石油鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

目前，國內(nèi)油田在鉆具管理方面主要有兩種基本管理模式:其一是實行鉆具定隊管理，即不論井隊所鉆井深和井身結(jié)構(gòu)是什么狀況，都使用一套鉆具，這一套鉆具一般被視為一個質(zhì)量等級，鉆具好壞不分、“從一而終”，該模式難以使鉆具資源得到合理利用；其二是實行鉆具分級管理，即對在用鉆具根據(jù)使用情況定期檢測分級,新購進鉆具分到井隊鉆到一定當(dāng)量進尺后，利用鉆具綜合檢測設(shè)備進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果和鉆具技術(shù)狀況，按鉆具質(zhì)量分為一級、二級、三級，同級別鉆具存放在一起。鉆井隊使用鉆具時，根據(jù)不同區(qū)域、不同井深、不同井型對鉆具的不同要求,配備使用不同級別鉆具,從而使鉆具達到最佳使用效果，但是，該辦法也只能做到鉆具的成套檢測與初級管理，而不能對每一根鉆具的使用情況進行準(zhǔn)確跟蹤和分析，而且人工識別檢測效率低，準(zhǔn)確性差,難以滿足對鉆具精細化、信息化管理的要求。

隨著鉆井市場競爭日趨激烈以及深井、探井、高難度井的日漸增多，石油鉆井操作對鉆具的要求也逐步提高。而國內(nèi)油田目前的鉆具管理模式已經(jīng)成為鉆具管理精細化發(fā)展的技術(shù)瓶頸，很大程度上阻礙了油田鉆具管理科學(xué)化的發(fā)展。為徹底防止因鉆具管理弊端所造成的問題，有必要尋找一種新型鉆具動態(tài)管理技術(shù),并建立相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)，提高鉆具管理的效率及準(zhǔn)確性，為安全鉆井、高效生產(chǎn)提供幫助。

1  系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

本系統(tǒng)釆用技術(shù)成熟而且已被廣泛應(yīng)用于倉儲、物流等領(lǐng)域的RFID無線射頻識別技術(shù)，來開發(fā)針對鉆井現(xiàn)場及井下惡劣環(huán)境的RFID芯片鉆具植入和防護技術(shù),為每一根鉆具建立一份獨一無二的“電子芯片標(biāo)簽”，實現(xiàn)鉆具電子信息全生命周期的動態(tài)管理，同時通過全過程的信息化管理，為鉆具優(yōu)化使用提供科學(xué)依據(jù)，提高鉆具的使用水平，降低因鉆具超負荷使用引起的井下故障，有效提升勝利油田鉆具管理水平。主要進行以下幾方面的研究：其一是RFID電子芯片植入鉆具及其防護的技術(shù)研究。該技術(shù)可將RFID芯片植入鉆具，以RFID無線射頻技術(shù)為理論依托來開發(fā)油田基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)。該部分必須考慮石油行業(yè)的特殊性。首先是芯片的安裝不影響鉆具的正常使用，同時芯片安裝要保證牢固,不致于隨鉆井和物流環(huán)節(jié)的變化而從植入的鉆具中脫落;還要在苛刻的井下環(huán)境和復(fù)雜工況下(如電磁、高溫、高壓、腐蝕、震動、表面污物等)，RFID芯片信息不會丟失或出錯；此外，井場或作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境識別和數(shù)據(jù)儲存，還需要配有讀寫儀器設(shè)備。

其二是鉆具全生命周期流程管理的研究。要實現(xiàn)鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理,應(yīng)必須能夠跟蹤每一根鉆具的實際應(yīng)用情況。而要對鉆具實現(xiàn)有效跟蹤，還需要從油田管具公司的鉆具制造出來開始,為其在油田系統(tǒng)內(nèi)建立一個鉆具全流程的管理網(wǎng)絡(luò),并能覆蓋鉆具的釆購、出入庫、物流、鉆井現(xiàn)場、檢測分級、報廢等各環(huán)節(jié)，確定每個環(huán)節(jié)的管理流程，以及每一個節(jié)點的鉆具信息。

此外,還要進行基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)的研究，通過研究鉆具全生命周期的流程管理，建立鉆具全過程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng),從而實現(xiàn)鉆具全生命周期的全程動態(tài)監(jiān)控管理。

2  系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計

在本石油鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計過程中，通過前期的調(diào)查研究，并經(jīng)過認真詳細的剖析、分解后，從而確定出四個項目開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵點和五個核心技術(shù)構(gòu)成。

2.1  開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1) RFID電子芯片植入鉆具及其防護技術(shù)；

