物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋鉆完井中的應(yīng)用

李金蔓 孫金聲 霍宏博 陶林 劉兆年 程林松

1.中國石油大學(北京)；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司；3.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司；4.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學；5.中海油研究總院有限責任公司

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱 IoT）概念由麻省理工學院自動識別中心于1999年首先提出，在網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)下，將物品信息接入互聯(lián)網(wǎng)，最先應(yīng)用于物流行業(yè)［1］。該技術(shù)提出即引起世界各國、各行業(yè)關(guān)注，發(fā)展迅速。2005年，信息社會世界峰會(WSIS)報告中正式確定“物聯(lián)網(wǎng)”概念，并指出信息與通信技術(shù)(ICT) 未來將實現(xiàn)人與物、物與物的連接［2］。2009年，溫家寶總理提出“感知中國”理念，推動了物聯(lián)網(wǎng)概念在國內(nèi)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展［3］。2015年李克強總理在政府工作報告中首次提到“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃，引導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代制造業(yè)融合［4］。在短短20年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從概念層面逐步推進至工業(yè)化應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)互通特性［5］，可有效改善海洋石油鉆完井作業(yè)環(huán)境孤立、信息化進程慢的現(xiàn)狀，物聯(lián)網(wǎng)與海洋石油鉆完井結(jié)合是必然趨勢，具備極大的潛力［6］。筆者通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋石油鉆完井的應(yīng)用現(xiàn)狀分析，總結(jié)了已成熟應(yīng)用的技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與海洋石油鉆完井深入融合進行了思考并提出建議。

1 物聯(lián)網(wǎng)在鉆完井技術(shù)中的應(yīng)用發(fā)展歷程

依托物聯(lián)網(wǎng)的鉆完井技術(shù)主要為：物端對設(shè)備狀態(tài)進行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，信息識別包括各種數(shù)據(jù)傳感技術(shù)，例如：射頻技術(shù)、聲學、放射性、磁感應(yīng)等獲取物體光、聲、電、化學、位置等信息；將數(shù)字狀態(tài)的設(shè)備信息通過通訊手段傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理和分析主要基于云計算平臺或者智能網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)互通，進行決策、控制及反饋。

上世紀80年代初，Superior公司通過微波電話線路實現(xiàn)鉆井現(xiàn)場和基地的工程、鉆井液、地質(zhì)數(shù)據(jù)共享互通［7］，Mobil公司在該技術(shù)基礎(chǔ)上組建數(shù)據(jù)中心，并利用衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)提高通信能力［8］。隨后國際知名石油企業(yè)如Amoco、Teneco等相繼建立數(shù)據(jù)通訊分析系統(tǒng)，支持邊遠地區(qū)、海上鉆完井作業(yè)［9-10］。80年代末、90年代初，國內(nèi)中原油田、塔里木油田開始逐步探索遠程數(shù)據(jù)傳輸［11-12］。

“十五”期間，中海油為保障海上鉆井作業(yè)安全和作業(yè)質(zhì)量，利用DTS(數(shù)據(jù)集成服務(wù)系統(tǒng))實現(xiàn)陸地專家對海上作業(yè)輔助決策。作業(yè)現(xiàn)場采集到的工程、鉆井液參數(shù)在作業(yè)現(xiàn)場由局域網(wǎng)絡(luò)計算機對數(shù)據(jù)初步處理為統(tǒng)一格式，由海上的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)傳輸回陸地［13］，陸地支持中心專家對數(shù)據(jù)進行分析并指揮現(xiàn)場作業(yè)。

此外，早在2010年中海油開始編制《中海油通用材料目錄》，利用條形碼為物資建立信息檔案，涵蓋5萬條物料信息，射頻出庫，在陸地、運輸、應(yīng)用三個場景下實現(xiàn)物資狀態(tài)識別［14］。

隨著計算機技術(shù)的迭代更新，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的更新?lián)Q代，依托物聯(lián)網(wǎng)的鉆完井技術(shù)也在進步，以物聯(lián)網(wǎng)賦能鉆完井技術(shù)優(yōu)勢逐步發(fā)揮，得到極大發(fā)展。

2 海洋鉆完井物聯(lián)網(wǎng)核心架構(gòu)

海洋鉆完井物聯(lián)網(wǎng)主要包括邊緣端數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)采集、分析挖掘、智能應(yīng)用5個主要層面，見圖1。

