業(yè)，包括多個工作流程，在工作過程中產(chǎn)生多種多樣的數(shù)據(jù)。鉆完井工程按時間先后排列，包括鉆完井工程設(shè)計、鉆前工程施工、鉆井施工、完井施工、測井施工、壓裂施工、試油試氣等階段。每個階段都產(chǎn)生大量內(nèi)容繁多、形態(tài)各異的數(shù)據(jù)。鉆完井過程中的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程見圖1。

圖1 鉆完井數(shù)據(jù)流程圖Fig. 1 The flow chart of drilling and completion data

從數(shù)據(jù)形態(tài)上看，鉆完井大數(shù)據(jù)類型包括鉆完井各業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)化實時作業(yè)數(shù)據(jù)、各類靜態(tài)結(jié)構(gòu)化表格數(shù)據(jù)、各類管理數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)等；從數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻次上看，鉆完井工程數(shù)據(jù)既包括連續(xù)測量數(shù)據(jù)(例如實時錄井數(shù)據(jù))和頻繁采集的數(shù)據(jù)(例如鉆井米數(shù)據(jù))，也包括按井次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(例如工程設(shè)計方案數(shù)據(jù))。

3.1 工程地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)的內(nèi)容與特點

鉆完井工程的設(shè)計與施工以地質(zhì)環(huán)境認識為前提。表征地質(zhì)環(huán)境的數(shù)據(jù)雖然不是鉆完井工程環(huán)節(jié)直接生成的，但是鉆完井工程越來越需要使用地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)來指導(dǎo)工程設(shè)計和施工。同時，一部分鉆完井工程數(shù)據(jù)也是地質(zhì)環(huán)境參數(shù)計算過程中所需要使用的數(shù)據(jù)。因此，可以選取鉆完井工程中能夠直接應(yīng)用的工程地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)作為外生數(shù)據(jù)，參與鉆完井工程的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

能夠直接應(yīng)用于鉆完井工程的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括疊后地震體、地震層位解釋數(shù)據(jù)、地震屬性體、巖石力學(xué)屬性體、地質(zhì)構(gòu)造建模數(shù)據(jù)、地質(zhì)網(wǎng)格建模數(shù)據(jù)以及各類單井屬性曲線等。這些工程地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)具有以下特點。

(1)數(shù)據(jù)量大，生成頻次低。屬性體數(shù)據(jù)一般為GB級，有時可達TB級，數(shù)據(jù)體量較大。體數(shù)據(jù)表征一個區(qū)域范圍的地質(zhì)環(huán)境特征，每個體數(shù)據(jù)是一次地震采集或者一次地質(zhì)環(huán)境研究的產(chǎn)物，同一區(qū)域的多口井共用一套體數(shù)據(jù)，因此生成頻次較低。

(2)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后才可以應(yīng)用。鉆完井數(shù)據(jù)大多以井深或時間為標尺，而體數(shù)據(jù)一般以地震測網(wǎng)或三維空間坐標為標尺，因此需要先將體數(shù)據(jù)的空間坐標與井口空間坐標統(tǒng)一，沿著井軌跡提取體數(shù)據(jù)中相應(yīng)坐標位置的數(shù)據(jù)值，形成屬性曲線數(shù)據(jù)或者井軌跡與構(gòu)造格架的交點井深，才能用于鉆完井工程中。此外，由于地震采集間隔決定了地震數(shù)據(jù)換算到深度坐標后數(shù)據(jù)點的深度間隔較大(一般在幾十米)，往往需要將井數(shù)據(jù)進行粗化處理后才能應(yīng)用。

(3)數(shù)據(jù)具有持續(xù)發(fā)展性。隨著一個區(qū)域內(nèi)的鉆完井井數(shù)增多，將有更多井的地質(zhì)分層數(shù)據(jù)、測井數(shù)據(jù)用于建立更準確的地質(zhì)環(huán)境模型。后續(xù)的鉆完井工程應(yīng)用更新后的地質(zhì)環(huán)境模型，能夠更準確地預(yù)測地層壓力、物性參數(shù)和巖石力學(xué)參數(shù)。

3.2 鉆完井大數(shù)據(jù)的內(nèi)容與特點

鉆完井工程的各個階段所涉及的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容繁多、數(shù)據(jù)形態(tài)各異。鉆完井工程數(shù)據(jù)的內(nèi)容主要包括工程設(shè)計數(shù)據(jù)、施工記錄數(shù)據(jù)(如鉆頭使用記錄)、工程參數(shù)測量數(shù)據(jù)(如工程參數(shù)錄井數(shù)據(jù)、鉆井液檢測數(shù)據(jù))、測井數(shù)據(jù)、設(shè)備及材料測量數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)等類別。對于不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，其格式種類、數(shù)據(jù)生產(chǎn)頻率和單井數(shù)據(jù)量級都有明顯區(qū)別。鉆完井大數(shù)據(jù)主要具有以下特點。