(2) 鉆具在油田的全生命周期流程管理技術(shù)；

(3) 鉆具RFID電子芯片在每個環(huán)節(jié)的信息讀取技術(shù)；

(4) 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)的建立及其輔助技術(shù)。

2.2  核心技術(shù)構(gòu)成

將RFID電子芯片植人鉆井鉆具時，必須考慮RFID芯片的安裝不能影響鉆具的正常使用，同時，芯片安裝要牢固，不能隨鉆井和物流環(huán)節(jié)的變化而脫落;在苛刻的井下環(huán)境和復(fù)雜工況下，芯片信息不會丟失或出錯;井場或作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境識別和儲存數(shù)據(jù),需要配有便攜或手持儀器設(shè)備;鉆具管理應(yīng)采用具備數(shù)據(jù)庫功能的軟件，以提高效率，同時要能為綜合評價鉆具提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

按照上述設(shè)計理念,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)的核心技術(shù)構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)的核心技術(shù)包括鉆具RFID電子標(biāo)簽技術(shù)、移動數(shù)據(jù)釆集技術(shù)、芯片植人和防護技術(shù)、鉆具數(shù)據(jù)庫軟件技術(shù)、鉆具跟蹤評價技術(shù)等。

2.3  鉆具全生命周期管理流程

從圖2所示的石油鉆具管理流程圖上不難看出，鉆具全生命周期系統(tǒng)流程可分為管具公司和鉆井隊兩部分，在圖2中，使用RFID電子標(biāo)簽記錄信息的管理節(jié)點也包括管具公司鉆井隊兩個。

管具公司負責(zé)安裝RFID芯片并錄入相關(guān)信息,以及入庫、出庫的性能檢測等。

鉆井隊則負責(zé)入井隊記錄、井口使用記錄、現(xiàn)場檢査記錄。

2.4  RFID標(biāo)簽的植入和讀取

(1) RFID標(biāo)簽的安裝位置及方式

RFID芯片按信息讀寫方式主要可以分為三種類型:一是讀寫型即一次寫入多次讀取型；只讀型?？梢园葱酒娫搭愋头譃楸粍邮絻?nèi)部無電源和主動式內(nèi)部有電源兩種。其中只讀型芯片內(nèi)部存有所謂“硬代碼”的字母數(shù)字編碼組合。經(jīng)過苛刻的環(huán)境可測試安裝在鉆具中的各種類型芯片，發(fā)現(xiàn)在鉆井過程中,鉆柱內(nèi)殘留磁場會破壞可讀寫芯片的信息，因而不適合鉆井使用。因此,鉆具必須采用被動只讀型芯片，以防止任何外界干擾改寫數(shù)據(jù)，這種芯片的信息安全性最高。

(2) RFID標(biāo)簽的安全防護

標(biāo)簽在實際使用和物流過程中，通常存在條件苛刻的井下作業(yè)環(huán)境和復(fù)雜工況，如電磁輻射、高溫150°C以上、高壓105MPa、震動、表面污物以及酸、丙酮、堿液等化學(xué)腐蝕等，可能會造成芯片的損壞和信息丟失。為了滿足特殊應(yīng)用環(huán)境的要求，標(biāo)簽應(yīng)選用耐高溫、機械性能優(yōu)異、自潤滑性好、耐化學(xué)腐蝕、阻燃等特點的聚醍醍酮(PEEK)材料作為RFID標(biāo)簽的外殼封裝材料。為防止在物流運輸和鉆井振動過程中標(biāo)簽脫落的，應(yīng)將標(biāo)簽進行嵌入式安裝固定。

(3) 系統(tǒng)的物理架構(gòu)

本系統(tǒng)分三個數(shù)據(jù)庫分級管理，分別是鉆井公司總數(shù)據(jù)庫、管具公司數(shù)據(jù)庫、鉆井隊數(shù)據(jù)庫，三個數(shù)據(jù)庫間相互關(guān)聯(lián)。服務(wù)器中運行的IIS可為各權(quán)限用戶提供互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)。圖3所示是本系統(tǒng)的物理構(gòu)架圖。

3  經(jīng)濟效益分析

本系統(tǒng)完成后，可實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆具全生命周期動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為油田石油鉆具管理提供先進的管理模式。應(yīng)用本系統(tǒng)能夠為鉆具的新度指標(biāo)和鉆具壽命預(yù)測、鉆具利用、鉆具質(zhì)量及供應(yīng)商評價等決策提供有效依據(jù)，并可有效提高工作效率、縮短鉆井周期、降低鉆井成本、保證安全生產(chǎn)，為油田的生產(chǎn)和經(jīng)營帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

4  結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)，對于國內(nèi)鉆井市場來講，還是一個空白領(lǐng)域，但我們相信,隨著石油石化行業(yè)信息化管理和精細化管理觀念的深入發(fā)展，以及對信息化管理手段需求的越來越強烈,本文介紹的鉆具全程動態(tài)監(jiān)控預(yù)警管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)鉆具電子信息全生命周期的動態(tài)管理。同時，通過全過程的信息化管理，可為鉆具優(yōu)化使用提供科學(xué)依據(jù)，提高鉆具使用水平，降低因鉆具超負荷使用引起的井下故障，有效提升石油鉆具管理水平，為實現(xiàn)數(shù)字化油田、信息化油田和智慧油田的發(fā)展目標(biāo)起到積極的作用。