圖1 海洋鉆完井物聯(lián)網(wǎng)核心架構(gòu)圖Fig.1 Core architecture of internet of things for offshore well drilling/completion

數(shù)據(jù)獲取是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的最基礎(chǔ)層面，鉆井硬件設(shè)施的升級換代，使獲取的鉆井數(shù)據(jù)更接近地層的真實情況，光纖、傳感器在井下布設(shè)改變了原有機械傳輸方式，可連續(xù)實時采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，井組聯(lián)網(wǎng)分析井間連通規(guī)律，與開發(fā)方案對比擬合迭代優(yōu)化生產(chǎn)模型，及時調(diào)整開發(fā)方案；海上通訊設(shè)施升級，信息傳輸方式的改進保證了對海量數(shù)據(jù)的傳輸效率和傳輸效果，數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)清洗等措施使數(shù)據(jù)有效性大大提高；大數(shù)據(jù)技術(shù)將涉及油田勘探、開發(fā)、生產(chǎn)的多專業(yè)數(shù)據(jù)匯入數(shù)據(jù)湖，在數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)上也實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)調(diào)用；通過建立人工智能模型，進行深度學習、機器學習培養(yǎng)訓(xùn)練，挖掘數(shù)據(jù)潛力，拓展應(yīng)用場景，并基于此實現(xiàn)鉆井風險預(yù)測、井下設(shè)備故障分析、油藏精細刻畫、油田生產(chǎn)管理、油田生產(chǎn)風險評估等目的。

3 依托物聯(lián)網(wǎng)的海洋鉆完井模式數(shù)據(jù)采集

3.1 鉆井期間近鉆頭參數(shù)采集

由于井壁對鉆井管柱的摩擦、鉆柱旋轉(zhuǎn)及形變、井下流體影響等，傳統(tǒng)的地面采集鉆井數(shù)據(jù)不能真實反映井下情況。尤其在深層、大位移鉆井等特殊工況中，井軌跡長，地面參數(shù)失真，準確獲取井下情況對正確決策至關(guān)重要。井下多參數(shù)采集設(shè)備依靠安裝在鉆頭附近的短節(jié)，集成多種傳感器采集井下參數(shù)，實現(xiàn)對井下真實狀態(tài)的實時把控，其國產(chǎn)化進程已逐步實現(xiàn)從工程試驗進入到實際應(yīng)用［15］。

井下多參數(shù)采集設(shè)備可獲得近鉆頭處鉆具組合的溫度、ECD、鉆壓、扭矩、彎矩、轉(zhuǎn)速、井斜、方位角、振動等參數(shù)。井下采集電路采集井下5 s內(nèi)的鉆壓、扭矩、ECD等參數(shù)的最大值、平均值；取x、y、z軸的加速度，并通過幅值和頻率計算近鉆頭振動；采集電路將數(shù)據(jù)傳輸至主控電路，主控電路將自身采集的井斜、方位與其他參數(shù)進行編碼，由脈沖發(fā)生器將信號以壓力脈沖的形式傳輸?shù)降孛妗?/p>

受數(shù)據(jù)傳輸限制，早期井下參數(shù)采集設(shè)備將數(shù)據(jù)存儲于井下工具中，出井后將參數(shù)下載至地面設(shè)備，再將數(shù)據(jù)與地面參數(shù)擬合回歸，指導(dǎo)后續(xù)鉆井。隨著技術(shù)進步，井下參數(shù)可實現(xiàn)實時上傳，傳輸方式包括鉆井液脈沖、電磁波等，但目前脈沖傳輸方式效率較低，僅可以實現(xiàn) 12 b/s速率的傳輸［16-17］；電磁波傳輸方式又存在信號弱、干擾嚴重、傳輸距離短等問題暫未克服。

3.2 隨鉆地層參數(shù)獲取與軌跡調(diào)整

地層信息數(shù)字化轉(zhuǎn)化是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，但以往可隨鉆獲取地層信息的測錄井裝備技術(shù)被Schlumberger(斯倫貝謝)、BakerHughes(貝克休斯)、Halliburton(哈里伯頓)等國際公司壟斷，中海油服經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)以流量或壓力變化切換儀器工作狀態(tài)高頻率泥漿脈沖器［18］，采用單芯總線方式將多種功能集成于一根井下工具上，并解決了通信和供電復(fù)用的難題［19］。目前已形成適應(yīng)不同井眼尺寸的井下信息隨鉆獲取、傳輸為一體的國產(chǎn)化系統(tǒng)，包括Welleader(旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向)和Drilog(隨鉆測井)系列產(chǎn)品。