(1)數(shù)據(jù)內(nèi)容多樣性顯著。鉆完井大數(shù)據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)格式，既包含適合關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包含非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中，有的是通用公開格式的數(shù)據(jù)(如Office文檔、位圖、矢量圖)，有的遵循公開的工業(yè)數(shù)據(jù)格式標準(如LAS測井文件格式、WITS數(shù)據(jù)傳輸格式)，有的是受知識產(chǎn)權(quán)保護的設(shè)備廠家自有格式。隨著新技術(shù)的發(fā)展，仍然不斷有新的數(shù)據(jù)格式產(chǎn)生，例如利用無人機進行井場勘探所產(chǎn)生的地形地貌建模數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)采集頻次偏低。數(shù)據(jù)采集是大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于鉆完井中最為基礎(chǔ)和重要的環(huán)節(jié)。目前油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能還無法達到采集速度快、精度高的標準。以起下鉆過程中常發(fā)生的卡鉆事故為例，目前大鉤載荷一般記錄周期是3～5 s，這種周期只能粗略估計鉆頭遇阻情況，無法區(qū)分鉆頭與井壁正常碰撞、鉆頭攜帶巖屑堆積、井壁掉塊碰撞、鉆頭刮擦井壁濾餅等多種情況，因此無法判斷鉆頭遇阻的原因和嚴重程度。如果將大鉤載荷數(shù)據(jù)的采集周期降低到毫秒級，就有可能通過實時波形分析，區(qū)分不同的鉆頭遇阻情形，進而為操作決策提供參考，減少卡鉆事故。

(3)井下數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題突出。鉆完井工程數(shù)據(jù)采集包括地面數(shù)據(jù)采集和井下數(shù)據(jù)采集。其中井下數(shù)據(jù)采集難度更大，價值也更高。目前常用的井下數(shù)據(jù)傳輸方式包括有線傳輸和無線傳輸兩種。有線傳輸方式(電纜、鉆桿)具有傳輸速度快、可雙向傳輸?shù)葍?yōu)點，但存在技術(shù)開發(fā)成本高、制造工藝復(fù)雜等缺陷。無線傳輸方式包括鉆井液脈沖、電磁波、聲波等，具有方法簡單、成本較低等優(yōu)點，但傳輸速率低、可靠性較差。隨著實時分析解釋技術(shù)的進步，更高的數(shù)據(jù)傳輸頻次和可靠性才能為工程預(yù)警、工程分析提供更有價值的信息。

(4)數(shù)據(jù)體量變化幅度大。鉆完井工程數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)量較大的是測錄井數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的測井方法一般要求每0.125 m一個測量點，常規(guī)8項測井數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量約為1 M/km。聲波測井、成像測井等新測井方法會在井壁周向布置多個傳感器，每個傳感器連續(xù)測量，某一種測井參數(shù)的數(shù)據(jù)量往往可以達到1 G/km以上。不同地區(qū)井的數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)量差異很大。我國西部地區(qū)超深探井從井位部署到地質(zhì)評估完成所產(chǎn)生的實時錄井數(shù)據(jù)可達幾個G，應(yīng)用聲波測井等新測井工藝產(chǎn)生的測井數(shù)據(jù)甚至可達上百G。而東部地區(qū)地質(zhì)條件已經(jīng)清晰，不需要進行特殊的測井施工，一般不會產(chǎn)生過多的測井數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)可管理性較差。各類鉆完井數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)生成周期不一，采集方式各異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一管理，很難用一套固定的數(shù)據(jù)模型來容納所有鉆完井數(shù)據(jù)。因此，鉆完井數(shù)據(jù)更適合采用數(shù)據(jù)湖等方式進行管理.

(6)新的井下隨鉆測控數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)。隨著井下測控儀器的進步，越來越多的井下物理量可實現(xiàn)隨鉆測量。新型隨鉆多參數(shù)測量儀器可以測得井底壓力、溫度、鉆井液電導(dǎo)率等參數(shù)，為實時掌握井下狀況提供了寶貴數(shù)據(jù)；LWD隨鉆測井儀器也正在向遠距離、多參數(shù)測量方向發(fā)展；隨鉆井液流動測量小球可以通過內(nèi)置的陀螺儀測量并記錄井筒各深度的溫度、壓力等數(shù)據(jù)。