Drilog系統(tǒng)可實現(xiàn)地層放射性、電導(dǎo)率、井眼軌跡信息及井下狀態(tài)測量，采用2組平面對稱分布的 NaI閃爍晶體探測器進行自然伽馬的測量，采用四發(fā)雙收的雙頻補償結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對地層電阻率測量；通過三軸正交磁通門、三軸正交加速度計實現(xiàn)對井斜角、方位角、工具面角的測量。

在隨鉆獲取井下參數(shù)基礎(chǔ)上，導(dǎo)向鉆井工具可根據(jù)信息反饋實時調(diào)整鉆具井下姿態(tài)，實現(xiàn)井軌跡精確控制。Welleader可由鉆井液帶動井下渦輪實現(xiàn)自發(fā)電，并通過電機驅(qū)動靜態(tài)滑套上3個導(dǎo)向肋板，伸出的肋板推靠井壁調(diào)節(jié)井下鉆具組合方向，實現(xiàn)對井軌跡的控制。井斜角、重力高邊工作面由三軸正交加速度計獲取，調(diào)節(jié)地面管匯微流量將地面指令傳達到Welleader井下工具。

隨鉆測井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的研發(fā)成功，將地層信息和井下工具信息為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆完井中應(yīng)用創(chuàng)造了基礎(chǔ)。

由于近鉆頭井下鉆具直接承受鉆頭破巖所產(chǎn)生的強烈振動及鉆柱的橫向振動，傳感器的輸出信號不可避免地混雜大量的干擾信號，導(dǎo)致姿態(tài)參數(shù)（方位角、井斜角和工具面向角）測量不準確甚至不可測的問題。目前普遍采用的隨鉆測量（Measurement While Drilling，MWD）技術(shù)，雖然能得到準確的姿態(tài)參數(shù)，但要求姿態(tài)測量時必須停止鉆進（即鉆具不旋轉(zhuǎn)、不振動），存在時效低、成本高等問題。為了進一步提高鉆井效率，實現(xiàn)鉆井工具姿態(tài)參數(shù)的連續(xù)、動態(tài)、實時測量，是目前急需解決的問題之一。國外各大油田服務(wù)公司主要采用穩(wěn)定平臺以保證被測量的工具不隨鉆具旋轉(zhuǎn)和振動，從而得到滿足精度需求的鉆井工具姿態(tài)信息［20］。但這類穩(wěn)定平臺井下鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，制約了其在井下的有效工作時間。Halliburton公司的Geo-Pilot旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向自動鉆井系統(tǒng)致力于解決工程問題，但是由于技術(shù)保密等原因?qū)ψ藨B(tài)測量方法的理論研究公開較少。

3.3 油田生產(chǎn)井下物聯(lián)神經(jīng)末梢建立

海洋油田分層注水需要通過反復(fù)投撈調(diào)試達到配注需求，在井斜超過60°井中投撈難以實現(xiàn)，且存在測試過程中，注采關(guān)系變化而導(dǎo)致測試精度不準確，不滿足精細化、智能化注水的需求。目前采用液控滑套方法完成智能注水需求。完井階段在井下預(yù)設(shè)傳感器，在完井管柱中每個生產(chǎn)層位預(yù)設(shè)智能測調(diào)工作筒，多個工作筒中的多條單芯電纜和液控管線連接井口控制器，電纜可實現(xiàn)井下參數(shù)測量并傳輸至地面，液控管線可控制滑套開閉，如圖2所示。

圖2 智能完井參數(shù)采集設(shè)備Fig.2 Parameter acquisition equipment for smart well completion

構(gòu)成生產(chǎn)信息的物聯(lián)網(wǎng)神經(jīng)末梢，可實時讀取各層產(chǎn)量、配注量，并將溫度、壓力、流量等信息由單芯電纜經(jīng)井口控制器傳輸至中控工作站，經(jīng)測調(diào)軟件分析輔助操作人員通過井口控制器控制井下工作筒，井下超壓或壓力突變時，還能自動報警、關(guān)斷，提高安全性。中控工作站將區(qū)域內(nèi)所有井信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至陸地終端服務(wù)站，多井并網(wǎng)共同建立區(qū)域井下物聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可輔助判斷區(qū)域?qū)游贿B通關(guān)系和作業(yè)措施對區(qū)域流場影響，由液控管線控制的滑套，根據(jù)地層流場對各層位生產(chǎn)調(diào)配，有效提高油田儲量動用程度，提高注水精度與效率［21］。