3.3 儲層改造大數(shù)據(jù)的內(nèi)容與特點

儲層改造數(shù)據(jù)是鉆完井大數(shù)據(jù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是鉆完井大數(shù)據(jù)的重要組成部分。其中涉及的數(shù)據(jù)包括油藏數(shù)據(jù)、巖石力學(xué)數(shù)據(jù)、井筒實鉆數(shù)據(jù)、射孔記錄數(shù)據(jù)、酸化壓裂方案設(shè)計數(shù)據(jù)、酸化壓裂施工記錄數(shù)據(jù)、返排記錄數(shù)據(jù)、微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)、增產(chǎn)效果評價數(shù)據(jù)等。儲層改造數(shù)據(jù)除了具有與鉆完井工程數(shù)據(jù)相似的特點之外，還具有以下特點。

(1)數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性強。一方面，儲層改造設(shè)計方案是根據(jù)地震、地質(zhì)、鉆井、完井等前序環(huán)節(jié)的情況來進行設(shè)計的，改造效果也由這些前提條件所決定；另一方面，儲層改造數(shù)據(jù)往往需要與前序施工環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)一同應(yīng)用。例如進行儲層改造增產(chǎn)效果評價時，需要將儲層改造的相關(guān)數(shù)據(jù)與油藏數(shù)據(jù)、井眼軌跡數(shù)據(jù)、完井管串數(shù)據(jù)和鄰井產(chǎn)量數(shù)據(jù)相結(jié)合。

(2)部分數(shù)據(jù)準確性差。儲層改造數(shù)據(jù)中，有一部分是無法直接測量得到的。比如地應(yīng)力分析中的最大、最小主應(yīng)力的大小和方向是根據(jù)井壁掉塊扇面的方向和角度結(jié)合上覆巖層壓力以及巖石抗拉強度計算得到的，參與計算的多個原始數(shù)據(jù)本身就存在一定誤差，計算得到的結(jié)果誤差則更大。

3.4 自動化技術(shù)背景下鉆完井大數(shù)據(jù)新種類

隨著自動化技術(shù)的進步，新的測量與分析技術(shù)將會逐步應(yīng)用到鉆完井工程領(lǐng)域，從而產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)種類或者使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)生新的變化。這些變化不僅會給大數(shù)據(jù)處理分析提出新的要求，也會為大數(shù)據(jù)技術(shù)的研究和應(yīng)用帶來新的機遇。

(1)音視頻數(shù)據(jù)。隨著智能圖像分析技術(shù)的發(fā)展，井場音視頻數(shù)據(jù)可以用來識別多種信息。例如，當發(fā)生井壁坍塌時，返出鉆井液中的巖屑粒徑變大且有較多棱角，因此可以通過對返出鉆井液中分離出的巖屑顆粒進行視頻監(jiān)控，通過分析巖屑顆粒的平均粒徑和棱角情況來判斷井壁是否發(fā)生坍塌；(2)聲波與振動數(shù)據(jù)。地面管匯中的流體存在聲音信號，井筒管柱和管內(nèi)液柱存在振動和聲音信號，這些信號可反映出地面設(shè)備和地下井筒的工作狀態(tài)，未來將成為重要的監(jiān)測信息來源；(3)其他物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集將逐步應(yīng)用到現(xiàn)有的鉆井設(shè)計和施工過程中。這些數(shù)據(jù)包括設(shè)備測控數(shù)據(jù)、電力拖動設(shè)備的電氣數(shù)據(jù)、管桿編號數(shù)據(jù)、管桿自動丈量數(shù)據(jù)等。

這些新種類鉆完井大數(shù)據(jù)具有一些共同的特點：首先，數(shù)據(jù)頻次高，數(shù)據(jù)量大；其次，數(shù)據(jù)連續(xù)采集，需要實時處理；第三，需要與其他傳統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)用才能發(fā)揮數(shù)據(jù)應(yīng)用價值。

4 基于大數(shù)據(jù)的鉆完井優(yōu)化應(yīng)用方案

4.1 鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)總體架構(gòu)

雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)本身發(fā)展非常迅速，但目前鉆完井領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施欠缺，內(nèi)部軟件研發(fā)力量不足且分散，鉆完井行業(yè)人才接替困難，石油工程投資欠缺，導(dǎo)致了鉆完井領(lǐng)域大數(shù)據(jù)技術(shù)處于較低的發(fā)展水平，與我國當前大數(shù)據(jù)發(fā)展的政策要求存在較大差距。應(yīng)遵循“架構(gòu)開放、技術(shù)共享、平臺化建設(shè)、專業(yè)化應(yīng)用”的原則，以鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景作為核心，充分繼承業(yè)務(wù)部門數(shù)據(jù)治理成果，消除“數(shù)據(jù)孤島”，集中建立大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)分析技術(shù)先行，逐步建立市場化的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)我國鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)的良性發(fā)展?；谝陨显瓌t，筆者設(shè)計了鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)總體架構(gòu)，見圖2。

圖2 鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)總體架構(gòu)Fig. 2 Overall framework of drilling and completion big data technology