4 依托物聯(lián)網(wǎng)的海洋鉆完井模式數(shù)據(jù)處理和傳輸

采集的大量數(shù)據(jù)中，由于統(tǒng)計錯誤及波動的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂，因此在對數(shù)據(jù)利用前要先進行數(shù)據(jù)清洗，并以合理的特征參數(shù)作為輸入向量，以一定比例的數(shù)據(jù)進行模型訓(xùn)練，用其他數(shù)據(jù)檢驗人工智能模型的有效性和收斂性。

4.1 數(shù)據(jù)資源處理云邊協(xié)同

邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至云平臺，經(jīng)處理后傳回邊緣端將增加系統(tǒng)延遲，另一方面，邊緣設(shè)備隨時產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)帶寬無法滿足所有數(shù)據(jù)傳輸。受限于海洋鉆完井所處的環(huán)境，傳統(tǒng)的云計算模式難以滿足海洋鉆完井的物聯(lián)網(wǎng)需求［22］，云邊協(xié)同技術(shù)是海洋鉆完井物聯(lián)網(wǎng)建立的必由之路。

在鉆完井終端設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣端設(shè)備處理（包括數(shù)據(jù)存儲、分析、緩存），再將源數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送云計算中心，云計算中心在信息集成基礎(chǔ)上，通過人工智能模型學習優(yōu)化，再將數(shù)據(jù)反饋至邊緣設(shè)備端。將源數(shù)據(jù)在邊緣節(jié)點處理，增加邊緣端設(shè)備處理能力，處理結(jié)果緩存在邊緣端，并在后臺同步邊緣節(jié)點與云中心的數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)采集硬件與具備計算能力硬件在海洋鉆完井設(shè)備中集成，形成具備邊緣計算能力的海洋鉆完井設(shè)備系統(tǒng)。以設(shè)備故障預(yù)警為例，在智能算法基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)在設(shè)備采集端處理分析，感知設(shè)備異常數(shù)據(jù)，發(fā)送響應(yīng)信息，并選擇性將信息存儲上傳至云端，實現(xiàn)以最小存儲空間，實現(xiàn)最大價值數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)云邊協(xié)同架構(gòu)見圖3。海上油田智能化建設(shè)可應(yīng)用邊緣設(shè)備基于傳感器收集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，通過云端輸出的數(shù)據(jù)分析模型實時對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析并形成決策信息。

圖3 數(shù)據(jù)云邊協(xié)同架構(gòu)Fig.3 Data cloud-edge coordination architecture

4.2 海上通信設(shè)施升級

海洋作業(yè)現(xiàn)場到陸地的遠距離中大通信容量的數(shù)據(jù)傳輸對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)至關(guān)重要，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘的載體。海上通訊系統(tǒng)中衛(wèi)星、光纖、微波是通訊傳輸?shù)闹饕问?，海底光纜傳輸優(yōu)勢明顯，其容量大、質(zhì)量好、不受天氣影響且可靠性高，海上固定平臺間通訊網(wǎng)絡(luò)，以統(tǒng)一的幀結(jié)構(gòu)形式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，采用SDH（同步數(shù)字體系）光纖通訊網(wǎng)技術(shù)，以雙光纖傳輸?shù)淖杂h(huán)形網(wǎng)確保數(shù)據(jù)有效傳輸，可實現(xiàn)最高622 Mb/s的最高速率［23］，但海底光纜在固定式平臺通信保障效果直觀，在移動式鉆井平臺不易實現(xiàn)［24］。微波通訊受海洋氣候及其自身傳播特點影響，視距傳輸距離有限，超視距傳輸損耗較大［25-26］。未來搭建固定平臺與海洋鉆井平臺間光纖網(wǎng)絡(luò)互通，實現(xiàn)組網(wǎng)，創(chuàng)新海上平臺信息傳輸架構(gòu)，保障海上通訊。衛(wèi)星通訊系統(tǒng)主要的C波段衛(wèi)星和Ku波段衛(wèi)星，帶寬不夠，通訊速率受限，僅能實現(xiàn)窄帶通信，滿足日常辦公需求，物聯(lián)網(wǎng)信息傳感器終端信息傳輸受限，限制海洋鉆完井作業(yè)數(shù)字化智能化應(yīng)用發(fā)展。為解決數(shù)據(jù)傳輸難題，在海上通信系統(tǒng)升級改造中，通過逐步部署Ka波段衛(wèi)星替代C/Ku波段衛(wèi)星，拓展傳輸帶寬。Ka波段衛(wèi)星傳輸容量大，抗干擾性好，可用帶寬達到 2 500 MHz［25］。隨著通訊需求幾何級數(shù)增加，未來微波頻段衛(wèi)星將難以滿足需求。高軌衛(wèi)星中繼鏈路空間激光通信可大幅提高通訊速率，同時，高軌、低軌、地面配合可共同為提高通訊速率奠定基礎(chǔ)［27］。

5 依托物聯(lián)網(wǎng)的海洋鉆完井模式數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用

5.1 鉆完井與地層結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)

由于專業(yè)背景上的差距導(dǎo)致在井位決策方面鉆井、地質(zhì)認識各有側(cè)重，借助于地層數(shù)字化、鉆完井數(shù)字化的可視化虛擬現(xiàn)實技術(shù)可提供多專業(yè)統(tǒng)一認識、交流的平臺。

三維地震數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù)體量巨大，包含成百甚至上千平方公里的地震數(shù)據(jù)。在探井實鉆信息校正基礎(chǔ)上，結(jié)合勘探階段地震數(shù)據(jù)解釋資料，進行三維地震地質(zhì)建模，利用自動解釋系統(tǒng)實現(xiàn)特定沉積類型的砂體追蹤。通過專業(yè)地學軟件，如Petrel等轉(zhuǎn)換為三維地震或三維油藏模型等數(shù)據(jù)體，并由高性能集群計算機圖形工作站完成對數(shù)據(jù)體的紋理、渲染等圖像處理，形成三維圖像，通過12路高清視頻信號，投影至4K屏幕［28］。鉆井過程中將錄井、隨鉆測井獲得的井下鉆井參數(shù)，通過衛(wèi)星信號實時傳輸至陸地，將構(gòu)造特征、井軌跡投影到三維地震模型，構(gòu)成可視化的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，輔助判斷井位決策［29］。該技術(shù)將鉆井所獲得的井下地層信息、軌跡信息與地質(zhì)信息結(jié)合，并將數(shù)據(jù)信息進行可視化展示，可滿足多專業(yè)專家同時交流、決策，從最有利于發(fā)掘儲量角度出發(fā)，避開水層、泥巖層等影響儲量、產(chǎn)量的層位，兼顧斷層、破碎帶、火成巖等影響鉆井安全的地質(zhì)區(qū)域，對井軌跡進行實時調(diào)整和優(yōu)化，彌補了跨專業(yè)交流障礙，在保證鉆井安全的基礎(chǔ)上大大降低了勘探落空風險。

生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)匯入數(shù)據(jù)湖，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效調(diào)取。通過地震、地質(zhì)、測井、巖心等數(shù)據(jù)采集建立油藏模型，依據(jù)開發(fā)生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測，精細刻畫油藏模型，更好地認識油藏，并為挖掘剩余油氣資源、提高采收率提供支持。

5.2 鉆完井風險分析與決策預(yù)警

大數(shù)據(jù)、云計算、數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進步，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步奠定基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆完井技術(shù)中的應(yīng)用，從初期的事故處理決策、保證物資供應(yīng)等基礎(chǔ)功能，逐步與地質(zhì)、工程相融合，發(fā)展成為保障作業(yè)安全、服務(wù)儲量發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測生產(chǎn)動態(tài)、減少人力勞動的成熟智能化技術(shù)。

鉆前對鉆完井全過程進行模擬分析，使鉆井設(shè)計與地質(zhì)設(shè)計相結(jié)合。鉆井實施階段分析鉆井井下數(shù)據(jù)，對鉆頭、鉆具的工作狀態(tài)實時監(jiān)測，可直接進行鉆井參數(shù)的及時調(diào)整。大數(shù)據(jù)的賦能使鉆前數(shù)據(jù)模擬準確性大大提高，在人工智能風險評價模型中，分析鉆頭、鉆具的使用壽命，根據(jù)數(shù)據(jù)變化分析風險發(fā)生的趨勢，對可能的復(fù)雜情況進行規(guī)避或參數(shù)調(diào)整，同時結(jié)合井下三維地質(zhì)建模，可為技術(shù)專家決策提供幫助，提高數(shù)據(jù)時效性和決策效率。