4.1.1 大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架

從數(shù)據(jù)源開始，經(jīng)過分析、挖掘到最終獲得有價值的信息，大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架一般包括6個環(huán)節(jié)，分別是數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲、資源管理與服務(wù)協(xié)調(diào)、計算引擎、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化。目前針對大數(shù)據(jù)分析的框架平臺，有商業(yè)化的大數(shù)據(jù)分析平臺和開源項目的免費平臺。其中開源項目平臺中，基于Hadoop+Spark的技術(shù)體系已經(jīng)形成了較為完善和高效的解決方案，可以作為框架設(shè)計的具體實現(xiàn)和部署方案。

4.1.2 大數(shù)據(jù)采集與管理

針對鉆完井與壓裂工程中的工程管理、工程設(shè)計、鉆前工程、鉆井施工、完井測試、壓裂施工等重要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，建立基于源頭的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立數(shù)據(jù)湖，實現(xiàn)對于多結(jié)構(gòu)、多來源與多格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和管理，最后應(yīng)用知識庫(知識工程)實現(xiàn)多種類型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與融合。

4.1.3 大數(shù)據(jù)分析

鉆完井大數(shù)據(jù)架構(gòu)在分布式集群系統(tǒng)上，其核心是鉆完井專業(yè)算法和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理算法，通過并行架構(gòu)與數(shù)學(xué)分析模塊，特別是機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)模塊，實現(xiàn)針對專業(yè)化算法的智能升級，為石油工程專業(yè)算法的海量數(shù)據(jù)處理、并行計算等高性能處理提供基礎(chǔ)支撐。

4.1.4 大數(shù)據(jù)可視化

有必要研究一套鉆井工程及地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)，綜合鉆井工程數(shù)據(jù)、地質(zhì)環(huán)境描述數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)，直觀呈現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境和區(qū)域施工情況，有效地輔助專家發(fā)現(xiàn)宏觀性區(qū)域化鉆完井工程規(guī)律。

4.1.5 大數(shù)據(jù)應(yīng)用

鉆完井業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括鉆完井設(shè)計、鉆完井施工、鉆完井評估3個主要部分。其中鉆井設(shè)計包括鉆井設(shè)計、完井設(shè)計與壓裂設(shè)計，鉆完井施工包括鉆井、錄井、固井、完井、壓裂等施工過程的監(jiān)測與管理，鉆完井評估包括鉆井和壓裂施工后評估。

4.2 鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景設(shè)計

針對上述鉆完井應(yīng)用場景的3個應(yīng)用方向，結(jié)合鉆完井大數(shù)據(jù)的特點，對鉆完井大數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)場景進行了篩選，形成了鉆速預(yù)測與鉆井參數(shù)優(yōu)化、鉆頭優(yōu)選、地層三壓力預(yù)測、鉆頭磨損監(jiān)測、摩阻系數(shù)實時預(yù)測、井漏監(jiān)測預(yù)警、井涌溢流監(jiān)測預(yù)警、卡鉆監(jiān)測預(yù)警、鉆井施工方案智能推薦、測井解釋結(jié)果預(yù)測、壓裂方案優(yōu)化設(shè)計等11個典型的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，并進行了細化設(shè)計(如表1)。

表1 典型的鉆完井大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景Table 1 Typical drilling and completion application scenarios

5 結(jié)論與建議

(1)隨著油氣勘探開發(fā)向非常規(guī)、深層、深水、極地環(huán)境的拓展，鉆完井工程面臨增儲上產(chǎn)任務(wù)艱巨、降本難度增大等問題，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)鉆完井作業(yè)的優(yōu)化已得到石油行業(yè)的廣泛認同。

(2)國際大型石油公司正在或基本已建成大數(shù)據(jù)分析平臺，并針對鉆完井工程的具體應(yīng)用場景，以解決具體業(yè)務(wù)問題為目標，結(jié)合機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法，提高鉆完井作業(yè)的預(yù)見性，實現(xiàn)鉆完井工程的優(yōu)化。

(3)鉆完井大數(shù)據(jù)除具有常規(guī)大數(shù)據(jù)的5V特征外，還具有自身獨有的內(nèi)容和特點。我國鉆完井大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展亟需在借鑒國外成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆完井大數(shù)據(jù)的特點，建立統(tǒng)一的鉆完井大數(shù)據(jù)分析平臺，進一步優(yōu)化鉆完井大數(shù)據(jù)的應(yīng)用架構(gòu)和應(yīng)用場景設(shè)計，加強與國內(nèi)外數(shù)字巨頭公司的合作，堅持“有所為有所不為”的原則，有計劃、有目的部署實施相關(guān)的大數(shù)據(jù)項目，完善大數(shù)據(jù)管理體系和技術(shù)標準，建立基于大數(shù)據(jù)的鉆完井優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)。