6 未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋鉆完井應(yīng)用探索

雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋鉆完井中得到了一定應(yīng)用，但仍具有較大的發(fā)展空間和廣闊的市場前景，隨著萬物互聯(lián)時代的來臨［26］，海洋鉆完井技術(shù)的發(fā)展必須與計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系，通過跨行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，推動海洋鉆完井物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

6.1 新技術(shù)新工藝完善鉆完井物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

目前鉆井井下數(shù)據(jù)傳輸依靠鉆井液脈沖，若鉆井液停止流動則無法進行，并且數(shù)據(jù)傳輸效率和準確性仍需持續(xù)提高。數(shù)據(jù)傳輸方式是海洋鉆井物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵。IntelliServ公司研制出的磁耦合鉆桿系統(tǒng)，將光纖、同軸電纜等預(yù)埋在鉆桿中，可實現(xiàn)高速、高效通訊傳輸，通訊速率達到 57 kb/s［30］，是未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆井工況不可或缺的工具。

2021年2月殼牌推出鉆井液實時監(jiān)測“橇裝”系統(tǒng)［31］并試運行，可實現(xiàn)對鉆井液黏度、密度、循環(huán)損失、固相含量、鹽度、pH值、電導(dǎo)率等的實時測量，并可根據(jù)設(shè)定對鉆井液進行維護。油田化學參數(shù)的測量完善物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集完整度，未來也將快速融入鉆完井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

分布式光纖傳感器技術(shù)，可在完井階段在井筒布設(shè)，對光纖沿程數(shù)據(jù)進行測量。可完善井下物聯(lián)網(wǎng)神經(jīng)末梢采集，也可實現(xiàn)井間地震監(jiān)測、油藏長期動態(tài)監(jiān)測等功能，具有重量輕、成本低、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點。一根光纖可實現(xiàn)數(shù)千個感應(yīng)點的分布式測量，并可實時測量油氣水產(chǎn)量、儲層流體變化參數(shù)，可作為智能油田網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，實現(xiàn)對井下動態(tài)的感知及對變化趨勢的預(yù)測，有利于對井間儲量的分析和對開發(fā)方案的優(yōu)化調(diào)整。

隨著現(xiàn)代科技信息技術(shù)發(fā)展以及鉆完井行業(yè)進步，未來將有越來越多的跨學科技術(shù)完善數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)輔助基于物聯(lián)網(wǎng)的鉆完井技術(shù)發(fā)展。

6.2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)安全保障

由于海洋鉆完井數(shù)據(jù)傳輸處于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對數(shù)據(jù)傳輸及獲取較為不利，惡意攻擊者可以較容易進行數(shù)據(jù)獲取或篡改，海洋鉆完井作業(yè)存在井控、溢油、爆炸等作業(yè)風險，一旦此類安全事故發(fā)生時海上傳輸數(shù)據(jù)遭受攔截或篡改，極有可能造成人員傷亡、海洋污染等惡劣事故，故維護物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)安全非常重要。

邊緣計算的應(yīng)用可減少向云中心上傳的數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)泄露風險，有利于數(shù)據(jù)安全。而區(qū)塊鏈技術(shù)具有多方共識、主體安全、安全通信等特點［32-35］，可實現(xiàn)對非法入侵的防護以及對非法節(jié)點識別。區(qū)塊鏈上的實體可同步獲取信息及進行信息處理，共識機制可防止寫入?yún)^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)被篡改。區(qū)塊鏈技術(shù)與邊緣計算技術(shù)的混合架構(gòu)在其他行業(yè)已經(jīng)有所應(yīng)用［36-37］，未來可借鑒用于提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鉆完井技術(shù)中的應(yīng)用安全。

7 結(jié)論和建議

（1）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋鉆完井中的應(yīng)用已經(jīng)從最初的物流信息統(tǒng)計逐步發(fā)展成目前的隨鉆系統(tǒng)傳輸、虛擬現(xiàn)實、神經(jīng)末梢建立等技術(shù)體系，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于海洋鉆完井勢在必行，還需在通訊升級、數(shù)據(jù)資源治理及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全方面進行攻關(guān)研究。

（2）雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展日新月異，但我國國產(chǎn)化研究力度仍需加強，應(yīng)從行業(yè)升級出發(fā)推動新技術(shù)發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋鉆完井中的應(yīng)用需要重視跨專業(yè)人才的培養(yǎng)，突破行業(yè)限制壁壘，實現(xiàn)跨學科專業(yè)技術(shù)發(fā)展。